基于虛擬儀器的真空度現場測試系統

真空度 賈軍偉 北京東方計量測試研究所

  真空度現場測試系統測量范圍為( 1 × 105 ~ 2 × 10-9 ) Pa。文章介紹了該系統的硬件構成和工作原理。該系統硬件部分主要包括電容薄膜真空計、標準電離真空計、分離規和法蘭轉換套件。基于美國NI 公司的Labview軟件開發平臺,結合日常型號服務的熱真空試驗設備和其它真空設備的測試需求,開發了真空度現場測試軟件。軟件以模塊化思想為基礎,可根據不同的測試要求選擇相應的測試標準,進而實現數據自動處理,報告自動生成。

1、引言

  真空技術是20 世紀初發展起來的一門新的技術學科,隨著科技的進步,真空技術作為一門實用的基礎科技應用范圍日益廣泛。目前,真空技術已廣泛應用于航天、航空、高能物理、可控熱核聚變、表面物理、半導體與微電子等尖端科學研究領域,此外還廣泛應用于工業和服務業。從日常生活用的燈泡的制造,到空間環境模擬實驗,所有真空工程中的應用設備,都是通過真空系統實現的。

  不同的真空應用設備,所用的真空系統是不一樣的,但其基本組成是類似的。一套真空系統主要由真空室、真空獲得設備、真空測量設備和其它元件構成。真空度是真空系統最重要的物理參數之一,也是衡量真空系統性能的重要物理參數,同時真空度的準確測量是影響工藝和真空實驗的重要參數。

  對于新研制的真空設備為了了解其真空特性是否滿足使用要求,通常要對其進行測試驗收以確保設備的性能指標。對于使用中的真空設備,為了檢驗其特性,需要對其進行周期測試。由于真空設備體積龐大,搬到計量室進行特性測試顯然很不現實,因此需要對其進行現場測試。由于真空系統的復雜多樣性,真空度準確測量對工藝和試驗的重要影響,要求真空度現場測量系統必須精度高,覆蓋的量程寬。

  結合日常型號服務工作,尤其是空間熱真空環境試驗系統的真空度測試需求,我們構建了真空度現場測試系統,并基于美國NI 公司的Labview 軟件開發平臺,開發了真空度現場測試軟件。可根據不同的測試要求選擇相應的測試標準,進而實現數據自動處理,報告自動生成,大大提高工作效率。

2、硬件部分及工作原理

  真空度測量中,除極少數直接測量外,絕大多數是間接測量。就是先在被測氣體中引起一定的物理現象,然后再測量這一過程中與壓力有關的物理量,進而設法確定壓力值。物理量與壓力的關系,都是在某一壓力范圍內才最顯著,超出這個范圍,關系變得弱了。因此,任何方法都有其一定的測量范圍,這個范圍就是真空計的“量程”。所以針對不同的測量范圍必須選擇不同的測量標準,才能保證整個測量過程的準確性,這是真空測量的特點,綜合考慮精度、穩定性、復現性、可靠性和壽命等因素。我們確定了不同真空度段的測量標準,具體見表1。由于真空規和真空設備接口法蘭的多樣性,為了方便連接設計了各種法蘭轉接口。

表1 現場真空度測試系統不同真空段的測量標準

  2. 1、電容薄膜真空計

  在粗真空、低真空測量中,薄膜規的精度和穩定性最好。美國MKS 生產的690A 系列電容薄膜規為美國軍用標準,也是國內真空計量標準,真空度的測量可達到讀數精度的0. 05%,是目前準確度等級最高的真空度測量儀器。由于不同型號的薄膜規器測量范圍也不一樣,為了擴展量程,需要組合使用,其測量范圍為( 105 ~ 10-2 ) Pa。

  根據彈性薄膜在壓差作用下產生應變而引起電容變化的原理制成的真空計稱為電容式薄膜真空計,它由電容式薄膜規管( 又稱為電容式壓力傳感器) 和測量儀器兩部分組成。金屬彈性膜片將薄膜真空規管隔離成兩個室,分別為接被測真空系統的測量室和接高真空系統( 真空度< 10 - 3 Pa) 的參考壓力室。在這兩個室的連通管道上設置一個高真空閥門。測量時,先將閥門打開,用高真空抽氣系統將規管內膜片兩側的空間抽至參考壓力。同時調節測量電橋電路,使之平衡,即指示儀表指零。然后,關閉閥門,測量室接通被測真空系統。當被測壓力大于參考壓力時,由于規管中的壓力差,膜片發生應變引起電容改變,破壞了測量電橋電路的平衡,指示儀表上亦有相應的指示。調節直流補償電源電壓對電容充電,使其靜電力與壓差相等,此時,電橋電路重新達到平衡,指示儀表又重新指零。根據補償電壓的大小,就能得出被測壓力。

