基于LabVIEW的吸油材料性能測試系統(tǒng)設(shè)計

天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院 徐建偉 王曉麗

引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油資源在人類生活中的作用越來越重要，但是在石油的開采及運輸過程中，溢油事故的發(fā)生不僅污染海洋生態(tài)環(huán)境，而且也間接危害到人類的身體健康。使用吸附材料作為處理溢油的一種有效方法已受到學(xué)者廣泛研究，其中對吸附材料吸油性能的測試更是關(guān)鍵部分。

吸附材料性能測定的實驗過程中，目前仍然是手工測量，往往導(dǎo)致實驗精度下降，而且實驗設(shè)計中未能將環(huán)境因素變化過程充分考慮在內(nèi)，吸油材料吸油性能未能準(zhǔn)確測量。針對以上缺點，設(shè)計一種基于LabVIEW的吸油材料性能測試系統(tǒng)，能夠模擬不同的實驗環(huán)境，且實驗過程自動，從而降低了吸油材料性能測試的誤差。

一、系統(tǒng)測試原理與總體設(shè)計

根據(jù)ASTMF726-12測試吸油材料在純油系統(tǒng)中的吸油量。在500mL燒杯中加入200mL原油，稱取2g改性吸油材料浸泡于油品中，浸泡15min和24h后撈出，懸滴30±5s，稱重。實驗數(shù)據(jù)在相同條件下重復(fù)3次，取平均值作為計算結(jié)果。吸油倍率的計算公式為(mx-m2)/(m2-m1)。

系統(tǒng)主要包括下位機部分和上位機部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。下位機系統(tǒng)由傳感器監(jiān)測模塊、吸油材料質(zhì)量稱重模塊等部分組成。上位機系統(tǒng)分為顯示程序模塊、步進電機控制模塊和自動稱量模塊。傳感器監(jiān)測模塊又分為溫度傳感器模塊、電導(dǎo)率傳感器模塊、PH值傳感器模塊和稱重傳感器模塊。它們的功能是準(zhǔn)確無誤地檢測實驗水槽內(nèi)的環(huán)境參數(shù):溫度、電導(dǎo)率、PH值，然后USB數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給工業(yè)PC機，通過PC機上LabVIEW編寫的上位機程序?qū)?shù)據(jù)進行實時顯示并且記錄。自動稱量模塊功能是步進電機通過絲杠控制吸附材料吸油的過程，其中稱重傳感器的變化代表了吸油質(zhì)量的變化。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)吸油性能測試實驗要求，實驗水槽環(huán)境因子的監(jiān)測分為溫度、PH、電導(dǎo)率的采集處理，此外吸油材料性能測試目的是測量吸油質(zhì)量變化倍率，故選用溫度、PH、電導(dǎo)率、稱重傳感器。具體過程為數(shù)據(jù)采集模塊通過設(shè)備驅(qū)動程序接口完成對DAQ數(shù)據(jù)采集卡的初始化工作，包括創(chuàng)建和管理設(shè)備對象，以及采集卡的工作、通道數(shù)、采樣頻率，每次采樣點數(shù)等參數(shù)的設(shè)定等。

（二）步進電機控制模塊

本系統(tǒng)控制模塊主要為步進電機控制模塊。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的機電元件。步進電機轉(zhuǎn)速和停止位置取決于脈沖數(shù)和脈沖信號頻率，即給步進電機一個脈沖信號，它轉(zhuǎn)一個步距角，兩個脈沖間隔越短，電機轉(zhuǎn)速則越快。在本測試系統(tǒng)中通過脈沖驅(qū)動模塊DAQmx產(chǎn)生的脈沖來控制步進電機驅(qū)動器進而控制步進電機實現(xiàn)自動稱重。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本測試系統(tǒng)上位機程序是通過LabVIEW2016進行開發(fā)，其主要功能是利用I/O接口與數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。

圖2 環(huán)境因子顯示模塊

（一）LabVIEW前面板設(shè)計

LabVIEW提供了很多類似于指示燈、示波器、開關(guān)閥門等實體儀器的控件，可用來創(chuàng)建用戶界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。本系統(tǒng)前面板共分為環(huán)境因子顯示模塊（圖2）、步進電機控制模塊（圖3）以及吸油材料質(zhì)量變化計算模塊（圖4）。其中環(huán)境因子顯示模塊又由溫度、電導(dǎo)率、PH值監(jiān)測部分組成，通過環(huán)境因子顯示模塊，可以及時準(zhǔn)確地顯示實驗水槽的溫度、電導(dǎo)率、PH值各項參數(shù)指標(biāo)，進而為分析不同狀況下的吸油材料的吸油性能做準(zhǔn)備。步進電機控制模塊主要功能是通過步距角度與方向來控制步進電機驅(qū)動器進而控制步進電機轉(zhuǎn)速，然后帶動絲杠上下平移，實現(xiàn)載有吸油材料不銹鋼網(wǎng)自由進入水槽實現(xiàn)自動測試吸油性能。吸油材料質(zhì)量變化計算模塊是通過點擊不同時段的吸油材料質(zhì)量按鈕，實時記錄質(zhì)量，進而計算吸油倍率的一個功能。

圖3 步進電機控制模塊

圖4 吸油材料質(zhì)量變化計算模塊

（二）LabVIEW程序框圖設(shè)計

LabVIEW主程序框架為3個while循環(huán)，第一個while循環(huán)中包括11個觸發(fā)條件，分別為步進電機的啟動、向上、向下，停止，自動稱量的計時、暫停、記錄M1/M2/MX/吸油倍率，如圖5。第二個while循環(huán)功能是實現(xiàn)步進電機的控制，如圖6。第三個while循環(huán)功能是通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡采集溫度、電導(dǎo)率、PH值，質(zhì)量的過程，如圖7。

圖5 主程序框圖

（三）數(shù)據(jù)儲存

為了保證實驗水槽環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，數(shù)據(jù)存儲模塊在數(shù)據(jù)采集開始后自動進行存儲。數(shù)據(jù)存儲模塊通過使用LabVIEW編程定時目錄下的獲取日期/時間字符串控件，可以按設(shè)置的格式獲取系統(tǒng)時間，然后以獲取的日期時間命名(*.xlsx)文件并創(chuàng)建相對路徑，用LabVIEW自帶的路徑檢查控件檢查指定目錄下相對路徑是否存在，并用返回值(T/F)作為數(shù)據(jù)存儲寫入條件判斷框的判斷條件。當(dāng)返回值為F時，即路徑中不存在該文件，此時自動創(chuàng)建以日期時間命名的表格文件并在表格第一行添加數(shù)據(jù)標(biāo)題，隨后寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)返回值為T時，即路徑中存在該文件，此時打開已經(jīng)存在的表格文件在原有數(shù)據(jù)后面寫入新的數(shù)據(jù)。

圖6 步進電機控制框圖

圖7 傳感器數(shù)據(jù)采集框圖

四、結(jié)束語

本文利用數(shù)據(jù)采集卡對實驗水槽環(huán)境因子進行實時采集，并通過LabVIEW進行上位機的編程控制，并計算吸油材料的吸油倍率。利用LabVIEW的特點，對以往的手工測試吸油材料系統(tǒng)進行改進，從而實現(xiàn)了溫度，電導(dǎo)率、PH數(shù)據(jù)波形顯示以及吸油倍率自動計算的功能。有著良好的人機交互性，并具有操作簡單，可視性好的特點。

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