基于LabVIEW的低溫與真空度測量系統(tǒng)設計

李樂斌 趙 智 孫爾雁 呂衛(wèi)星 吳全鋒 胡石林

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

基于LabVIEW的低溫與真空度測量系統(tǒng)設計

李樂斌 趙 智 孫爾雁 呂衛(wèi)星 吳全鋒 胡石林

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

針對低溫精餾試驗裝置對溫度和真空度的測量控制要求，設計了一種基于LabVIEW的低溫與真空度測量系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的總體方案、硬件配置和部分軟件程序。運行結果表明：系統(tǒng)用戶界面友好且操作簡單，滿足設計要求。

低溫精餾試驗 低溫溫度 真空度 LabVIEW

低溫與真空系統(tǒng)是低溫精餾試驗的重要組成部分，它們?yōu)樵囼炋峁┧璧牡蜏卣婵窄h(huán)境。低溫系統(tǒng)是通過連接制冷機建立低溫試驗環(huán)境的，既要求試樣與冷源充分接觸傳熱降溫，又要求減少熱源通過對流、導熱及輻射等途徑給試樣傳遞熱量。真空系統(tǒng)由真空罩、機械泵、分子泵、真空閥門及連接管道等組成。低溫溫度作為制冷機工作的主要性能參數(shù)，代表制冷機的工作狀態(tài)，同時顯示試驗裝置的運行效果，而且整個低溫精餾試驗裝置必須保證在一定真空度環(huán)境中運行，因此對低溫和真空度的準確實時測量極為重要。然而現(xiàn)有的測量方法多利用測量儀器自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對溫度和真空度單獨進行測量和記錄。如果低溫采集數(shù)據(jù)量大，則試驗成本將會很高。LabVIEW是目前應用最廣的數(shù)據(jù)采集、分析和控制開發(fā)環(huán)境之一，主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、分析及顯示等領域[1]。結合低溫精餾試驗裝置對測量系統(tǒng)的要求和試驗裝置的特點，筆者開發(fā)了一套基于LabVIEW的低溫與真空度測量系統(tǒng)，實現(xiàn)多儀器、多數(shù)據(jù)的一體化測量，以期應用于各制冷和低溫測量系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)方案

1.1 低溫溫度采集方案

從測量范圍、精度、功耗及成本等綜合因素考慮，低溫精餾試驗的溫度儀表采用中國科學院低溫計量測試站所標定的陶瓷型工業(yè)鉑電阻和銠鐵電阻溫度計，測量范圍分別是55.0～300.0K和1.2～300.0K，精度0.1K。由于溫度計引線細長，而且要通過溫度梯度很大的區(qū)域，因此引線電阻較大(甚至比測溫元件的阻值還大)且不穩(wěn)定。為了消除引線電阻的影響，電阻元件通常采用4根引線把供電電流的引線和測量電壓的引線分開[2,3]。采用四引線電位法測量電阻時，需要一個精度很高的恒流源，電流精度要求1mA。電流流過電阻的兩根引線，通過測量另外兩根引線的電壓，計算得到電阻值。這種方式需要將所有測量點的溫度計串聯(lián)到一起。如果測溫點較多，其中一只溫度計損壞將導致整個電流回路斷路，其他溫度計將不能正常測量。文獻[4,5]提出了3種國際通用的低溫溫度采集方案，并對3種方案的優(yōu)缺點進行了綜合分析。筆者考慮到低溫系統(tǒng)的特點、市場可獲得的低溫監(jiān)測產(chǎn)品、低溫設備的造價及工程預算等諸多因素，提出了一種新的低溫溫度采集方案。該方案采用Keithley數(shù)字電壓表3706A作為監(jiān)測儀表，插有通信卡的工控機作為操作員站，實現(xiàn)低溫溫度的采集，滿足精確度、實時性和可靠性的要求。而且不需要添加恒流源、各種轉換模塊、變送器和數(shù)顯儀表，減少了設備故障率，提高了安全性。

1.2系統(tǒng)總體方案

低溫與真空度測量系統(tǒng)原理如圖1所示。溫度計安裝在真空環(huán)境中，通過真空插頭連接到數(shù)字電壓表的接線端，編寫LabVIEW程序驅動數(shù)字電壓表，測量電阻值。真空度信號通過ZDF-11A1復合真空計測量，以串口通信方式上傳到控制系統(tǒng)。

圖1 低溫與真空度測量系統(tǒng)原理

2 硬件配置

低溫精餾試驗裝置的低溫真空環(huán)境由制冷機和真空機組提供。數(shù)字電壓表和復合真空計采集電阻和真空度信號，上傳到工控機。應用LabVIEW軟件實現(xiàn)對測量參數(shù)的采集和分析。系統(tǒng)硬件包括工控機、數(shù)字電壓表3706A、插入式模塊3720、通信卡PCI1622及GPIB卡PCI1671等。3706A是7位半數(shù)字萬用表，具有26位分辨率，遠程接口包括GPIB、USB和以太網(wǎng)，內(nèi)置13個測試功能，主機包括6個插槽，每個插槽可插入一塊3720模塊。每個3720模塊包括60路差分測量輸入，也可組合成30路四線測量。ZDF-11A1復合真空計采用電阻規(guī)管和電離規(guī)管結合的方式實現(xiàn)從常壓到高真空度的測量，通過通信接口RS485傳輸數(shù)據(jù)。溫度計的安裝方法可以參考文獻[6]。溫度計的4根引線兩根一組，每組內(nèi)兩根導線不能從同一端引出，將兩個引線接到3720模塊某一通道的高低輸入端。LabVIEW編寫測量程序驅動數(shù)字電壓表在四線制模式下工作。