  2. 2、電離真空計

  標準電離真空計和分離規均為電離真空計,由燈絲加熱提供電子源。電力真空計其型式繁多,各具不同特點和適用不同的壓力測量范圍。普通電離真空計的允許誤差為50%,標準電離真空計精度為5%,測量范圍( 10-1 ~10-5 ) Pa,在真空計量中用作二等標準。分離規精度為15%,測量范圍( 10-2 ~ 10-9) Pa,作為超高真空測量具有較好的精度和穩定性。電子在電場中飛行時從電場獲得能量,若與氣體分子碰撞,將使氣體分子以一定幾率發生電離,產生正離子和次級電子。其電離幾率與電子能量有關。電子在飛行路途中產生的正離子數,正比于氣體密度n,在一定溫度下正比于氣體的壓力P。因此,可根據離子電流的大小指示真空度。通過公式( 1) 可以得到真空度示值。

I + = K·P·Ie (1)

  式中: I +———真空計離子流示值; K———真空規管的靈敏度系數; P———真空規管所處的壓力值; Ie———真空計的發射電流。

  2. 3、法蘭轉換套件

  法蘭轉換件主要包括CF35 轉KF16,CF35 轉KF25,CF35 轉KF40,CF35 轉CF,CF35 轉螺口標準玻璃規管法蘭,KF40 轉KF25,KF40 轉KF16,KF25轉KF16 及各種常用的非標轉接件。

3、檢定程序

  Labview 是一種程序開發環境,由美國國家儀器( NI) 公司研制開發的,類似于C 和BASIC 開發環境,但是Labview 與其他計算機語言的顯著區別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼,而Labview 使用的是圖形化編輯語言G 編寫程序,產生的程序是框圖的形式。如圖1 所示為基于Labview 軟件一個簡單報表生成程序框圖。

報表生成程序框圖

圖1 報表生成程序框圖

  NI 公司為用戶提供了基于Labview 的各類儀器驅動程序,如2000 等都有相應的基于Labview 的驅動程序。應用這些驅動程序大大提高了程序編制的速度和效率。但需要注意的是有些驅動程序模塊與實際應用有一定差距,需要使用者對其修改或者利用VISA 自行編制。本文以Labview8. 2 作為軟件開發平臺,利用VISA 自行編制儀器驅動,開發了真空度現場測試軟件。

  3. 1、程序設計

  程序主要由被檢儀表信息輸入模塊、測量模式選擇模塊、圖表實時顯示模塊和報告生成模塊四大部分構成。結合“LabVIEW Report Generation Toolkit for Microsoft Office”及word 中書簽和域的使用,可實現數據的自動處理、原始記錄和證書的自動生成。其程序設計流程圖如圖2 所示。

 真空計電參數檢定程序流程圖

圖2 真空計電參數檢定程序流程圖

  如圖3 為標準電離計數據采集模塊程序,首先通過“VISA 串口配置”模塊配置儀器的串口信息,包括波特率、數據位、停止位等,然后通過“VISA 寫入”模塊給儀器發送命令,通過“VISA 設置I /O 緩沖區大小”模塊進行緩沖區大小設置,延時模塊延

  時后,通過“VISA 讀取”模塊讀取儀器返回的十六進制數據,最后通過一系列的數據轉換最終轉換成通用的“I32”數據形式,進而通過數學函數計算可求的真空度數值。

標準電離計數據采集模塊程序圖

圖3 標準電離計數據采集模塊程序圖

  如圖4 為主程序前面板,在主程序前面板可進行標準器基本信息的輸入,被測量設備基本信息的輸入,采數間隔時間的設置。設置完畢運行程序時,可以通過表格和曲線圖同時實時顯示真空度隨時間的變化。測試完畢后,自動進行數據處理,生成原始記錄和證書,實現現場測試,現場出結果。最后可以直接將證書上傳至計量系統,進行統一管理。

真空度現場測試系統程序前面板圖

圖4 真空度現場測試系統程序前面板圖

  3. 2、程序效果分析

  實際工作中通常測試時間要持續數小時,人工測試耗時又無趣。通過應用程序進行測試,設定好采數間隔時間,便可按時自動記錄數據,采用自動檢定系統無疑會大大降低計量人員的勞動強度,節約時間,提高效率。程序自動生成的證書數據實例如圖5 所示。

真空度現場測試系統測試數據

圖5 真空度現場測試系統測試數據

4、結束語

  通過合理配置調試,真空度現場測試系統其測量范圍為( 1 × 105 Pa ~ 2 × 10-9 ) Pa,連接方式多樣,幾乎可以日常工作中的真空設備測試需求。自動化程序可以按時采集數據,自動處理,生產報告和原始記錄,提高勞動效率。自動化程序應用前景十分廣闊,目前我們還有很多工作有待開展、完善,充分利用已有的信息和資源為我們所用,以提高準確性和效率。有理由相信,自動化技術在未來計量工作中將會發揮越來越重要的作用。