多孔材料檢測系統的設計與實現

張小紅，鮑志強，馬 柯，高曉丁

（1.廣東職業技術學院 機電工程系，廣東 佛山528041；2.西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安710048）

多孔材料是20世紀發展起來的嶄新材料體系，在大分子催化、吸附與分離、納米材料組裝及生物化學等眾多領域具有廣泛的應用價值.多孔材料性能的檢測對多孔材料的應用以及研究具有十分重要的指導與參考意義.許佩敏等［1］研究了多孔材料的孔的結構特征及常用的檢測儀器；朱黎冉等［2］研究了氣泡法檢測多孔材料孔徑的原理與數據處理方法；高庚［3］研究多孔材料的透水性.目前國內的檢測主要以西北有色金屬研究院自制的簡易手動裝置為主，誤差較大，達不到多孔材料性能檢測的技術要求.國際上也僅有美國、德國等少數幾個國家生產多孔材料性能檢測系統.由于對被測試材料的限制過多，可靠性差，價格高以及標準的差異，國內很少使用.基于此，本文依據氣體動呼學原理實現硬件部分設計，通過RS232串行品接收采集數據，并利用X3協同管理系統中的建模工具，實現對數據的處理，從而得到各項多孔材料的檢測數據.實現多孔材料各項性能指標參數的自動化.

1 硬件設計

氣泡法［4］也稱為氣體置換法，在一定流量的流體通過被測多孔材料試樣時，在多孔材料的兩端產生一定的壓差，獲得壓差和流量值后，通過相應的數學模型的計算得到金屬多孔材料的具體參數和孔徑分布圖形.該方法精確、簡單、易行.在普通氣泡法測量中，由于大孔對流量的影響比較大，致使小孔的測量精度不高，甚至有一部分小孔被忽略.為避免該問題，有些學者提出用中流量孔徑表示多孔材料的特性.先用干樣品測量出壓差－流量曲線，然后用預先在已知表面張力液體中浸潤過的濕樣品測量出壓差／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際性能.

檢測系統硬件部分主要依據氣體動力學原理，利用高精度氣體流量計、氣室緩沖穩壓及傳感器連接方式等對層流管路損耗及微量氣流P（壓力值）、Q（流量值）的變化進行精確采控，并通過單片機對包括電源控制、壓力計控制及計算機通訊控制等方式來實現.測試平臺主要部件及其指標要求見表1.

表1 測試平臺主要部件及其指標要求

圖1 金屬多孔材料性能測試平臺設計原理圖

系統框圖如圖1所示，系統中上位機負責接收、分析處理接收的采集數據，上位機通過串行接口對各智能儀表進行輪回周期性的掃描.當有一檔數據符合設定的參數條件時，即將此檔數據讀入計算機，產生有關試件特性的曲線圖案、報表和一系列反應金屬多孔材料重要性能的指標.下位檢測儀器負責對試件加載一定壓力和流量的空氣.工作時，氣源里的壓縮氣體經過過濾器過濾后，加壓后的空氣流過操作者設定的測量通道，通過試件兩側時，由于多孔材料的阻礙性，在多孔材料試件兩側形成一定的壓力差.多孔材料試件兩側的壓差值也會隨之改變，同時，上位計算機讀取流量計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，并據此計算多孔試件的其他工藝參數，給多孔材料試件一個確定的技術指標.

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

金屬多孔材料測試平臺電氣連接設計原理圖如圖2所示.進行測試時，操作者根據對多孔材料的流量值的預估，可選擇3個流量計中的一個，差壓變送器會從小量程開始測量，PLC控制電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3的開關，并根據所測得的數據反饋給PLC控制單元，調整電磁閥的開關.如果測量范圍超過小量程差壓變送器或小、中流量計測試的測試范圍，PLC會關閉小量程壓力變送器和小、中流量計，測量儀器讀取大量程的壓差值和中、大流量計的流量，作為當前的測量值.

2 軟件設計

多孔材料性能檢測系統上位機軟件部分通過RS232串行口接收從硬件檢測儀器中采集到的干式、濕式數據，系統根據這些采集到的數據進行相關性能指標的計算、繪圖或者生成檢測報告.其完整的業務流程如圖3所示.

