多孔材料檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張小紅，鮑志強(qiáng)，馬 柯，高曉丁

（1.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 佛山528041；2.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710048）

多孔材料是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的嶄新材料體系，在大分子催化、吸附與分離、納米材料組裝及生物化學(xué)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.多孔材料性能的檢測(cè)對(duì)多孔材料的應(yīng)用以及研究具有十分重要的指導(dǎo)與參考意義.許佩敏等［1］研究了多孔材料的孔的結(jié)構(gòu)特征及常用的檢測(cè)儀器；朱黎冉等［2］研究了氣泡法檢測(cè)多孔材料孔徑的原理與數(shù)據(jù)處理方法；高庚［3］研究多孔材料的透水性.目前國(guó)內(nèi)的檢測(cè)主要以西北有色金屬研究院自制的簡(jiǎn)易手動(dòng)裝置為主，誤差較大，達(dá)不到多孔材料性能檢測(cè)的技術(shù)要求.國(guó)際上也僅有美國(guó)、德國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家生產(chǎn)多孔材料性能檢測(cè)系統(tǒng).由于對(duì)被測(cè)試材料的限制過(guò)多，可靠性差，價(jià)格高以及標(biāo)準(zhǔn)的差異，國(guó)內(nèi)很少使用.基于此，本文依據(jù)氣體動(dòng)呼學(xué)原理實(shí)現(xiàn)硬件部分設(shè)計(jì)，通過(guò)RS232串行品接收采集數(shù)據(jù)，并利用X3協(xié)同管理系統(tǒng)中的建模工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，從而得到各項(xiàng)多孔材料的檢測(cè)數(shù)據(jù).實(shí)現(xiàn)多孔材料各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)的自動(dòng)化.

1 硬件設(shè)計(jì)

氣泡法［4］也稱為氣體置換法，在一定流量的流體通過(guò)被測(cè)多孔材料試樣時(shí)，在多孔材料的兩端產(chǎn)生一定的壓差，獲得壓差和流量值后，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型的計(jì)算得到金屬多孔材料的具體參數(shù)和孔徑分布圖形.該方法精確、簡(jiǎn)單、易行.在普通氣泡法測(cè)量中，由于大孔對(duì)流量的影響比較大，致使小孔的測(cè)量精度不高，甚至有一部分小孔被忽略.為避免該問(wèn)題，有些學(xué)者提出用中流量孔徑表示多孔材料的特性.先用干樣品測(cè)量出壓差－流量曲線，然后用預(yù)先在已知表面張力液體中浸潤(rùn)過(guò)的濕樣品測(cè)量出壓差／流量曲線，找出濕樣品流量恰好等于干樣品流量1／2時(shí)的壓差值.在此壓差下求出的孔徑稱為中流量孔徑.這種方法比普通氣泡法更為接近多孔材料的實(shí)際性能.

檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，利用高精度氣體流量計(jì)、氣室緩沖穩(wěn)壓及傳感器連接方式等對(duì)層流管路損耗及微量氣流P（壓力值）、Q（流量值）的變化進(jìn)行精確采控，并通過(guò)單片機(jī)對(duì)包括電源控制、壓力計(jì)控制及計(jì)算機(jī)通訊控制等方式來(lái)實(shí)現(xiàn).測(cè)試平臺(tái)主要部件及其指標(biāo)要求見(jiàn)表1.

表1 測(cè)試平臺(tái)主要部件及其指標(biāo)要求

圖1 金屬多孔材料性能測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)中上位機(jī)負(fù)責(zé)接收、分析處理接收的采集數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過(guò)串行接口對(duì)各智能儀表進(jìn)行輪回周期性的掃描.當(dāng)有一檔數(shù)據(jù)符合設(shè)定的參數(shù)條件時(shí)，即將此檔數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生有關(guān)試件特性的曲線圖案、報(bào)表和一系列反應(yīng)金屬多孔材料重要性能的指標(biāo).下位檢測(cè)儀器負(fù)責(zé)對(duì)試件加載一定壓力和流量的空氣.工作時(shí)，氣源里的壓縮氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾后，加壓后的空氣流過(guò)操作者設(shè)定的測(cè)量通道，通過(guò)試件兩側(cè)時(shí)，由于多孔材料的阻礙性，在多孔材料試件兩側(cè)形成一定的壓力差.多孔材料試件兩側(cè)的壓差值也會(huì)隨之改變，同時(shí)，上位計(jì)算機(jī)讀取流量計(jì)和差壓變送器兩端的壓差值，繪制多孔材料試件的“壓力／流量差”曲線，并據(jù)此計(jì)算多孔試件的其他工藝參數(shù)，給多孔材料試件一個(gè)確定的技術(shù)指標(biāo).

