張 輝，張奕琛，孔吉海，李丞侃，朱金琪，王 靖

(1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)東凌經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083)

0 引言

皂膜流量計(jì)是一種采用“皂膜”動(dòng)態(tài)密封待測氣體的體積式流量計(jì)，與同種類型的濕式流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)和刮板流量計(jì)相比，所測氣源壓力很低(0～1 kPa)，氣量很小(0～60 L/min)，在流量測量、色譜檢測、氣體成分分析、環(huán)境監(jiān)測等方面應(yīng)用廣泛。電子皂膜流量計(jì)[1]雖然減少了人眼讀數(shù)和手動(dòng)計(jì)時(shí)的缺點(diǎn)，但在甄別連泡、滅泡和自動(dòng)計(jì)量方面仍無法滿足用戶要求。自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)[2](以下簡稱流量計(jì))彌補(bǔ)了這一缺陷，利用RS232串口的輸入與輸出針腳實(shí)現(xiàn)了光電傳感信號(hào)的監(jiān)測與驅(qū)動(dòng)開關(guān)的控制，完成了測量數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄與保存，為用戶提供了廉價(jià)可靠的測量方法。為了使用戶充分掌握并靈活應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，對使用技巧、電路設(shè)計(jì)和程序代碼進(jìn)行詳盡的解析與探討。

1 自動(dòng)產(chǎn)泡原理

如圖1所示，流量計(jì)采用“山”形連通結(jié)構(gòu)。左側(cè)為一豎直玻璃管，通過該管向皂管中添加皂液，稱為加液管，由于加液管與皂管底部相通，上部為大氣壓，在皂液重力作用下兩管液面保持水平。從左側(cè)添加皂液，一方面由于加液管內(nèi)徑較小，可以精確控制皂管內(nèi)液位的上升高度；另一方面加液過程中產(chǎn)生大量的液泡不會(huì)進(jìn)入到皂管內(nèi)，避免了測量開始時(shí)的連泡現(xiàn)象。如果加液管在底部通過軟管與皂管相連，則可以通過調(diào)節(jié)加液管的高度對皂管進(jìn)行潤濕。中間為皂管，用戶可根據(jù)JJG 586—2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，皂管右邊為進(jìn)氣口，通過軟管與待測氣源相連。右側(cè)是控制皂管內(nèi)液位上升和下降的液位管，在液位管的上方安裝有推拉式電磁鐵，電磁鐵的中央芯棒與重錘相連。當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，芯棒由于彈簧的作用位于上升位，重錘浮于皂液上方，如圖1(a)所示，液位低于皂管進(jìn)氣口下沿，待測氣體直接進(jìn)入皂管，從出口排出；當(dāng)電磁鐵加電時(shí)，芯棒帶動(dòng)重錘下沉，浸入皂液中，液位上升，淹沒皂管進(jìn)氣口，氣體被堵塞在入口處，如圖1(b)所示；待液位穩(wěn)定后，電磁鐵斷電，重錘提升，液位下降，此時(shí)產(chǎn)生皂膜?？梢酝ㄟ^圖1中①～⑩清晰了解皂膜的產(chǎn)生過程。皂液在上升過程中，逐漸堵住氣體的去路，由于氣體的壓力作用，在皂液中產(chǎn)生鼓泡，如圖1中③所示，隨著液位的上升，鼓泡受到水的靜壓力增大，鼓泡變小；當(dāng)液位下降時(shí)，水的靜壓力越來越小，鼓泡又重新長大，當(dāng)液位剛低于進(jìn)氣口上沿時(shí)，如圖1中⑥所示，氣體僅受到皂液表面張力的作用，開始產(chǎn)生皂泡，液位進(jìn)一步降低，皂泡從液面“剝離”，形成平行于液面的皂膜，如圖1中⑩所示，這種由“泡”變“膜”的過程是在液位下降過程中形成的，因此，必須保證重錘有足夠的體積浸入皂液中，使液位升至高于皂管進(jìn)氣口上沿位置，否則無法形成對氣體的密封。

