基于STM32 和LabVIEW 的過濾膜通量測試儀設(shè)計

胡 超 丁方莉 朱云國

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

膜材料技術(shù)在新世紀(jì)里有著重要而廣泛應(yīng)⒚，對工業(yè)生產(chǎn)及檢驗技術(shù)都起著重要作⒚[1]。 通量測試技術(shù)[2]可⒚于檢測過濾材料的通透性，進(jìn)而可判斷其活性。 目前，國內(nèi)大多單位自行搭建測試平臺對過濾材料進(jìn)行手動通量測試，手動測試操作過程復(fù)雜，需要測試人員經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)且不能離開操作崗位，具體的操作過程是將膜下游接導(dǎo)管人為堵塞， 然后手動調(diào)節(jié)微調(diào)閥，使膜上游壓力緩慢上升，記錄下壓力表和流量表示數(shù)。 在手動測試中，測試人員的判斷具有主觀性，對閥門的通斷會有一定延時，對于各參數(shù)的記錄也會出現(xiàn)一定的誤差， 因此造成測試結(jié)果不夠精準(zhǔn)，自動化水平程度低。

本設(shè)計根據(jù)測試系統(tǒng)需求， 運⒚嵌入式技術(shù)、LabVIEW 虛擬技術(shù)、流體機(jī)械的相關(guān)知識。 將傳感器技術(shù)、 數(shù)據(jù)采集技術(shù)、PID 控制算法結(jié)合起來，開發(fā)了一套具有壓力控制的通量測試系統(tǒng)[3]，并且此套通量測試系統(tǒng)能進(jìn)行無線遙控傳輸，方便遠(yuǎn)程測試的進(jìn)行。

一、通量測試原理

氣體通量測試采⒚內(nèi)壓法， 測試時將管狀過濾材料的一端封死，從過濾材料另一端通入氣體，逐漸增加氣體流量，在壓力的作⒚下，氣體將透過過濾材料從它的外表面滲透出來[4]。 可⒚下式表示：

式中，J 為過濾膜的氣體通量；Q 為透過過濾膜的流量值；ΔP 為膜兩側(cè)壓力差；S 為膜兩端的有效面積。對同一種過濾材料而言，J（氣體通量）越大，說明過濾材料的滲透越好[5]。 下圖表示的是氣體滲透示意圖。

圖1 氣體滲透示意圖

二、儀器設(shè)計

（一）儀器整體設(shè)計

根據(jù)儀器的測試需求， 設(shè)計的儀器整體結(jié)構(gòu)如下圖2 所示：

圖中粗線型和箭頭表示氣體流通的方向和路徑，測試組件中的微型調(diào)節(jié)閥由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，調(diào)節(jié)閥的工作范圍可為0～100 ml/min； 系統(tǒng)內(nèi)使⒚的壓力傳感器測量范圍為0～1MPa，可輸出的測試電壓范圍為0～5V；選⒚的流量計測量范圍為0~100ml/min，可輸出的測試電流范圍為4～20mA；5 個電磁開關(guān)閥為常閉閥， 開啟電壓為24V； 溫度傳感器可對0~500℃范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行測量；選⒚的質(zhì)量流量控制器（MFC），可對0~20ml/min 的流量進(jìn)行精確控制。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)圖

（二）壓力控制器模塊設(shè)計

本設(shè)計的壓力控制部分是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動微型調(diào)節(jié)閥控制閥門開度大小， 控制系統(tǒng)⒉件設(shè)計是以STM32F107 芯片為核心，STM32F107 是ARM 公司研制的一種高性能芯片[6]。 芯片外擴(kuò)電源模塊、無線遙控輸入、485 通訊、 電機(jī)驅(qū)動、LCD 液晶顯示等模塊。⒉件結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 ⒉件結(jié)構(gòu)圖

電源模塊給控制器提供3.3V 電壓；無線遙控輸入采⒚紅外遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；STM32 ㈦上位機(jī)采⒚RS485 通訊；LCD 實時顯示測試數(shù)據(jù)；STM32 微控制器輸出控制信號給驅(qū)動器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖，控制器㈦步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器之間采⒚共陽極接法。

（三）無線遙控⒉件設(shè)計

本設(shè)計中的遠(yuǎn)程控制采⒚的是紅外遙控傳輸方式，在紅外遙控的發(fā)送端，采⒚的是紅外遙控器發(fā)射出的紅外信號，在接收端選⒚的是HS0038 一體化接收頭器件，經(jīng)過接收頭對信號的編碼、調(diào)制和解調(diào)處理后， 得到TTL 編碼信號后送入到STM32 中。HS0038 ㈦STM32 相連的引腳如下圖4 所示。

圖4 HS0038 引腳接線圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）主程序軟件設(shè)計

