摘要：介绍了基于西门子S7－1200PLC的滤材透气率孔径测试机，该测试机能对宽约1．2 m的大面积滤材进行无损伤多点自动测试，解决了国内市场上测试机仅适用小块试样的缺点。介绍了设备的主要机械部件、测试流程和软件设计。经过大量试验研究了影响测试准确性的因素，包括介质与上下气室接触面的气密性、加液量的稳定性以及升压速度等。将测试机的测试结果与透气仪和泡点人工测试设备进行比较，结果表明，该测试机测试准确，重现性好，效率高，对全张试样的质量评估提供有力的技术支持，具有极好的实际应用价值。

　　关键词：孔径；测试机；PLC

　　Filter Material Permeability and Aperture Tester Based on Siemens S7－1200 PLC

　　Guo Caidong1，Qiu Jinhui2

　　(1．MinXi Vocational and Technical College，Longyan，Fujian 364021，China；

　　2．Fujian Taiba Construction Development Co．，Ltd．，Longyan，Fujian 364031，China)

　　Abstract：The filter permeability aperture tester was introduced based on Siemens S7－1200PLC．The tester can perform nondestructive multi－point automatic test on a large area filter material with a width of about 1．2 m，which solves the shortcoming that the tester only applies to small sample in the domestic market．The main mechanical components，testing process and software design of the equipment were introduced．A large number of experiments were carried out to study the factors affecting the accuracy of the test，including the air tightness of the contact surface between the medium and the upper and lower air chamber，the stability of the filling amount and the speed of pressure boost．The test results of the tester were compared with those of the air permeability tester and bubble point manual test equipment．The results show that the test machine is accurate，reproducible and efficient．It provides strong technical support for the quality assessment of the whole sample and has excellent practical application value．

　　Key words：aperture；tester；PLC

　　0引言

　　近年来，非织造过滤介质以其优良的过滤性能、低成本、易加工、好成型等特点，逐渐取代了部分传统织造过滤介质，在工业分离、净化、提纯等液固分离领域及尾气净化、PM2．5、空气净化等气固分离领域得到了广泛的应用。对过滤分离过程而言，孔径是非织造过滤介质评价、选择及使用过程中十分重要的指标[1]，滤料的孔径大小对其过滤效率有很大的影响[2]，孔径大小直接关系到过滤材料拦截杂质颗粒的能力，是滤材的重要物理结构[3]。微孔滤材在制药行业、电子行业、印染行业等都得到了广泛的应用[4]。图1所示为龙岩某公司生产的金属纤维毡，它是一种无纺介质，由随机铺设的短金属纤维通过烧结和粘合制成。它由非常细的金属纤维组成，具有高孔隙率，是高温和高黏度流体过滤的理想选择。烧结金属多孔材料及由该材料构成的滤材是一种运用广泛的刚性过滤介质[5]。

　　多孔材料孔径的测量方法概括起来有直接法和间接法两类。直接法是通过电子显微镜结合计算机图形分析技术，直接形象地观测多孔材料表面局部孔的孔径。间接测量法是利用与孔尺寸有关的物理现象和参数，通过实验测出相应的物理参数，计算出等效孔径，间接法主要包括泡点压力法、气液置换法、液－液置换法等。泡点压力法、气液置换法因测试时有气泡产生，常称作气泡法，是孔径测量最为普遍的方法。气泡法是用浸润性良好的液体浸润试样，然后用气体将试样孔隙中浸入的液体缓慢推出，依据压力差，根据公式d＝4Ycosθ／ΔP可计算出多孔试样的等效毛细管直径[6]。

　　滤材的透气率是又一个重要性能指标，测试方法是将干燥的气体通过试样，测出200 Pa时的流量，将流量除以气体通过的有效面积即为透气率。目前，进口的孔径测试仪价格昂贵，而且对测试的试样尺寸有严格要求，无法测试大面积的试样，尚无关于孔径测试机构造或控制的相关文献报道。

　　本研究完成了滤材透气率孔径测试机控制系统的设计与实施，测试机采用西门子Ｓ７－１２００ＰＬＣ作为控制器，介绍了设备的主要机械部件、测试流程和软件设计。通过大量的试验研究了影响测试结果确性的因素，为全张试样的质量评估提供技术支持。

