基于STM32F107的過(guò)濾膜泡點(diǎn)測(cè)試儀設(shè)計(jì)

胡超　張興華　黃彥　鞏棟棟

摘 要： 根據(jù)膜材料泡點(diǎn)測(cè)試的要求，設(shè)計(jì)一款新型泡點(diǎn)測(cè)試儀。該儀器以STM32F107芯片為核心，外括按鍵輸入、LCD液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換和打印機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊，可以對(duì)泡點(diǎn)測(cè)試過(guò)程中的氣體壓力和流量進(jìn)行閉環(huán)PID反饋控制，并能將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試儀器能夠精確地測(cè)試過(guò)濾膜材料的泡點(diǎn)值，且工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞： STM32F107； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 閉環(huán)PID控制； 泡點(diǎn)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN876?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）07?0096?04

Design of filtering membrane bubble point tester based on STM32F107

HU Chao1， ZHANG Xinghua1， HUANG Yan2， GONG Dongdong2

（1. College of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China；

2. State Key Laboratory of Materials?Oriented Chemical Engineering， College of Chemical Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China）

Abstract： To satisfy the test requirement of the membrane material bubble point， a new bubble point tester was designed. The tester takes STM32F107 as the core， includes the modules of keyboard input， LCD display， motor driving， A/D conversion and printer driving. The tester can perform the PID closed?loop feedback control for the gas pressure and flux in the bubble point testing process， and send the collected data to the upper machine in real time for data display and processing. The experimental results show that the tester can test the bubble point of the filtering membrane material accurately， and work stably and reliably .

Keywords： STM32F107； motor driving； PID closed?loop control； bubble point test

0 引 言

膜材料技術(shù)是本世紀(jì)有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)之一，在工業(yè)技術(shù)改造中起著重要作用[1]。泡點(diǎn)測(cè)試是檢測(cè)膜材料完整性的一種重要手段[2?3]。目前國(guó)內(nèi)泡點(diǎn)測(cè)試主要通過(guò)手動(dòng)測(cè)試，手動(dòng)泡點(diǎn)測(cè)試是測(cè)試人員采用肉眼觀測(cè)浸潤(rùn)液里出現(xiàn)的氣泡來(lái)判斷是否出現(xiàn)了泡點(diǎn)，測(cè)試的偶然誤差大，自動(dòng)化程度低，由于測(cè)試系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)壓力和流量進(jìn)行反饋控制，測(cè)試精度不高。

本文設(shè)計(jì)了一種以STM32F107嵌入式芯片以及數(shù)據(jù)采集模塊為核心[4]的泡點(diǎn)測(cè)試儀。該儀器可以通過(guò)上位機(jī)操作界面控制下位機(jī)，完成泡點(diǎn)測(cè)試。由于系統(tǒng)采用對(duì)壓力和流量的閉環(huán)控制，可以提高泡點(diǎn)壓力的測(cè)試精度。

1 泡點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理

將過(guò)濾材料用浸潤(rùn)液完全浸潤(rùn)后，浸潤(rùn)液擴(kuò)散滿整個(gè)膜孔中，逐漸增加外界壓力，直至高壓側(cè)的氣體壓力大于膜孔內(nèi)的毛細(xì)管壓力和表面張力，浸潤(rùn)液從過(guò)濾材料的另一側(cè)溢出。圖1表示泡點(diǎn)出現(xiàn)前后氣體分子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

泡點(diǎn)壓力[p]與膜孔徑[D]的關(guān)系式可用式（1）表示：[p=4kγcosθD] （1）

式中：[γ]為浸潤(rùn)液的表面張力系數(shù)；[θ]為液體與膜表面之間的夾角，當(dāng)膜完全浸潤(rùn)時(shí)[θ]=0；[k]為膜孔的修正系數(shù)，通常取0.715。

由式（1）可知過(guò)濾材料的泡點(diǎn)壓力反比于膜孔徑大小，膜材料上的孔徑符合正態(tài)分布規(guī)律，首先出現(xiàn)氣泡的為膜上的最大孔徑[5]。

2 儀器設(shè)計(jì)

2.1 儀器整體設(shè)計(jì)

測(cè)試儀器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖中粗線型和箭頭表示氣體流通的方向和路徑，測(cè)試組件中的針型調(diào)節(jié)閥由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥的工作范圍為0～100 ml/min；壓力傳感器測(cè)量范圍為0～1 MPa，對(duì)應(yīng)輸出電壓范圍為0～5 V；流量傳感器測(cè)量范圍為0～100 ml/min，對(duì)應(yīng)輸出的電流范圍為4～20 mA；3個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥為常閉閥，開(kāi)啟電壓為24 V。上位機(jī)控制界面是基于LabVIEW 2011開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[6]，上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取下位機(jī)回傳的壓力和流量值，完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及后期分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可由串口打印機(jī)打印出數(shù)據(jù)供用戶使用。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是以STM32F107VCT6芯片為核心，STM32F107是ARM公司研制的一種高性能芯片。芯片外擴(kuò)了電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換、RS 485通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁開(kāi)關(guān)閥驅(qū)動(dòng)、LCD液晶顯示及打印輸出等模塊。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

電源模塊給控制器提供3.3 V電壓；STM32與上位機(jī)采用RS 485通信[7]；A/D模塊將采集到的壓力和流量模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入控制器；LCD顯示和打印機(jī)模塊可對(duì)實(shí)時(shí)觀測(cè)的壓力、流量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示打印輸出；控制器給電磁開(kāi)關(guān)閥發(fā)送開(kāi)閉信號(hào)；STM32微控制器輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖[8]，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)針型閥開(kāi)閉，控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間采用共陽(yáng)極接法。連接方式如圖4所示，控制方式說(shuō)明如表1所示。