圖1 自動(dòng)產(chǎn)泡過程示意圖

此外，專利[3]中采用圓柱形重錘擠壓液體會(huì)造成皂液大量“飛濺”，由于圓柱形底面為平面，推拉式電磁鐵上電后急速推動(dòng)重錘擊打液面，飛濺的液體一方面滴落在電磁鐵上，容易燒損和腐蝕線圈，另一方面造成皂管內(nèi)液體減少，液位降低，需要定期調(diào)整液位管的高度，不利于產(chǎn)泡的自動(dòng)化，因此，此處將“圓柱”形重錘改為“水滴”形重錘，減少了瞬間擊打液面時(shí)的阻力，解決了上述問題。

2 電路設(shè)計(jì)

圖2為流量計(jì)整體結(jié)構(gòu)示意圖，加液管僅在最初添加皂液時(shí)使用，故在本圖中省略。液位管通過升降臺(tái)自由上升與下降，用于調(diào)整皂管內(nèi)液位高度。

圖2中右下角為PC機(jī)，可直接通過RS232接口或USB轉(zhuǎn)RS232接口[4]與電路板相連；右上角為實(shí)驗(yàn)用電路板，其左側(cè)連接了降壓模塊與繼電器，下方連接了可調(diào)開關(guān)電源與手動(dòng)按鈕。

圖2 自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 供電電源

可調(diào)開關(guān)電源將220 V交流電轉(zhuǎn)換為4～24 V直流電，用戶根據(jù)所選推拉式電磁鐵的電壓需求(本文為6 V)調(diào)整開關(guān)電源的輸出，電壓值通過數(shù)碼管顯示讀出；6 V直流電經(jīng)過電路板輸出給降壓模塊，達(dá)到5 V后再輸入給電路板，此時(shí)的電壓為光電傳感器和繼電器控制端工作電壓。

2.2 皂膜信號(hào)傳感

皂膜信號(hào)傳感分為上光電傳感器和下光電傳感器，如圖3所示。每個(gè)傳感器包括發(fā)送端和接收端，分別置于皂管的兩側(cè)，沿直徑方向布置。

圖3 自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)電路板原理設(shè)計(jì)圖

以下光電傳感器PE_DOWN為例，發(fā)送端為紅外發(fā)射器，分別連接DOWN_IN和GND端子，供電電壓為+5 V，通過調(diào)整電位器R_DOWN_EMITER_1K的阻值限制輸入電路的電流強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)發(fā)射器的光強(qiáng)，由于皂管壁的材質(zhì)、厚薄以及皂液的種類不同，導(dǎo)致匹配的發(fā)射光強(qiáng)也發(fā)生變化，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)協(xié)；接收端連接5V+、GND和DSR端子，5V+與DSR間并聯(lián)了2路分支，一路為R_DOWN_1K電位器，另一路為R_BLUE_1K電位器和LED_DOWN_BLUE蘭色發(fā)光二極管，當(dāng)皂膜擋住發(fā)射端的紅外光時(shí)，DSR電平拉低，此時(shí)LED_DOWN_BLUE發(fā)出蘭光。從圖3可以看出，蘭色二極管對應(yīng)激發(fā)電壓高，應(yīng)減少R_BLUE_1K分壓電阻值，而紅色二極管激發(fā)電壓低，需降低R_RED_1K分壓電阻值，從而改變發(fā)光二極管的亮度；通過改變R_DOWN_1K電阻的大小可調(diào)節(jié)接收端對光的靈敏度。DSR與RS232的第6根引腳相連[5]，通過上位機(jī)讀取串口引腳狀態(tài)信號(hào)。同理，PE_UP上光電傳感器由RS232的第8根引腳CTS傳至上位機(jī)，采用紅色發(fā)光二極管進(jìn)行狀態(tài)顯示，皂膜擋住光路，CTS電平拉低，紅色發(fā)光二極管亮；皂膜離開光路，CTS恢復(fù)5 V高電平，紅色發(fā)光二極管滅。