3 軟件部分

LabVIEW是一種工業(yè)標準直觀圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)[7]。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件與計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，形成用戶自定義的解決方案[8]。一個LabVIEW程序主要由前面板和程序框圖組成，前面板是VI的交互式界面，用于物理量的模擬、數(shù)據(jù)圖形顯示等；程序框圖則是采用圖形化語言對前面板上各個控件進行連接，實現(xiàn)相應的控制[9]。低溫與真空度測量系統(tǒng)以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺，實現(xiàn)對低溫精餾試驗裝置工藝參數(shù)的運行監(jiān)測、分析及存儲等。數(shù)字電壓表3706A與LabVIEW之間的驅動程序是編寫軟件的難點，也是整個程序的核心。

3.1低溫溫度采集程序

工控機與數(shù)字電壓表通過GPIB通信卡進行數(shù)據(jù)傳輸，將程序命令寫入數(shù)字電壓表，同時將采集的數(shù)據(jù)上傳到工控機。通信的主要步驟如下：

a. GPIB初始化。默認設置即可。

b. GPIB寫入。設置物理地址、數(shù)字電壓表的工作模式(測量直流電壓電流、交流電壓電流、兩線制電阻及四線制電阻等模式)和測量點物理地址，并將這些語句轉化成字符串語句寫入數(shù)字電壓表中。

c. GPIB讀取。將通道地址和讀取數(shù)據(jù)命令字符串語句寫入GPIB，然后設置接收字節(jié)總數(shù)，最后讀取該地址的數(shù)據(jù)。

測量低溫溫度時，用數(shù)字電壓表讀取的數(shù)據(jù)并不是當前溫度值，而是此溫度下對應的電阻值。因此，需要根據(jù)每個溫度計不同的分度表，用查表的方法找出該電阻值對應的溫度值。據(jù)此，利用LabVIEW編寫的驅動數(shù)字電壓表在四線制模式下工作的部分程序如圖2所示。

圖2 部分數(shù)字電壓表的驅動程序

真空機組與制冷機開啟后，工藝裝置上各測量點的溫度變化情況如圖3所示。可以看出，隨著制冷時間的增長，安裝在試驗裝置上的測量點逐漸開始降溫，二十四小時后所有測量點的溫度均達到設計要求。

3.2真空度采集程序

ZDF-11A1系列復合真空計由低真空度測量單元和高真空度測量單元組成，完成1×10-5～1×105Pa的連續(xù)測量與控制，并通過RS485接口與上位機通信。LabVIEW編寫驅動程序的主要步驟如下：

a. VISA配置串口。主要包括地址、波特率、數(shù)據(jù)比特及奇偶性等的配置。

b. VISA寫入。寫入讀取數(shù)據(jù)所用的語句，本儀器為#30。

圖3 溫度曲線

c. VISA讀取。將讀取的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)格式進行分析，得到真空度值。

部分真空度采集程序如圖4所示。

圖4 部分真空度采集程序

4 結束語

筆者設計的低溫精餾試驗裝置低溫與真空度測量系統(tǒng)以工控機為主導，結合LabVIEW軟件，將來自現(xiàn)場設備所有的信息數(shù)據(jù)采集匯總，提供給監(jiān)控人員，并在工控機上實現(xiàn)顯示、存儲及報警等功能。數(shù)據(jù)報告以文本文件的形式存儲到工控機，便于以后對數(shù)據(jù)進行操作。通過幾個月的穩(wěn)定運行，基于LabVIEW的低溫與真空度測量系統(tǒng)滿足工藝要求，可以很好地完成低溫溫度和真空度的實時測量。系統(tǒng)具有友好的用戶界面，編程語句易于理解，數(shù)據(jù)采集精度高、靈敏度高、通用性強、抗干擾能力強，數(shù)據(jù)存儲與分析簡便。系統(tǒng)具有良好的可移植性，在低溫工程試驗中具有巨大的應用價值。

[1] 鄭永軍,鄧博,李赫.分數(shù)階PID控制器在LabVIEW中的實現(xiàn)[J].化工自動化及儀表,2013,40(12):1502～1505.

[2] 閻守勝,陸果.低溫物理實驗的原理與方法[M].北京:科學出版社,1985.

[4] 王釗,陳煥新,謝軍龍,等.低溫溫度測量與控制系統(tǒng)研究[J].低溫工程,2010,(6):16～18.

[5] 吳俊勇,閆振靖,魏躍平.基于LabView的多通道低溫試驗測試系統(tǒng)[J].自動化技術與應用,2011,30(2):73～77.

[6] 陳飛云,龍風,劉方,等.CERNOX CX-SD低溫溫度計使用方法[J].低溫物理學報,2011,33(4):301～304.

[7] 陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2007.

[8] 劉君華,郭會軍.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[9] 陳玲,孫冬梅,朱靳.基于LabVIEW的風電場數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2012,39(6):777～780.

DesignofLowTemperatureandVacuumMeasurementSystemBasedonLabVIEW

LI Le-bin, ZHAO Zhi, SUN Er-yan,LV Wei-xing, WU Quan-feng, HU Shi-lin

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

Considering the low-temperature fractionation testing device’s requirements for temperature measurement and control, a LabVIEW-based low temperature and vacuum measuring system was proposed and the system configuration, hardware structure and some software programs were presented. Application results show that this system has friendly user interface and simple operation as the design requested.

low-temperature fractionation testing, low temperature, vacuum, LabVIEW

TH862

B

1000-3932(2016)11-1166-04

2016-04-20(修改稿)