3 測(cè)試軟件及壓力控制設(shè)計(jì)

3.1 起泡點(diǎn)實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的泡點(diǎn)測(cè)試儀，泡點(diǎn)測(cè)試是基于壓力衰減原理，即泡點(diǎn)出現(xiàn)前過(guò)濾材料被視為一個(gè)密封腔體，每隔一段時(shí)間上升指定的壓力步長(zhǎng)，一旦泡點(diǎn)出現(xiàn)后，壓力會(huì)有明顯的衰減，當(dāng)衰減值大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，即視為出現(xiàn)泡點(diǎn)值。

本系統(tǒng)將壓力步長(zhǎng)定為3 kPa，時(shí)間步長(zhǎng)定為5 s，泡點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的壓力衰減閾值定為0.5 kPa，即每隔5 s打開(kāi)進(jìn)氣閥、電磁開(kāi)關(guān)閥和針型調(diào)節(jié)閥向系統(tǒng)內(nèi)供氣，當(dāng)壓力每上升3 kPa后記錄壓力值[P1、]關(guān)閉電磁開(kāi)關(guān)閥等待5 s，5 s后記錄壓力值[P2]并計(jì)算壓力衰減值，若壓力值衰減達(dá)到0.5 kPa，即判定泡點(diǎn)出現(xiàn)，記錄泡點(diǎn)結(jié)果。泡點(diǎn)測(cè)試中的程序流程圖如圖5所示。

3.2 壓力控制設(shè)計(jì)模塊

本文設(shè)計(jì)的壓力控制部分是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)針型調(diào)節(jié)閥，控制密封腔體內(nèi)的壓力。控制器輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖，給步進(jìn)電機(jī)每輸入1個(gè)脈沖，就轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)角度，通過(guò)步距角變化控制壓力變化。壓力控制設(shè)定的方法：根據(jù)壓力設(shè)定值與壓力輸出值的差值[e（t）]進(jìn)行負(fù)反饋控制，當(dāng)差值[e（t）=0]時(shí)，完成一次壓力設(shè)定。壓力控制模塊的程序流程圖如圖6所示。

此系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制目標(biāo)為膜上下游腔體內(nèi)的壓力，控制對(duì)象為針型調(diào)節(jié)閥。本設(shè)計(jì)采用的PID[9]閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

在離散時(shí)間域中，PID控制器算法表達(dá)式為：

[uk=Kpek+TTij=0kej+TdT+e（k）-e（k-1）=Kpek+Kij=0kejT+KdTe（k）-e（k-1）] （2）

式中：[Kp]是比例系數(shù)；積分系數(shù)為[Ki，][Ki=KpTi；]微分系數(shù)為[Kd，][Kd=Kp*Td；][uk]則是PID控制器第[k]次采樣時(shí)刻的輸出值；PID控制器的偏差值[ek]為第[k]次采樣時(shí)刻的輸入所得；[ek-1]是第[k-1]次采樣時(shí)刻輸入PID控制器的偏差值；[T]為采樣周期。

式（2）也被認(rèn)為是位置型PID控制算法。此種算法的每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，因而產(chǎn)生增量式的PID控制算法。根據(jù)遞推原理可得：

[uk-1=Kpek-1+Kij=0kej-1+KdTe（k-1）-e（k-2）] （3）

用式（2）減去式（3），可得：

[Δuk=Kpek-ek-1+Kiek+KdTe（k）-2e（k-1）+e（k-2）] （4）

式（4）稱為增量式PID控制算法。在本軟件程序中先進(jìn)行PID的增量式運(yùn)算， 然后對(duì)采集到的實(shí)時(shí)電壓進(jìn)行歸一化處理，程序通過(guò)對(duì)誤差值的不斷更新實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

選取膜過(guò)濾試樣進(jìn)行泡點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中的壓力值隨時(shí)間變化的曲線如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)歷時(shí)75 s，壓力測(cè)量值與線性值差值大于0.5 kPa，此時(shí)臨界壓力值即為泡點(diǎn)壓力42.4 kPa。再通過(guò)南京高謙功能材料科技公司PSDA?20型孔徑分析儀器對(duì)膜樣品進(jìn)行孔徑分析，測(cè)試到的最大孔徑為1.161 μm。樣品孔徑分布圖如圖9所示。

把同種膜樣品送入掃描電子顯微鏡（SEM）[10]下進(jìn)行表面和斷面分析，得出最大孔徑約為1.175 μm，膜的表面張力系數(shù)為16.9 mN/m，由式（1）計(jì)算出泡點(diǎn)壓力約為41.3 kPa，圖10和圖11分別表示的是膜樣品SEM表面和斷面圖。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，泡點(diǎn)壓力測(cè)試結(jié)果和SEM計(jì)算的結(jié)果誤差為2.6%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能滿足泡點(diǎn)測(cè)試的要求，測(cè)試精度高。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套新型的過(guò)濾膜材料泡點(diǎn)測(cè)試儀。該測(cè)試儀器以STM32F107嵌入式芯片為控制核心，可實(shí)現(xiàn)過(guò)濾膜材料泡點(diǎn)壓力的自動(dòng)檢測(cè)。并能將實(shí)時(shí)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至上位PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，且具有數(shù)據(jù)保存和打印輸出功能。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

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