　　1气泡法测试原理

　　气泡法以毛细管压力的物理现象为基础。如图２所示，当试验液浸湿且充满滤材纤维间空隙时，由另一端充入洁净空气，气体取代孔中液体时的瞬间，测量其取代过程所需压力。若与该压力相对抗的液体表面张力（包含液面高度）与其相等，就能合理地表征孔的尺寸。图２所示微孔孔径模型说明，当气泡与孔周边界分离前一瞬间可把量ＦＧ和ＦＬ视作衡。ＦＧ起因于孔内压力，作用在气泡或孔的垂直面上，总压力ＦＬ由分布在孔周边上的液体表面张力和液面高度产生［７－１１］。

　　2设备机械结构

　　测试机的关键部件是气室，其结构示意图如图３所示，图４所示为设备整体外观。空气压缩机出来的空气，首先经过开关球阀，再经过调节器（电动针阀）进入下气室，试样被压紧在上下气室之间，进行良好的密封，两个压差计分别用于测量下气室、上气室与大气压的压差Ｐ１与Ｐ２，再将Ｐ１减去Ｐ２，便得到下气室与上气室的压差，上气室出口处设有两个高精度气体流量计，一个用于测泡点，另一个用于测透气率。还有加液管连接至上气室，测泡点时，采用小型泵将液体从储液罐里抽至上气室，储液罐里装有液位计用于检测液位，当液位在一定的高度范围时才能进行测试，当液位低于一定值时，在触摸屏上进行报警提示。该设备可以测宽约１．２ｍ（气室运动方向）的试样，适应大块样品的测试，可手动或自动进试样。工作台上的滚珠丝杠用于控制气室左右移动，胶辊用于控制试样的前进后退，滚珠丝杆和胶辊均由步进电机驱动，其中，滚珠丝杆电机电源为２２０Ｖ交流，胶辊步进电机电源为直流３６Ｖ。在气室的左右极限位置设有光电开关和机械限位开关，到达左右极限位置的光电开关时，电机将停止运行，此外，机械限位开关被压下时，将断电，通过该双重限位保护，确保测试头运行安全。下气室采用气缸顶起，将试样压紧在上下气室之间，在下气室的支架上装有一个光电开关，用于检测下气室是否被顶起，当顶起时，测试头不能移动。测试头上有３个２４Ｖ的球阀，其中两个用于两个流量计的出气通道控制，另一个用于吹气控制，当做完泡点测试，气室有残液，通过除液泵将液体抽回储液罐，要测透气率时，需要先吹气将气室吹干，否则会影响透气率测试值的准确性。在上气室装有挡液装置，以防止液体被吹出至流量计处，因为质量气体流量计里面的通道一旦浸液，流量计的测量值将不准确。

　　３软件设计

　　３．１控制流程

　　该测试机可以实现多点连续测试，实现“一键操作”全自动测试。根据输入的试样长宽自动计算出９个中心点位置，可以全选９个点连续测试，也可选其中５点（第１、３、５、７、９点），还可以手动移动测试头到任意位置后点击任意点进行测试，各点的测试顺序如图５所示，采用这种顺序，可节省测试头的运行时间，提高测试效率。透气率测试时，在差压一定范围内时开始升压，当检测到压差大于或等于２００Ｐａ上升沿时即存取当前流量值，泡点压力自动测试流程如图６所示。

　　３．２Ｉ／Ｏ分配

　　主机为西门子Ｓ７－１２００１２１５Ｃ（ＤＣ／ＤＣ／ＤＣ），该控制器抗干扰能力强，运行可靠。使用Ｉ／Ｏ扩展模块ＳＭ１２２３以及模拟量输入模块ＳＭ１２３１，Ｉ／Ｏ分配如表１所示。３个步进电机驱动器的信号，采用３路高速脉冲输出Ｑ０．０、Ｑ０．２、Ｑ０．４。电磁阀、加液泵、除液泵以及各球阀均通过中间继电器与ＰＬＣ实行电气隔离。