該檢測系統共劃分為6個功能模塊，即試樣參數、數據采集、干濕曲線、直方圖、分布曲線、測試報告.試樣參數負責多孔材料測試試件的基本屬性的錄入與保存，如試件編號、名稱、形狀、外徑、厚度、高度、面積等基本參數，數據采集模塊通過計算機的串行口采集和傳輸數據到計算機，以備計算機做分析處理；干濕曲線裝置可以通入空氣和水兩種介質.在通入空氣時，將試件浸入在水中，觀察壓差和流量的變化.當空氣慢慢通入，壓差和流量處于均勻有序的變化時，上位機開始采集數據，將測試數據通過數據處理方法在坐標系中表示出來，便是干式曲線；當通入水的時候，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出試件的孔徑，能清楚明了地顯示孔徑所處的區間段，以及各區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間；報告模塊具有顯示和打印功能.所有的技術參數和圖形都能按照規定的文檔格式打印出來.其數據處理流程圖如圖4所示.

圖2 金屬多孔材料測試平臺電氣連接設計原理圖

軟件系統設計部分，采用X3協同管理系統進行開發，其開發過程中主要用到的是X3協同管理系統中的業務建模工具.

3 數據庫設計

檢測系統對采集到的數據進行模數轉換、過濾、加工、計算及存儲，因此需要設計數據庫存儲相關基礎數據、臨時數據以及測試結果.

系統數據庫中的用戶表有：總表、數據采集表、直方圖、計算表.總表負責保存被測樣品的各種基本信息，包括試樣ID、試樣編號、生產批次號、檢驗日期備注等，還有經運算得出的各種技術指標參數，如最大孔徑、中流量孔徑、透氣度等.數據采集表負責保存從硬件檢測設備采集到的壓力、流量、壓力計、流量計等數據.直方圖負責存儲經計算后，樣品在檢測人員給定區間內的孔徑所占的體積百分比及區間值.計算表負責存儲該樣品在干濕曲線的數據計算模塊中，根據每個測得的干濕壓力、流量，計算出直徑和體積百分比等數據.

4 檢測結果

用多孔材料檢測儀在室溫（12℃）下對由西北有色金屬研究院提供的鈦濾片進行2次重復測量（樣件名稱：200－280；批次號：20120605），測量結果見表2～3.

兩次測量數據顯示，最大孔徑的測量分別是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，數值的變化在誤差允許范圍之內.綜上所述，多孔材料孔徑分布檢測儀的重復性很好，滿足測量精度要求.

圖3 業務流程圖

圖4 數據處理流程圖

5 結束語

該檢測系統硬件部分采用單片機控制，易懂易用，編程方便，可靠性高；軟件部分采用X3協同管理系統中的業務建模工具.開發簡便快速，很好地實現了設計功能和要求，而且該檢測系統能夠較準確地表征多孔材料的各項參數性能，對于多孔材料的研究應用有著極大的促進作用.

表2 儀器可靠性對比測試孔徑分布檢測報告1（檢測號：2012110213）

表3 儀器可靠性對比測試孔徑分布檢測報告2（檢測號：2012110214）

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

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

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

［4］梁永仁，張露，崔樹茂，等.多孔材料表征與性能測試［J］.材料導報網刊，2006（2）：56－59.

［5］劉培生.多孔材料孔徑及孔徑分布的測定方法［J］.鈦工業進展，2006（2）：29－34.

［6］李鄧化，彭書華，許曉飛.智能檢測技術及儀表［M］.北京：機械工業出版社，2007：152－178.

［7］美國金屬學會.金屬手冊（第七卷）：粉末冶金［M］.9版.韓風麟，譯.北京：機械工業出版社，1994：358－370.

［8］廖寄喬.粉末冶金實驗技術［M］.湖南：中南大學出版社，2003：88.

［9］李國勇.智能控制及 MATLAB實現［M］.北京：電子工業出版社，2005：255－286.

［10］ALFRED V Aho，JOHN E Hopcroft，JEFFREY D Ullman.數據結構與算法［M］.清華大學出版社，譯.北京：清華大學出版社，2007：348－399.