基于LabVIEW的吸油材料性能測試系統設計

天津理工大學環境科學與安全工程學院 徐建偉 王曉麗

引言

隨著經濟的快速發展，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輸過程中，溢油事故的發生不僅污染海洋生態環境，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者廣泛研究，其中對吸附材料吸油性能的測試更是關鍵部分。

吸附材料性能測定的實驗過程中，目前仍然是手工測量，往往導致實驗精度下降，而且實驗設計中未能將環境因素變化過程充分考慮在內，吸油材料吸油性能未能準確測量。針對以上缺點，設計一種基于LabVIEW的吸油材料性能測試系統，能夠模擬不同的實驗環境，且實驗過程自動，從而降低了吸油材料性能測試的誤差。

一、系統測試原理與總體設計

根據ASTMF726-12測試吸油材料在純油系統中的吸油量。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。實驗數據在相同條件下重復3次，取平均值作為計算結果。吸油倍率的計算公式為(mx-m2)/(m2-m1)。

系統主要包括下位機部分和上位機部分，結構如圖1所示。下位機系統由傳感器監測模塊、吸油材料質量稱重模塊等部分組成。上位機系統分為顯示程序模塊、步進電機控制模塊和自動稱量模塊。傳感器監測模塊又分為溫度傳感器模塊、電導率傳感器模塊、PH值傳感器模塊和稱重傳感器模塊。它們的功能是準確無誤地檢測實驗水槽內的環境參數:溫度、電導率、PH值，然后USB數據采集卡將采集到的數據傳輸給工業PC機，通過PC機上LabVIEW編寫的上位機程序對數據進行實時顯示并且記錄。自動稱量模塊功能是步進電機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量的變化。

圖1 系統總體結構

二、系統硬件設計

（一）傳感器數據采集模塊

根據吸油性能測試實驗要求，實驗水槽環境因子的監測分為溫度、PH、電導率的采集處理，此外吸油材料性能測試目的是測量吸油質量變化倍率，故選用溫度、PH、電導率、稱重傳感器。具體過程為數據采集模塊通過設備驅動程序接口完成對DAQ數據采集卡的初始化工作，包括創建和管理設備對象，以及采集卡的工作、通道數、采樣頻率，每次采樣點數等參數的設定等。

（二）步進電機控制模塊

本系統控制模塊主要為步進電機控制模塊。步進電機是將電脈沖信號轉換為角位移或線位移的機電元件。步進電機轉速和停止位置取決于脈沖數和脈沖信號頻率，即給步進電機一個脈沖信號，它轉一個步距角，兩個脈沖間隔越短，電機轉速則越快。在本測試系統中通過脈沖驅動模塊DAQmx產生的脈沖來控制步進電機驅動器進而控制步進電機實現自動稱重。

三、系統軟件設計

本測試系統上位機程序是通過LabVIEW2016進行開發，其主要功能是利用I/O接口與數據采集卡進行數據通信，實現數據處理、數據顯示、數據存儲等功能。

圖2 環境因子顯示模塊

（一）LabVIEW前面板設計

LabVIEW提供了很多類似于指示燈、示波器、開關閥門等實體儀器的控件，可用來創建用戶界面，實現數據顯示。本系統前面板共分為環境因子顯示模塊（圖2）、步進電機控制模塊（圖3）以及吸油材料質量變化計算模塊（圖4）。其中環境因子顯示模塊又由溫度、電導率、PH值監測部分組成，通過環境因子顯示模塊，可以及時準確地顯示實驗水槽的溫度、電導率、PH值各項參數指標，進而為分析不同狀況下的吸油材料的吸油性能做準備。步進電機控制模塊主要功能是通過步距角度與方向來控制步進電機驅動器進而控制步進電機轉速，然后帶動絲杠上下平移，實現載有吸油材料不銹鋼網自由進入水槽實現自動測試吸油性能。吸油材料質量變化計算模塊是通過點擊不同時段的吸油材料質量按鈕，實時記錄質量，進而計算吸油倍率的一個功能。

圖3 步進電機控制模塊

圖4 吸油材料質量變化計算模塊

（二）LabVIEW程序框圖設計

LabVIEW主程序框架為3個while循環，第一個while循環中包括11個觸發條件，分別為步進電機的啟動、向上、向下，停止，自動稱量的計時、暫停、記錄M1/M2/MX/吸油倍率，如圖5。第二個while循環功能是實現步進電機的控制，如圖6。第三個while循環功能是通過DAQ數據采集卡采集溫度、電導率、PH值，質量的過程，如圖7。

圖5 主程序框圖

（三）數據儲存

為了保證實驗水槽環境監測數據的完整性，數據存儲模塊在數據采集開始后自動進行存儲。數據存儲模塊通過使用LabVIEW編程定時目錄下的獲取日期/時間字符串控件，可以按設置的格式獲取系統時間，然后以獲取的日期時間命名(*.xlsx)文件并創建相對路徑，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)作為數據存儲寫入條件判斷框的判斷條件。當返回值為F時，即路徑中不存在該文件，此時自動創建以日期時間命名的表格文件并在表格第一行添加數據標題，隨后寫入數據。當返回值為T時，即路徑中存在該文件，此時打開已經存在的表格文件在原有數據后面寫入新的數據。

圖6 步進電機控制框圖

圖7 傳感器數據采集框圖

四、結束語

本文利用數據采集卡對實驗水槽環境因子進行實時采集，并通過LabVIEW進行上位機的編程控制，并計算吸油材料的吸油倍率。利用LabVIEW的特點，對以往的手工測試吸油材料系統進行改進，從而實現了溫度，電導率、PH數據波形顯示以及吸油倍率自動計算的功能。有著良好的人機交互性，并具有操作簡單，可視性好的特點。

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