　　３．３ＭＣＧＳ组态界面

　　选用昆仑通态（ＭＣＧＳ）ＴＰＣ１０６１Ｔｉ触摸屏作为人机界面，触摸屏和西门子ＰＬＣ通过以太网通讯。建立了主界面、参数设置、手动运行、报告４个用户窗口界面。图７所示为主界面，传感器输出值集中显示，在主界面即可手动操控；在手动界面中，可对测试头的移动、试样进退、球阀的开闭以及气缸的升降等进行手动控制；在参数界面，可修改加液时间、步进电机的运动速度等参数，测试结束后在报告界面可一键打印测试报告，在触摸屏中设置打印机相关选项，连接上打印机数据线。界面友好，操作简便，运行情况显示全面。

　　３．４程序编写

　　在该项目中，分测试、采集、坐标计算、步进电机、计算参数等程序块，坐标计算测试点目标点位移的计算在ＦＢ块中编写，测试头原点位于右端，靠近右光电开关，测试点横向３个点的横向间隔为试样宽度的１／４。在工艺对象中，对３个步进电机控制进行回原点等工艺组态。在ＦＣ块中，计算最大孔径和透气率值。

　　在测试程序块中，依据选择的运行模式（如泡点压力自动），按照测试流程，采用步进的编程方法进行编程，部分ＰＬＣ程序如图８～１０所示。

　　４测试验证与结果分析

　　４．１测试结果

　　用该测试机对公司含网的烧结毡样品进行测试，测试结果如表２所示。样品编号为２５～３３，样品规格为２５。该公司车间里现有的泡点测试设备靠人工调压测试，人工观察冒泡并读数，测试效率低，车间现有的透气率测定仪也无法实现多点自动测试，用车间现有的泡点测试设备和透气率测定仪分别对同一块样品进行测试，测试结果如表３～４所示。

　　测试结果对比表明，本测试机测试结果稳定准确。测试了９个点，透气率平均值为６００，与车间透气仪平均值５７９非常接近；初泡压力平均值１４４５，也与车间泡点压力测试仪平均值１４３２接近，标准差ＣＶ值为０．０２４，目前该测试机已在公司投入使用。

　　４．２因素分析

　　在对设备进行调试的过程中，总结出以下影响测试结果准确性的几个因素。

　　（１）气密性。在介质与上下气室接触的面上必须压紧，气缸的顶紧压力要合适，压力太小容易漏气，气体容易从试样的厚度方向流出，压力过大则可能在样品上留下明显压痕，影响样品的性能。

　　（２）测试液加液量。液面高度形成一定的压力，所加液体量必须稳定，加液偏多时，测出的泡点会偏大，加液偏少时，测出的泡点会偏小，加液高度在２ｃｍ左右为宜，对于渗透快的样品，加液量应适当增加。

　　（３）升压速度。升压太快会导致压差抖动，增大误差；如升压太慢，则加入的液体会慢慢向贴合面周围渗透，导致液体偏少，升压速度以１０～２０Ｐａ／ｓ为宜。

　　（４）流量计判断阈值。以１５ｍＬ／ｓ为判断依据具有很好的稳定性，如阈值太低，则可能由于流量计通道潮湿导致误判。

　　（５）测透气率时，必须保证气室里不能含有残液，否则残液掉到测试面上，被测介质被湿润后测得的透气率会偏小，因此，在测完泡点后必须将气室吹干。此外，要防止测透气率用的质量流量计因潮湿导致测量不准确，流量计的稳定性和准确性对测量结果至关重要。

　　５结语

　　本文介绍的测试机采用西门子Ｓ７－１２００ＰＬＣ作为控制器，采用ＭＣＧＳ触摸屏作为人机界面，界面友好，实现宽度约１．２ｍ大面积滤材多点的透气率和最大孔径无损伤测试，该测试机明显优势是能连续多点自动测试且适应大面积试样，测试稳定准确且高效，对全张试样的质量评估提供技术支持。

　　对影响测试结果准确性的因素进行了分析，主要因素包括：（１）介质与上下气室接触面的气密性，接触面必须压紧，使气体不从试样的厚度方向流出；（２）加液量，要保证加液量的稳定。（３）升压速度，升压太快会导致压差抖动，升压速度以１０～２０Ｐａ／ｓ为宜。以上对影响因素的研究，为测试机的开发与应用提供参考。

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