為了保證系統(tǒng)具有很寬的測(cè)量范圍，并保證一定的測(cè)量精度，下位檢查儀器將流量測(cè)量范圍分成一檔（0.002 5～0.045m3／h），二檔（0.045～0.45m3／h），三檔（0.45～2.5m3／h）3個(gè)檔位，而壓力測(cè)量選用高精度的擴(kuò)散硅壓力變送器，壓差范圍為0.0～400kPa以上，可以滿足系統(tǒng)設(shè)定的精度要求.

金屬多孔材料測(cè)試平臺(tái)電氣連接設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示.進(jìn)行測(cè)試時(shí)，操作者根據(jù)對(duì)多孔材料的流量值的預(yù)估，可選擇3個(gè)流量計(jì)中的一個(gè)，差壓變送器會(huì)從小量程開(kāi)始測(cè)量，PLC控制電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3的開(kāi)關(guān)，并根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)反饋給PLC控制單元，調(diào)整電磁閥的開(kāi)關(guān).如果測(cè)量范圍超過(guò)小量程差壓變送器或小、中流量計(jì)測(cè)試的測(cè)試范圍，PLC會(huì)關(guān)閉小量程壓力變送器和小、中流量計(jì)，測(cè)量?jī)x器讀取大量程的壓差值和中、大流量計(jì)的流量，作為當(dāng)前的測(cè)量值.

2 軟件設(shè)計(jì)

多孔材料性能檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件部分通過(guò)RS232串行口接收從硬件檢測(cè)儀器中采集到的干式、濕式數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)這些采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)的計(jì)算、繪圖或者生成檢測(cè)報(bào)告.其完整的業(yè)務(wù)流程如圖3所示.

該檢測(cè)系統(tǒng)共劃分為6個(gè)功能模塊，即試樣參數(shù)、數(shù)據(jù)采集、干濕曲線、直方圖、分布曲線、測(cè)試報(bào)告.試樣參數(shù)負(fù)責(zé)多孔材料測(cè)試試件的基本屬性的錄入與保存，如試件編號(hào)、名稱、形狀、外徑、厚度、高度、面積等基本參數(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)計(jì)算機(jī)的串行口采集和傳輸數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，以備計(jì)算機(jī)做分析處理；干濕曲線裝置可以通入空氣和水兩種介質(zhì).在通入空氣時(shí)，將試件浸入在水中，觀察壓差和流量的變化.當(dāng)空氣慢慢通入，壓差和流量處于均勻有序的變化時(shí)，上位機(jī)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)處理方法在坐標(biāo)系中表示出來(lái)，便是干式曲線；當(dāng)通入水的時(shí)候，采用相似的操作方法，即得到試件的濕式曲線；直方圖模塊用直方圖的形式展現(xiàn)出試件的孔徑，能清楚明了地顯示孔徑所處的區(qū)間段，以及各區(qū)間段孔徑體積占總體積的百分比；孔徑的分布曲線是孔徑圖形化的另一種表現(xiàn)方式，也能直觀明了地觀察出孔徑的分布情況，從中可以直觀地看出孔徑分布的高峰和低谷區(qū)間；報(bào)告模塊具有顯示和打印功能.所有的技術(shù)參數(shù)和圖形都能按照規(guī)定的文檔格式打印出來(lái).其數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示.

圖2 金屬多孔材料測(cè)試平臺(tái)電氣連接設(shè)計(jì)原理圖

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，采用X3協(xié)同管理系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要用到的是X3協(xié)同管理系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)建模工具.

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、過(guò)濾、加工、計(jì)算及存儲(chǔ)，因此需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、臨時(shí)數(shù)據(jù)以及測(cè)試結(jié)果.

