基于LabVIEW的吸油材料性能测试系统设计

天津理工大学环境科学与安全工程学院 徐建伟 王晓丽

引言

随着经济的快速发展，石油资源在人类生活中的作用越来越重要，但是在石油的开采及运输过程中，溢油事故的发生不仅污染海洋生态环境，而且也间接危害到人类的身体健康。使用吸附材料作为处理溢油的一种有效方法已受到学者广泛研究，其中对吸附材料吸油性能的测试更是关键部分。

吸附材料性能测定的实验过程中，目前仍然是手工测量，往往导致实验精度下降，而且实验设计中未能将环境因素变化过程充分考虑在内，吸油材料吸油性能未能准确测量。针对以上缺点，设计一种基于LabVIEW的吸油材料性能测试系统，能够模拟不同的实验环境，且实验过程自动，从而降低了吸油材料性能测试的误差。

一、系统测试原理与总体设计

根据ASTMF726-12测试吸油材料在纯油系统中的吸油量。在500mL烧杯中加入200mL原油，称取2g改性吸油材料浸泡于油品中，浸泡15min和24h后捞出，悬滴30±5s，称重。实验数据在相同条件下重复3次，取平均值作为计算结果。吸油倍率的计算公式为(mx-m2)/(m2-m1)。

系统主要包括下位机部分和上位机部分，结构如图1所示。下位机系统由传感器监测模块、吸油材料质量称重模块等部分组成。上位机系统分为显示程序模块、步进电机控制模块和自动称量模块。传感器监测模块又分为温度传感器模块、电导率传感器模块、PH值传感器模块和称重传感器模块。它们的功能是准确无误地检测实验水槽内的环境参数:温度、电导率、PH值，然后USB数据采集卡将采集到的数据传输给工业PC机，通过PC机上LabVIEW编写的上位机程序对数据进行实时显示并且记录。自动称量模块功能是步进电机通过丝杠控制吸附材料吸油的过程，其中称重传感器的变化代表了吸油质量的变化。

图1 系统总体结构

二、系统硬件设计

（一）传感器数据采集模块

根据吸油性能测试实验要求，实验水槽环境因子的监测分为温度、PH、电导率的采集处理，此外吸油材料性能测试目的是测量吸油质量变化倍率，故选用温度、PH、电导率、称重传感器。具体过程为数据采集模块通过设备驱动程序接口完成对DAQ数据采集卡的初始化工作，包括创建和管理设备对象，以及采集卡的工作、通道数、采样频率，每次采样点数等参数的设定等。

（二）步进电机控制模块

本系统控制模块主要为步进电机控制模块。步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的机电元件。步进电机转速和停止位置取决于脉冲数和脉冲信号频率，即给步进电机一个脉冲信号，它转一个步距角，两个脉冲间隔越短，电机转速则越快。在本测试系统中通过脉冲驱动模块DAQmx产生的脉冲来控制步进电机驱动器进而控制步进电机实现自动称重。

三、系统软件设计

本测试系统上位机程序是通过LabVIEW2016进行开发，其主要功能是利用I/O接口与数据采集卡进行数据通信，实现数据处理、数据显示、数据存储等功能。

图2 环境因子显示模块

（一）LabVIEW前面板设计

LabVIEW提供了很多类似于指示灯、示波器、开关阀门等实体仪器的控件，可用来创建用户界面，实现数据显示。本系统前面板共分为环境因子显示模块（图2）、步进电机控制模块（图3）以及吸油材料质量变化计算模块（图4）。其中环境因子显示模块又由温度、电导率、PH值监测部分组成，通过环境因子显示模块，可以及时准确地显示实验水槽的温度、电导率、PH值各项参数指标，进而为分析不同状况下的吸油材料的吸油性能做准备。步进电机控制模块主要功能是通过步距角度与方向来控制步进电机驱动器进而控制步进电机转速，然后带动丝杠上下平移，实现载有吸油材料不锈钢网自由进入水槽实现自动测试吸油性能。吸油材料质量变化计算模块是通过点击不同时段的吸油材料质量按钮，实时记录质量，进而计算吸油倍率的一个功能。

图3 步进电机控制模块

图4 吸油材料质量变化计算模块

（二）LabVIEW程序框图设计

LabVIEW主程序框架为3个while循环，第一个while循环中包括11个触发条件，分别为步进电机的启动、向上、向下，停止，自动称量的计时、暂停、记录M1/M2/MX/吸油倍率，如图5。第二个while循环功能是实现步进电机的控制，如图6。第三个while循环功能是通过DAQ数据采集卡采集温度、电导率、PH值，质量的过程，如图7。

图5 主程序框图

（三）数据储存

为了保证实验水槽环境监测数据的完整性，数据存储模块在数据采集开始后自动进行存储。数据存储模块通过使用LabVIEW编程定时目录下的获取日期/时间字符串控件，可以按设置的格式获取系统时间，然后以获取的日期时间命名(*.xlsx)文件并创建相对路径，用LabVIEW自带的路径检查控件检查指定目录下相对路径是否存在，并用返回值(T/F)作为数据存储写入条件判断框的判断条件。当返回值为F时，即路径中不存在该文件，此时自动创建以日期时间命名的表格文件并在表格第一行添加数据标题，随后写入数据。当返回值为T时，即路径中存在该文件，此时打开已经存在的表格文件在原有数据后面写入新的数据。

图6 步进电机控制框图

图7 传感器数据采集框图

四、结束语

本文利用数据采集卡对实验水槽环境因子进行实时采集，并通过LabVIEW进行上位机的编程控制，并计算吸油材料的吸油倍率。利用LabVIEW的特点，对以往的手工测试吸油材料系统进行改进，从而实现了温度，电导率、PH数据波形显示以及吸油倍率自动计算的功能。有着良好的人机交互性，并具有操作简单，可视性好的特点。

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