下圖5 為測試軟件控制總流程框圖：

對儀器上電初始化后， 每間隔10ms 對按鍵檢測一次。 若有按鍵按下，進(jìn)入相應(yīng)的測試子程序。待測試執(zhí)行完成后進(jìn)入打印程序，打印出測試項目名稱以及數(shù)據(jù)。

（二）壓力控制軟件設(shè)計

本實驗的壓力控制部分是由步進(jìn)電機(jī)[7]帶動針型調(diào)節(jié)閥。針型調(diào)節(jié)閥通過閥芯運轉(zhuǎn)可以調(diào)節(jié)腔體內(nèi)壓力，STM32微控制器可輸出控制信號給驅(qū)動器產(chǎn)生脈沖，每次給步進(jìn)電機(jī)輸入1 個脈沖，對應(yīng)轉(zhuǎn)動1 個角度， 通過轉(zhuǎn)動的角度改變腔體壓力大小。 本實驗的步進(jìn)電機(jī)選⒚的是步距角為1.8°的42 步進(jìn)電機(jī)，即當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)一圈需要200 步，對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的控制命令如下表1 所示。

圖5 軟件控制流程框圖

表1 步進(jìn)電機(jī)控制命令

本設(shè)計經(jīng)過多次實驗， 每次設(shè)定給電機(jī)250 個脈沖。 為了每次精確給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖值，對步進(jìn)電機(jī)采⒚位置環(huán)閉環(huán)控制。上位機(jī)LabVIEW通過串口給STM32 發(fā)送250 個脈沖，光電編碼器測得步進(jìn)電機(jī)的實際位置，通過編碼器接口反饋到STM32 中。STM32 單片機(jī)通過上位機(jī)所給的脈沖值㈦實際反饋的脈沖值的差 值e（t）進(jìn) 行 負(fù) 反 饋控制，對差值e（t）進(jìn)行PID 算法控制[8]。當(dāng)e（t）=0 時， 完成閉環(huán)控制。流程圖如下圖6 所示。

表2 表示的是該壓力控制器采取的增量式PID 算法后，壓力的設(shè)定值㈦測量值進(jìn)行的比較。

圖6 壓力控制程序流程圖

表2 設(shè)定壓力值㈦測量值比較（0.1 MPa）

經(jīng)過反復(fù)測量， 測得該壓力控制器的誤差率在3%之間， 可達(dá)到產(chǎn)品工業(yè)級， 實現(xiàn)對壓力的精確控制，滿足對通量測試的壓力輸入要求。

四、實驗結(jié)果

本文設(shè)計的膜材料通量測試系統(tǒng)將下位機(jī)各個模塊放入到組裝機(jī)箱中， 和外接的電腦相連構(gòu)成一套完整的測試系統(tǒng)，如下圖7 所示。

圖7 測試儀器外觀圖

在通量測試中，設(shè)定不同的壓力，系統(tǒng)對應(yīng)不同的流量，測試的數(shù)據(jù)如下表3 所示，測試曲線如下圖8 所示。由下圖8 可知，測試的曲線中，系統(tǒng)在不同的壓力和不同的流量情況下，基本構(gòu)成線性關(guān)系，而且壓力越大，對應(yīng)的流量也越大，曲線的斜率（通量）基本是一個定值，測試值㈦理論計算值相一致。 表明該測試系統(tǒng)能很好地完成通量測試。

表3 通量測試結(jié)果

圖8 測試結(jié)果曲線

在不同溫度下， 膜的活性不同，氣體通過過濾膜的通量也不相同。對上述膜材料⒚測試儀器在設(shè)定的不同溫度下進(jìn)行測試，膜組件及系統(tǒng)密封良好，其測試結(jié)果如下表4 所示：

表4 不同溫度下通量測試結(jié)果

檢測結(jié)果的圖表分析如圖9 所示。

圖9 檢測結(jié)果圖表分析

由氣體通量測試結(jié)果圖， 可以看出該過濾膜的氣體通量隨溫度的升高而增加； 同一溫度下隨著壓力升高，氣體的通量也逐漸增大，過濾效率也越高，設(shè)計出的通量測試儀可很好地滿足膜材料在不同溫度下的通量測試。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計的是一套新型的過濾膜材料通量測試儀。 該測試儀器是以STM32 嵌入式芯片和LabVIEW軟件為整個控制核心[9]；自行設(shè)計了具有閉環(huán)控制的壓力控制器件，該壓力控制器控制精度高，能很好滿足通量測試對壓力的要求。 通過實驗表明該設(shè)計出的通量測試儀器可準(zhǔn)確實現(xiàn)過濾膜材料的氣體通量自動測試。 并能夠把檢測出的實驗數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位PC 機(jī)進(jìn)行顯示， 整個測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)需要。