天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院 徐建偉 王曉麗

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油資源在人類生活中的作用越來越重要，但是在石油的開采及運(yùn)輸過程中，溢油事故的發(fā)生不僅污染海洋生態(tài)環(huán)境，而且也間接危害到人類的身體健康。使用吸附材料作為處理溢油的一種有效方法已受到學(xué)者廣泛研究，其中對吸附材料吸油性能的測試更是關(guān)鍵部分。

吸附材料性能測定的實(shí)驗(yàn)過程中，目前仍然是手工測量，往往導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)精度下降，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中未能將環(huán)境因素變化過程充分考慮在內(nèi)，吸油材料吸油性能未能準(zhǔn)確測量。針對以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的吸油材料性能測試系統(tǒng)，能夠模擬不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，且實(shí)驗(yàn)過程自動(dòng)，從而降低了吸油材料性能測試的誤差。

一、系統(tǒng)測試原理與總體設(shè)計(jì)

根據(jù)ASTMF726-12測試吸油材料在純油系統(tǒng)中的吸油量。在500mL燒杯中加入200mL原油，稱取2g改性吸油材料浸泡于油品中，浸泡15min和24h后撈出，懸滴30±5s，稱重。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在相同條件下重復(fù)3次，取平均值作為計(jì)算結(jié)果。吸油倍率的計(jì)算公式為(mx-m2)/(m2-m1)。

系統(tǒng)主要包括下位機(jī)部分和上位機(jī)部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。下位機(jī)系統(tǒng)由傳感器監(jiān)測模塊、吸油材料質(zhì)量稱重模塊等部分組成。上位機(jī)系統(tǒng)分為顯示程序模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊和自動(dòng)稱量模塊。傳感器監(jiān)測模塊又分為溫度傳感器模塊、電導(dǎo)率傳感器模塊、PH值傳感器模塊和稱重傳感器模塊。它們的功能是準(zhǔn)確無誤地檢測實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)的環(huán)境參數(shù):溫度、電導(dǎo)率、PH值，然后USB數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給工業(yè)PC機(jī)，通過PC機(jī)上LabVIEW編寫的上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并且記錄。自動(dòng)稱量模塊功能是步進(jìn)電機(jī)通過絲杠控制吸附材料吸油的過程，其中稱重傳感器的變化代表了吸油質(zhì)量的變化。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)吸油性能測試實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)水槽環(huán)境因子的監(jiān)測分為溫度、PH、電導(dǎo)率的采集處理，此外吸油材料性能測試目的是測量吸油質(zhì)量變化倍率，故選用溫度、PH、電導(dǎo)率、稱重傳感器。具體過程為數(shù)據(jù)采集模塊通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口完成對DAQ數(shù)據(jù)采集卡的初始化工作，包括創(chuàng)建和管理設(shè)備對象，以及采集卡的工作、通道數(shù)、采樣頻率，每次采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)的設(shè)定等。

（二）步進(jìn)電機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)控制模塊主要為步進(jìn)電機(jī)控制模塊。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的機(jī)電元件。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和停止位置取決于脈沖數(shù)和脈沖信號(hào)頻率，即給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào)，它轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，兩個(gè)脈沖間隔越短，電機(jī)轉(zhuǎn)速則越快。在本測試系統(tǒng)中通過脈沖驅(qū)動(dòng)模塊DAQmx產(chǎn)生的脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱重。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)上位機(jī)程序是通過LabVIEW2016進(jìn)行開發(fā)，其主要功能是利用I/O接口與數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

圖2 環(huán)境因子顯示模塊

（一）LabVIEW前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW提供了很多類似于指示燈、示波器、開關(guān)閥門等實(shí)體儀器的控件，可用來創(chuàng)建用戶界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。本系統(tǒng)前面板共分為環(huán)境因子顯示模塊（圖2）、步進(jìn)電機(jī)控制模塊（圖3）以及吸油材料質(zhì)量變化計(jì)算模塊（圖4）。其中環(huán)境因子顯示模塊又由溫度、電導(dǎo)率、PH值監(jiān)測部分組成，通過環(huán)境因子顯示模塊，可以及時(shí)準(zhǔn)確地顯示實(shí)驗(yàn)水槽的溫度、電導(dǎo)率、PH值各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，進(jìn)而為分析不同狀況下的吸油材料的吸油性能做準(zhǔn)備。步進(jìn)電機(jī)控制模塊主要功能是通過步距角度與方向來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后帶動(dòng)絲杠上下平移，實(shí)現(xiàn)載有吸油材料不銹鋼網(wǎng)自由進(jìn)入水槽實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試吸油性能。吸油材料質(zhì)量變化計(jì)算模塊是通過點(diǎn)擊不同時(shí)段的吸油材料質(zhì)量按鈕，實(shí)時(shí)記錄質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算吸油倍率的一個(gè)功能。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

圖4 吸油材料質(zhì)量變化計(jì)算模塊

（二）LabVIEW程序框圖設(shè)計(jì)

LabVIEW主程序框架為3個(gè)while循環(huán)，第一個(gè)while循環(huán)中包括11個(gè)觸發(fā)條件，分別為步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、向上、向下，停止，自動(dòng)稱量的計(jì)時(shí)、暫停、記錄M1/M2/MX/吸油倍率，如圖5。第二個(gè)while循環(huán)功能是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，如圖6。第三個(gè)while循環(huán)功能是通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡采集溫度、電導(dǎo)率、PH值，質(zhì)量的過程，如圖7。

圖5 主程序框圖

（三）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存

為了保證實(shí)驗(yàn)水槽環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊在數(shù)據(jù)采集開始后自動(dòng)進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過使用LabVIEW編程定時(shí)目錄下的獲取日期/時(shí)間字符串控件，可以按設(shè)置的格式獲取系統(tǒng)時(shí)間，然后以獲取的日期時(shí)間命名(*.xlsx)文件并創(chuàng)建相對路徑，用LabVIEW自帶的路徑檢查控件檢查指定目錄下相對路徑是否存在，并用返回值(T/F)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寫入條件判斷框的判斷條件。當(dāng)返回值為F時(shí)，即路徑中不存在該文件，此時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建以日期時(shí)間命名的表格文件并在表格第一行添加數(shù)據(jù)標(biāo)題，隨后寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)返回值為T時(shí)，即路徑中存在該文件，此時(shí)打開已經(jīng)存在的表格文件在原有數(shù)據(jù)后面寫入新的數(shù)據(jù)。

圖6 步進(jìn)電機(jī)控制框圖

圖7 傳感器數(shù)據(jù)采集框圖

四、結(jié)束語

本文利用數(shù)據(jù)采集卡對實(shí)驗(yàn)水槽環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)的編程控制，并計(jì)算吸油材料的吸油倍率。利用LabVIEW的特點(diǎn)，對以往的手工測試吸油材料系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)了溫度，電導(dǎo)率、PH數(shù)據(jù)波形顯示以及吸油倍率自動(dòng)計(jì)算的功能。有著良好的人機(jī)交互性，并具有操作簡單，可視性好的特點(diǎn)。

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