多孔材料检测系统的设计与实现

2014-07-24张小红鲍志强高晓丁

西安工程大学学报 2014年3期

张小红，鲍志强，马柯，高晓丁

（1.广东职业技术学院机电工程系，广东佛山528041；2.西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048）

多孔材料是20世纪发展起来的崭新材料体系，在大分子催化、吸附与分离、纳米材料组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用价值.多孔材料性能的检测对多孔材料的应用以及研究具有十分重要的指导与参考意义.许佩敏等［1］研究了多孔材料的孔的结构特征及常用的检测仪器；朱黎冉等［2］研究了气泡法检测多孔材料孔径的原理与数据处理方法；高庚［3］研究多孔材料的透水性.目前国内的检测主要以西北有色金属研究院自制的简易手动装置为主，误差较大，达不到多孔材料性能检测的技术要求.国际上也仅有美国、德国等少数几个国家生产多孔材料性能检测系统.由于对被测试材料的限制过多，可靠性差，价格高以及标准的差异，国内很少使用.基于此，本文依据气体动呼学原理实现硬件部分设计，通过RS232串行品接收采集数据，并利用X3协同管理系统中的建模工具，实现对数据的处理，从而得到各项多孔材料的检测数据.实现多孔材料各项性能指标参数的自动化.

1 硬件设计

气泡法［4］也称为气体置换法，在一定流量的流体通过被测多孔材料试样时，在多孔材料的两端产生一定的压差，获得压差和流量值后，通过相应的数学模型的计算得到金属多孔材料的具体参数和孔径分布图形.该方法精确、简单、易行.在普通气泡法测量中，由于大孔对流量的影响比较大，致使小孔的测量精度不高，甚至有一部分小孔被忽略.为避免该问题，有些学者提出用中流量孔径表示多孔材料的特性.先用干样品测量出压差－流量曲线，然后用预先在已知表面张力液体中浸润过的湿样品测量出压差／流量曲线，找出湿样品流量恰好等于干样品流量1／2时的压差值.在此压差下求出的孔径称为中流量孔径.这种方法比普通气泡法更为接近多孔材料的实际性能.

检测系统硬件部分主要依据气体动力学原理，利用高精度气体流量计、气室缓冲稳压及传感器连接方式等对层流管路损耗及微量气流P（压力值）、Q（流量值）的变化进行精确采控，并通过单片机对包括电源控制、压力计控制及计算机通讯控制等方式来实现.测试平台主要部件及其指标要求见表1.

表1 测试平台主要部件及其指标要求

图1 金属多孔材料性能测试平台设计原理图

系统框图如图1所示，系统中上位机负责接收、分析处理接收的采集数据，上位机通过串行接口对各智能仪表进行轮回周期性的扫描.当有一档数据符合设定的参数条件时，即将此档数据读入计算机，产生有关试件特性的曲线图案、报表和一系列反应金属多孔材料重要性能的指标.下位检测仪器负责对试件加载一定压力和流量的空气.工作时，气源里的压缩气体经过过滤器过滤后，加压后的空气流过操作者设定的测量通道，通过试件两侧时，由于多孔材料的阻碍性，在多孔材料试件两侧形成一定的压力差.多孔材料试件两侧的压差值也会随之改变，同时，上位计算机读取流量计和差压变送器两端的压差值，绘制多孔材料试件的“压力／流量差”曲线，并据此计算多孔试件的其他工艺参数，给多孔材料试件一个确定的技术指标.

为了保证系统具有很宽的测量范围，并保证一定的测量精度，下位检查仪器将流量测量范围分成一档（0.002 5～0.045m3／h），二档（0.045～0.45m3／h），三档（0.45～2.5m3／h）3个档位，而压力测量选用高精度的扩散硅压力变送器，压差范围为0.0～400kPa以上，可以满足系统设定的精度要求.

金属多孔材料测试平台电气连接设计原理图如图2所示.进行测试时，操作者根据对多孔材料的流量值的预估，可选择3个流量计中的一个，差压变送器会从小量程开始测量，PLC控制电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3的开关，并根据所测得的数据反馈给PLC控制单元，调整电磁阀的开关.如果测量范围超过小量程差压变送器或小、中流量计测试的测试范围，PLC会关闭小量程压力变送器和小、中流量计，测量仪器读取大量程的压差值和中、大流量计的流量，作为当前的测量值.

2 软件设计

多孔材料性能检测系统上位机软件部分通过RS232串行口接收从硬件检测仪器中采集到的干式、湿式数据，系统根据这些采集到的数据进行相关性能指标的计算、绘图或者生成检测报告.其完整的业务流程如图3所示.

该检测系统共划分为6个功能模块，即试样参数、数据采集、干湿曲线、直方图、分布曲线、测试报告.试样参数负责多孔材料测试试件的基本属性的录入与保存，如试件编号、名称、形状、外径、厚度、高度、面积等基本参数，数据采集模块通过计算机的串行口采集和传输数据到计算机，以备计算机做分析处理；干湿曲线装置可以通入空气和水两种介质.在通入空气时，将试件浸入在水中，观察压差和流量的变化.当空气慢慢通入，压差和流量处于均匀有序的变化时，上位机开始采集数据，将测试数据通过数据处理方法在坐标系中表示出来，便是干式曲线；当通入水的时候，采用相似的操作方法，即得到试件的湿式曲线；直方图模块用直方图的形式展现出试件的孔径，能清楚明了地显示孔径所处的区间段，以及各区间段孔径体积占总体积的百分比；孔径的分布曲线是孔径图形化的另一种表现方式，也能直观明了地观察出孔径的分布情况，从中可以直观地看出孔径分布的高峰和低谷区间；报告模块具有显示和打印功能.所有的技术参数和图形都能按照规定的文档格式打印出来.其数据处理流程图如图4所示.

图2 金属多孔材料测试平台电气连接设计原理图

软件系统设计部分，采用X3协同管理系统进行开发，其开发过程中主要用到的是X3协同管理系统中的业务建模工具.

3 数据库设计

检测系统对采集到的数据进行模数转换、过滤、加工、计算及存储，因此需要设计数据库存储相关基础数据、临时数据以及测试结果.

系统数据库中的用户表有：总表、数据采集表、直方图、计算表.总表负责保存被测样品的各种基本信息，包括试样ID、试样编号、生产批次号、检验日期备注等，还有经运算得出的各种技术指标参数，如最大孔径、中流量孔径、透气度等.数据采集表负责保存从硬件检测设备采集到的压力、流量、压力计、流量计等数据.直方图负责存储经计算后，样品在检测人员给定区间内的孔径所占的体积百分比及区间值.计算表负责存储该样品在干湿曲线的数据计算模块中，根据每个测得的干湿压力、流量，计算出直径和体积百分比等数据.