基于STM32F107的過濾膜泡點測試儀設計

胡超　張興華　黃彥　鞏棟棟

摘 要： 根據膜材料泡點測試的要求，設計一款新型泡點測試儀。該儀器以STM32F107芯片為核心，外括按鍵輸入、LCD液晶顯示、電機驅動、A/D轉換和打印機驅動等模塊，可以對泡點測試過程中的氣體壓力和流量進行閉環PID反饋控制，并能將采集的數據實時地發送到上位機進行數據顯示和處理。實驗結果表明，該測試儀器能夠精確地測試過濾膜材料的泡點值，且工作穩定可靠。

關鍵詞： STM32F107； 電機驅動； 閉環PID控制； 泡點測試

中圖分類號： TN876?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

膜材料技術是本世紀有廣泛應用前景的高新技術之一，在工業技術改造中起著重要作用[1]。泡點測試是檢測膜材料完整性的一種重要手段[2?3]。目前國內泡點測試主要通過手動測試，手動泡點測試是測試人員采用肉眼觀測浸潤液里出現的氣泡來判斷是否出現了泡點，測試的偶然誤差大，自動化程度低，由于測試系統沒有對壓力和流量進行反饋控制，測試精度不高。

本文設計了一種以STM32F107嵌入式芯片以及數據采集模塊為核心[4]的泡點測試儀。該儀器可以通過上位機操作界面控制下位機，完成泡點測試。由于系統采用對壓力和流量的閉環控制，可以提高泡點壓力的測試精度。

1 泡點測試實驗原理

將過濾材料用浸潤液完全浸潤后，浸潤液擴散滿整個膜孔中，逐漸增加外界壓力，直至高壓側的氣體壓力大于膜孔內的毛細管壓力和表面張力，浸潤液從過濾材料的另一側溢出。圖1表示泡點出現前后氣體分子的運動過程。

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

式中：[γ]為浸潤液的表面張力系數；[θ]為液體與膜表面之間的夾角，當膜完全浸潤時[θ]=0；[k]為膜孔的修正系數，通常取0.715。

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

2 儀器設計

2.1 儀器整體設計

測試儀器的結構圖如圖2所示。

圖中粗線型和箭頭表示氣體流通的方向和路徑，測試組件中的針型調節閥由步進電機驅動，調節閥的工作范圍為0～100 ml/min；壓力傳感器測量范圍為0～1 MPa，對應輸出電壓范圍為0～5 V；流量傳感器測量范圍為0～100 ml/min，對應輸出的電流范圍為4～20 mA；3個電磁開關閥為常閉閥，開啟電壓為24 V。上位機控制界面是基于LabVIEW 2011開發設計[6]，上位機實時讀取下位機回傳的壓力和流量值，完成數據的顯示、存儲以及后期分析，實驗結束后可由串口打印機打印出數據供用戶使用。

2.2 控制系統硬件設計

控制系統硬件設計是以STM32F107VCT6芯片為核心，STM32F107是ARM公司研制的一種高性能芯片。芯片外擴了電源模塊、A/D轉換、RS 485通信、電機驅動、電磁開關閥驅動、LCD液晶顯示及打印輸出等模塊。硬件結構圖如圖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換成數字量送入控制器；LCD顯示和打印機模塊可對實時觀測的壓力、流量測試數據進行顯示打印輸出；控制器給電磁開關閥發送開閉信號；STM32微控制器輸出控制信號給驅動器產生步進電機驅動脈沖[8]，驅動步進電機調節針型閥開閉，控制器與步進電機驅動器之間采用共陽極接法。連接方式如圖4所示，控制方式說明如表1所示。

3 測試軟件及壓力控制設計

3.1 起泡點實驗軟件設計

本文設計的泡點測試儀，泡點測試是基于壓力衰減原理，即泡點出現前過濾材料被視為一個密封腔體，每隔一段時間上升指定的壓力步長，一旦泡點出現后，壓力會有明顯的衰減，當衰減值大于標準值時，即視為出現泡點值。

本系統將壓力步長定為3 kPa，時間步長定為5 s，泡點出現時的壓力衰減閾值定為0.5 kPa，即每隔5 s打開進氣閥、電磁開關閥和針型調節閥向系統內供氣，當壓力每上升3 kPa后記錄壓力值[P1、]關閉電磁開關閥等待5 s，5 s后記錄壓力值[P2]并計算壓力衰減值，若壓力值衰減達到0.5 kPa，即判定泡點出現，記錄泡點結果。泡點測試中的程序流程圖如圖5所示。

3.2 壓力控制設計模塊

本文設計的壓力控制部分是由步進電機帶動針型調節閥，控制密封腔體內的壓力。控制器輸出控制信號給驅動器產生步進電機驅動脈沖，給步進電機每輸入1個脈沖，就轉動1個角度，通過步距角變化控制壓力變化。壓力控制設定的方法：根據壓力設定值與壓力輸出值的差值[e（t）]進行負反饋控制，當差值[e（t）=0]時，完成一次壓力設定。壓力控制模塊的程序流程圖如圖6所示。

此系統為一個閉環控制系統，控制目標為膜上下游腔體內的壓力，控制對象為針型調節閥。本設計采用的PID[9]閉環控制系統框圖如圖7所示。

在離散時間域中，PID控制器算法表達式為：

[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；積分系數為[Ki，][Ki=KpTi；]微分系數為[Kd，][Kd=Kp*Td；][uk]則是PID控制器第[k]次采樣時刻的輸出值；PID控制器的偏差值[ek]為第[k]次采樣時刻的輸入所得；[ek-1]是第[k-1]次采樣時刻輸入PID控制器的偏差值；[T]為采樣周期。

式（2）也被認為是位置型PID控制算法。此種算法的每次輸出均與過去的狀態有關，因而產生增量式的PID控制算法。根據遞推原理可得：

[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行PID的增量式運算， 然后對采集到的實時電壓進行歸一化處理，程序通過對誤差值的不斷更新實現對系統內壓力的實時調節。

4 實驗測試結果及分析

選取膜過濾試樣進行泡點測試，測試過程中的壓力值隨時間變化的曲線如圖8所示。

實驗歷時75 s，壓力測量值與線性值差值大于0.5 kPa，此時臨界壓力值即為泡點壓力42.4 kPa。再通過南京高謙功能材料科技公司PSDA?20型孔徑分析儀器對膜樣品進行孔徑分析，測試到的最大孔徑為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，膜的表面張力系數為16.9 mN/m，由式（1）計算出泡點壓力約為41.3 kPa，圖10和圖11分別表示的是膜樣品SEM表面和斷面圖。

通過對比實驗可知，泡點壓力測試結果和SEM計算的結果誤差為2.6%，實驗結果能滿足泡點測試的要求，測試精度高。

5 結 語

本文設計了一套新型的過濾膜材料泡點測試儀。該測試儀器以STM32F107嵌入式芯片為控制核心，可實現過濾膜材料泡點壓力的自動檢測。并能將實時檢測的實驗數據通過串口發送至上位PC機進行實時顯示，且具有數據保存和打印輸出功能。整個測試系統工作穩定，測試結果準確可靠。

參考文獻

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