恒压式气体微流量计测控系统的设计

　　“八五”期间,国防科工委真空计量一级站建立了一台恒压式气体微流量计,流量测量范围为3.49×10^-3～1. 97×10^-8Pa·m³/s,不确定度小于2.25%^[1,2]。流量计测控系统以386计算机为中心,选用了当时精度很高的光栅尺、铂电阻等测量工具,用三块计算机接口板把测量工具和控制器件与计算机联系在一起,采用PID算法,实现了数据的自动采集、恒压自动调节和流量测量^[3]。

　　随着真空计量和计算机控制技术的进一步发展,研制流量范围更宽、流量下限更低、流量测量更准确的气体微流量计已非常迫切。目前,德国联邦物理技术研究院(PTB)已经研制到第三代流量计,测控系统为全自动方式,计算机软件采用美国NI公司的LabVIEW开发工具,测量下限达到了10^-8Pa·m³/s(校准流量下限达到10-10Pa·m3/s)^[4]。意大利国家计量研究所(IMGC)也研制了第三代流量计,亦采用自动控制和LabVIEW软件实现流量控制和测量,测量下限达到了10^-8Pa·m³/s^[5,6]。“十五”期间,我站研制了新一代恒压式气体微流量计,用于真空规和真空漏孔的校准,本文将介绍该流量计测控系统的研制情况。

　　1　流量计测量原理

　　图1为恒压式气体微流量计原理图。

　　流量测量原理是:当气体流入或流出变容室时,改变变容室的容积,使变容室中气体压力保持恒定,则气体在Tr温度(Tr一般取23℃)下的流量就可以通过测量变容室内气体的压力P、温度T和体积变化率dV/dt而计算得到^[3]

　　式中　Q——气体流量,Pa·m³/s

　　P——变容室压力,Pa

　　dV/dt——变容室体积变化率,m³/s

　　Tr/T——变容室温度变化率,无量纲

　　将流量计提供的已知流量引入到真空校准系统,可以进行真空规校准或真空漏孔校准^[3]。

　　2　测控系统的设计

　　为了测量公式(1)中压力、体积变化率和温度以及实现流量计测量的自动化,我们围绕“提高测量精度,减小测量不确定度”这个原则,设计了如图2所示的恒压式气体微流量计测控系统。

　　2.1　压力测量

　　参考室压力用美国MKS公司生产的满量程133 Pa和1.33×10⁵Pa电容薄膜规(CDG)测量,其中电容薄膜规的参考端接溅射离子泵,用以维持较低参考压力。当测量压力低于10^-1Pa,使用一台美国MKS公司生产的磁悬浮转子规(SRG-2E)测量,此规的控制单元带有RS-232C计算机接口。变容室与参考室的差压用满量程133 Pa的差压电容薄膜规测量。电容薄膜规的显示单元型号为MKS670,有IEEE488通讯接口,通道选择器型号为MKS274。