摘 要 针对低温精馏试验装置对温度和真空度的测量控制要求，设计了一种基于LabVIEW的低温与真空度测量系统。给出系统的总体方案、硬件配置和部分软件程序。运行结果表明：系统用户界面友好且操作简单，满足设计要求。
关键词 低温精馏试验 低温温度 真空度 LabVIEW
低温与真空系统是低温精馏试验的重要组成部分，它们为试验提供所需的低温真空环境。低温系统是通过连接制冷机建立低温试验环境的，既要求试样与冷源充分接触传热降温，又要求减少热源通过对流、导热及辐射等途径给试样传递热量。真空系统由真空罩、机械泵、分子泵、真空阀门及连接管道等组成。低温温度作为制冷机工作的主要性能参数，代表制冷机的工作状态，同时显示试验装置的运行效果，而且整个低温精馏试验装置必须保证在一定真空度环境中运行，因此对低温和真空度的准确实时测量极为重要。然而现有的测量方法多利用测量仪器自带的数据采集系统对温度和真空度单独进行测量和记录。如果低温采集数据量大，则试验成本将会很高。LabVIEW是目前应用最广的数据采集、分析和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、分析及显示等领域[1]。结合低温精馏试验装置对测量系统的要求和试验装置的特点，笔者开发了一套基于LabVIEW的低温与真空度测量系统，实现多仪器、多数据的一体化测量，以期应用于各制冷和低温测量系统中。
1 系统方案
1.1 低温温度采集方案
从测量范围、精度、功耗及成本等综合因素考虑，低温精馏试验的温度仪表采用中国科学院低温计量测试站所标定的陶瓷型工业铂电阻和铑铁电阻温度计，测量范围分别是55.0～300.0K和1.2～300.0K，精度0.1K。由于温度计引线细长，而且要通过温度梯度很大的区域，因此引线电阻较大(甚至比测温元件的阻值还大)且不稳定。为了消除引线电阻的影响，电阻元件通常采用4根引线把供电电流的引线和测量电压的引线分开[2,3]。采用四引线电位法测量电阻时，需要一个精度很高的恒流源，电流精度要求1mA。电流流过电阻的两根引线，通过测量另外两根引线的电压，计算得到电阻值。这种方式需要将所有测量点的温度计串联到一起。如果测温点较多，其中一只温度计损坏将导致整个电流回路断路，其他温度计将不能正常测量。文献[4,5]提出了3种国际通用的低温温度采集方案，并对3种方案的优缺点进行了综合分析。笔者考虑到低温系统的特点、市场可获得的低温监测产品、低温设备的造价及工程预算等诸多因素，提出了一种新的低温温度采集方案。该方案采用Keithley数字电压表3706A作为监测仪表，插有通信卡的工控机作为操作员站，实现低温温度的采集，满足精确度、实时性和可靠性的要求。而且不需要添加恒流源、各种转换模块、变送器和数显仪表，减少了设备故障率，提高了安全性。
1.2 系统总体方案
低温与真空度测量系统原理如图1所示。温度计安装在真空环境中，通过真空插头连接到数字电压表的接线端，编写LabVIEW程序驱动数字电压表，测量电阻值。真空度信号通过ZDF-11A1复合真空计测量，以串口通信方式上传到控制系统。
图1 低温与真空度测量系统原理
2 硬件配置
低温精馏试验装置的低温真空环境由制冷机和真空机组提供。数字电压表和复合真空计采集电阻和真空度信号，上传到工控机。应用LabVIEW软件实现对测量参数的采集和分析。系统硬件包括工控机、数字电压表3706A、插入式模块3720、通信卡PCI1622及GPIB卡PCI1671等。3706A是7位半数字万用表，具有26位分辨率，远程接口包括GPIB、USB和以太网，内置13个测试功能，主机包括6个插槽，每个插槽可插入一块3720模块。每个3720模块包括60路差分测量输入，也可组合成30路四线测量。ZDF-11A1复合真空计采用电阻规管和电离规管结合的方式实现从常压到高真空度的测量，通过通信接口RS485传输数据。温度计的安装方法可以参考文献[6]。温度计的4根引线两根一组，每组内两根导线不能从同一端引出，将两个引线接到3720模块某一通道的高低输入端。LabVIEW编写测量程序驱动数字电压表在四线制模式下工作。
3 软件部分
LabVIEW是一种工业标准直观图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统[7]。它将软件和各种不同的测量仪器硬件与计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，形成用户自定义的解决方案[8]。一个LabVIEW程序主要由前面板和程序框图组成，前面板是VI的交互式界面，用于物理量的模拟、数据图形显示等；程序框图则是采用图形化语言对前面板上各个控件进行连接，实现相应的控制[9]。低温与真空度测量系统以LabVIEW软件为开发平台，实现对低温精馏试验装置工艺参数的运行监测、分析及存储等。数字电压表3706A与LabVIEW之间的驱动程序是编写软件的难点，也是整个程序的核心。
3.1 低温温度采集程序
工控机与数字电压表通过GPIB通信卡进行数据传输，将程序命令写入数字电压表，同时将采集的数据上传到工控机。通信的主要步骤如下：
a. GPIB初始化。默认设置即可。
b. GPIB写入。设置物理地址、数字电压表的工作模式(测量直流电压电流、交流电压电流、两线制电阻及四线制电阻等模式)和测量点物理地址，并将这些语句转化成字符串语句写入数字电压表中。
c. GPIB读取。将通道地址和读取数据命令字符串语句写入GPIB，然后设置接收字节总数，最后读取该地址的数据。
测量低温温度时，用数字电压表读取的数据并不是当前温度值，而是此温度下对应的电阻值。因此，需要根据每个温度计不同的分度表，用查表的方法找出该电阻值对应的温度值。据此，利用LabVIEW编写的驱动数字电压表在四线制模式下工作的部分程序如图2所示。
图2 部分数字电压表的驱动程序
真空机组与制冷机开启后，工艺装置上各测量点的温度变化情况如图3所示。可以看出，随着制冷时间的增长，安装在试验装置上的测量点逐渐开始降温，二十四小时后所有测量点的温度均达到设计要求。
3.2 真空度采集程序
ZDF-11A1系列复合真空计由低真空度测量单元和高真空度测量单元组成，完成1×10-5～1×105Pa的连续测量与控制，并通过RS485接口与上位机通信。LabVIEW编写驱动程序的主要步骤如下：
a. VISA配置串口。主要包括地址、波特率、数据比特及奇偶性等的配置。
b. VISA写入。写入读取数据所用的语句，本仪器为#30。
图3 温度曲线
c. VISA读取。将读取的数据按照数据格式进行分析，得到真空度值。
部分真空度采集程序如图4所示。
图4 部分真空度采集程序
4 结束语
笔者设计的低温精馏试验装置低温与真空度测量系统以工控机为主导，结合LabVIEW软件，将来自现场设备所有的信息数据采集汇总，提供给监控人员，并在工控机上实现显示、存储及报警等功能。数据报告以文本文件的形式存储到工控机，便于以后对数据进行操作。通过几个月的稳定运行，基于LabVIEW的低温与真空度测量系统满足工艺要求，可以很好地完成低温温度和真空度的实时测量。系统具有友好的用户界面，编程语句易于理解，数据采集精度高、灵敏度高、通用性强、抗干扰能力强，数据存储与分析简便。系统具有良好的可移植性，在低温工程试验中具有巨大的应用价值。