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的用戶表有：總表、數(shù)據(jù)采集表、直方圖、計(jì)算表.總表負(fù)責(zé)保存被測(cè)樣品的各種基本信息，包括試樣ID、試樣編號(hào)、生產(chǎn)批次號(hào)、檢驗(yàn)日期備注等，還有經(jīng)運(yùn)算得出的各種技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，如最大孔徑、中流量孔徑、透氣度等.數(shù)據(jù)采集表負(fù)責(zé)保存從硬件檢測(cè)設(shè)備采集到的壓力、流量、壓力計(jì)、流量計(jì)等數(shù)據(jù).直方圖負(fù)責(zé)存儲(chǔ)經(jīng)計(jì)算后，樣品在檢測(cè)人員給定區(qū)間內(nèi)的孔徑所占的體積百分比及區(qū)間值.計(jì)算表負(fù)責(zé)存儲(chǔ)該樣品在干濕曲線的數(shù)據(jù)計(jì)算模塊中，根據(jù)每個(gè)測(cè)得的干濕壓力、流量，計(jì)算出直徑和體積百分比等數(shù)據(jù).

4 檢測(cè)結(jié)果

用多孔材料檢測(cè)儀在室溫（12℃）下對(duì)由西北有色金屬研究院提供的鈦濾片進(jìn)行2次重復(fù)測(cè)量（樣件名稱：200－280；批次號(hào)：20120605），測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2～3.

兩次測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，最大孔徑的測(cè)量分別是34.33μm，53.57μm，但 大 部 分 孔 徑 的 分 布 分 別 在7.950 000～10.850 000μm，18.100 000～20.500 000μm之間，數(shù)值的變化在誤差允許范圍之內(nèi).綜上所述，多孔材料孔徑分布檢測(cè)儀的重復(fù)性很好，滿足測(cè)量精度要求.

圖3 業(yè)務(wù)流程圖

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分采用單片機(jī)控制，易懂易用，編程方便，可靠性高；軟件部分采用X3協(xié)同管理系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)建模工具.開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便快速，很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能和要求，而且該檢測(cè)系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地表征多孔材料的各項(xiàng)參數(shù)性能，對(duì)于多孔材料的研究應(yīng)用有著極大的促進(jìn)作用.

表2 儀器可靠性對(duì)比測(cè)試孔徑分布檢測(cè)報(bào)告1（檢測(cè)號(hào)：2012110213）

表3 儀器可靠性對(duì)比測(cè)試孔徑分布檢測(cè)報(bào)告2（檢測(cè)號(hào)：2012110214）

［1］許佩敏，張健，孫旭東，等.金屬多孔材料孔結(jié)構(gòu)表征技術(shù)［J］.材料熱處理技術(shù)，2009（6）：50－54.

［2］朱黎冉，魏蕓，李忠全.氣泡法測(cè)量多孔材料孔徑分布［J］.粉末冶金工業(yè)，2006，16（4）：26－30.

［3］高庚，高曉丁.基于LabVIEW 的多孔材料透水特性測(cè)試系統(tǒng)［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26（2）：210－213.

［4］梁永仁，張露，崔樹(shù)茂，等.多孔材料表征與性能測(cè)試［J］.材料導(dǎo)報(bào)網(wǎng)刊，2006（2）：56－59.

［5］劉培生.多孔材料孔徑及孔徑分布的測(cè)定方法［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2006（2）：29－34.

［6］李鄧化，彭書(shū)華，許曉飛.智能檢測(cè)技術(shù)及儀表［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：152－178.

［7］美國(guó)金屬學(xué)會(huì).金屬手冊(cè)（第七卷）：粉末冶金［M］.9版.韓風(fēng)麟，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：358－370.

［8］廖寄喬.粉末冶金實(shí)驗(yàn)技術(shù)［M］.湖南：中南大學(xué)出版社，2003：88.

［9］李國(guó)勇.智能控制及 MATLAB實(shí)現(xiàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：255－286.

［10］ALFRED V Aho，JOHN E Hopcroft，JEFFREY D Ullman.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法［M］.清華大學(xué)出版社，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2007：348－399.