多孔材料檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張小紅，鮑志強，馬 柯，高曉丁

（1.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，廣東 佛山528041；2.西安工程大學(xué) 機電工程學(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)用價值.多孔材料性能的檢測對多孔材料的應(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(shù)據(jù)處理方法；高庚［3］研究多孔材料的透水性.目前國內(nèi)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(shù)要求.國際上也僅有美國、德國等少數(shù)幾個國家生產(chǎn)多孔材料性能檢測系統(tǒng).由于對被測試材料的限制過多，可靠性差，價格高以及標(biāo)準(zhǔn)的差異，國內(nèi)很少使用.基于此，本文依據(jù)氣體動呼學(xué)原理實現(xiàn)硬件部分設(shè)計，通過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，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，從而得到各項多孔材料的檢測數(shù)據(jù).實現(xiàn)多孔材料各項性能指標(biāo)參數(shù)的自動化.

1 硬件設(shè)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(chǎn)生一定的壓差，獲得壓差和流量值后，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型的計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(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(tǒng)硬件部分主要依據(jù)氣體動力學(xué)原理，利用高精度氣體流量計、氣室緩沖穩(wěn)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(xiàn).測試平臺主要部件及其指標(biāo)要求見表1.

表1 測試平臺主要部件及其指標(biāo)要求

圖1 金屬多孔材料性能測試平臺設(shè)計原理圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)中上位機負責(zé)接收、分析處理接收的采集數(shù)據(jù)，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(dāng)有一檔數(shù)據(jù)符合設(shè)定的參數(shù)條件時，即將此檔數(shù)據(jù)讀入計算機，產(chǎn)生有關(guān)試件特性的曲線圖案、報表和一系列反應(yīng)金屬多孔材料重要性能的指標(biāo).下位檢測儀器負責(zé)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(jīng)過過濾器過濾后，加壓后的空氣流過操作者設(shè)定的測量通道，通過試件兩側(cè)時，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(jù)此計算多孔試件的其他工藝參數(shù)，給多孔材料試件一個確定的技術(shù)指標(biāo).

為了保證系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)定的精度要求.

金屬多孔材料測試平臺電氣連接設(shè)計原理圖如圖2所示.進行測試時，操作者根據(jù)對多孔材料的流量值的預(yù)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(guān)，并根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)反饋給PLC控制單元，調(diào)整電磁閥的開關(guān).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(guān)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(dāng)前的測量值.

2 軟件設(shè)計

多孔材料性能檢測系統(tǒng)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(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)這些采集到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性能指標(biāo)的計算、繪圖或者生成檢測報告.其完整的業(yè)務(wù)流程如圖3所示.

該檢測系統(tǒng)共劃分為6個功能模塊，即試樣參數(shù)、數(shù)據(jù)采集、干濕曲線、直方圖、分布曲線、測試報告.試樣參數(shù)負責(zé)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(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊通過計算機的串行口采集和傳輸數(shù)據(jù)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(zhì).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(dāng)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(shù)據(jù)，將測試數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理方法在坐標(biāo)系中表示出來，便是干式曲線；當(dāng)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(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.其數(shù)據(jù)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(shè)計原理圖

軟件系統(tǒng)設(shè)計部分，采用X3協(xié)同管理系統(tǒng)進行開發(fā)，其開發(fā)過程中主要用到的是X3協(xié)同管理系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)建模工具.

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

檢測系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、過濾、加工、計算及存儲，因此需要設(shè)計數(shù)據(jù)庫存儲相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、臨時數(shù)據(jù)以及測試結(jié)果.

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的用戶表有：總表、數(shù)據(jù)采集表、直方圖、計算表.總表負責(zé)保存被測樣品的各種基本信息，包括試樣ID、試樣編號、生產(chǎn)批次號、檢驗日期備注等，還有經(jīng)運算得出的各種技術(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)采集表負責(zé)保存從硬件檢測設(shè)備采集到的壓力、流量、壓力計、流量計等數(shù)據(jù).直方圖負責(zé)存儲經(jīng)計算后，樣品在檢測人員給定區(qū)間內(nèi)的孔徑所占的體積百分比及區(qū)間值.計算表負責(zé)存儲該樣品在干濕曲線的數(shù)據(jù)計算模塊中，根據(jù)每個測得的干濕壓力、流量，計算出直徑和體積百分比等數(shù)據(jù).

4 檢測結(jié)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(fù)測量（樣件名稱：200－280；批次號：20120605），測量結(jié)果見表2～3.

兩次測量數(shù)據(jù)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(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儀的重復(fù)性很好，滿足測量精度要求.

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

該檢測系統(tǒng)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(xié)同管理系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)建模工具.開發(fā)簡便快速，很好地實現(xiàn)了設(shè)計功能和要求，而且該檢測系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地表征多孔材料的各項參數(shù)性能，對于多孔材料的研究應(yīng)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(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試系統(tǒng)［J］.西安工程大學(xué)學(xué)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(dǎo)報網(wǎng)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(yè)進展，2006（2）：29－34.

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

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

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

［9］李國勇.智能控制及 MATLAB實現(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.