2.3 重錘自動(dòng)與手動(dòng)控制

重錘采用自動(dòng)與手動(dòng)2種方式控制。圖3中，6 V電壓一路經(jīng)過BUTTON連接外部按鈕，當(dāng)人工按下按鈕時(shí)，BUTTON短路，6 V電壓經(jīng)過粗實(shí)線“-”為電磁鐵供電；另一路經(jīng)過圖中虛線“--”連至外部繼電器模塊的COM(Common)公共端和NO(Normally Open)常開觸點(diǎn)，由繼電器控制端決定COM和NO端子是否短路，繼電器控制端由上位機(jī)通過RS232的第7引腳RTS狀態(tài)決定。當(dāng)RTS高電平時(shí)，經(jīng)過R_DZ分壓電阻分壓后，在D_ZENER穩(wěn)壓管兩側(cè)形成穩(wěn)定輸出電壓，在R_DZ和D_ZENER之間取出電壓，輸入到RELAY_IN的IN端點(diǎn)，繼電位控制端處于高電平，COM和NO端點(diǎn)短路閉合，為推拉式電磁鐵供電；反之，當(dāng)RTS低電平時(shí)，IN電平降低為GND，繼電器控制端電平被拉低，COM和NO端點(diǎn)開路斷開，電磁鐵斷電。PCB印刷電路板實(shí)物如圖4所示，為了便于絲印，圖4中符號(hào)較圖3進(jìn)行了簡化。

圖4 自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)印刷電路板實(shí)物圖

3 代碼剖析

圖5為流量計(jì)軟件設(shè)計(jì)主體流程對應(yīng)的N-S圖，(A)為變量初始化，包括變量的定義與賦初值；C大為循環(huán)檢測下、上光電傳感信號(hào)的程序；C中下和C中上段程序分別對應(yīng)下、上光電傳感器下降沿、平臺(tái)和上升沿的檢測；C小↑和C小↓分別檢測脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿。程序中變量如圖6所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)主體流程N(yùn)-S圖

圖6 軟件界面各控件命名示意圖

程序核心代碼如下：

While bRun ′循環(huán)標(biāo)志為True，進(jìn)入循環(huán)

DoEvents ′可以接受其它響應(yīng)事件，如鼠標(biāo)點(diǎn)

bTimeOutFlag=False ′賦初值，表示皂膜沒有超時(shí)

nTimeOut=Val(comboTimeOut.Text)* 1000

If bSwitch And bRun Then′如果是下限光電傳感器，

bHighToLow=False′沒有高電平到低電平的跳變

bLowToHigh=False′沒有低電平到高電平的跳變

While(bHighToLow=False Or bLowToHigh=False)And bRun ′沒有高到低和低到高跳變，無皂膜通過，一直循環(huán)檢測

DoEvents ′可以接受其它響應(yīng)事件

bDSRStatus=MSComm232.DSRHolding ′ 檢測DSR電平

If optionAuto.Value=True Then ′選擇了自動(dòng)產(chǎn)膜功能

nFoamFilmProduceTickBegin=GetTickCount()

End If ′自動(dòng)產(chǎn)膜記時(shí)開始

Do While(bDSRStatus And bHighToLow=False)And bRun ′當(dāng)DSR電平為高電平，沒有經(jīng)過由高到低的跳變

DoEvents ′可以接受其它響應(yīng)事件

If optionAuto.Value=True Then ′如果是自動(dòng)產(chǎn)膜

If(GetTickCount()-nFoamFilmProduceTickBegin)>5000 Then ′檢測產(chǎn)膜時(shí)間，如果超過了5 s

MSComm232.RTSEnable=True ′ 7引腳輸出高電平

shapeAutoValve.BackColor=&H8000& ′指示燈綠色

TimeDelay(3000)′延時(shí)2 s，給機(jī)械裝置一個(gè)動(dòng)作時(shí)間

MSComm232.RTSEnable=False ′7引腳輸出低電平

shapeAutoValve.BackColor=&HFF& ′燈紅色，閥門關(guān)

nFoamFilmProduceTickBegin=GetTickCount()′重計(jì)時(shí)

End If

End If

If MSComm232.DSRHolding=False And bRun Then

bDSRStatus=False ′6引腳為FALSE，低電平

bHighToLow=True ′經(jīng)過了高電平到低電平的跳變

shapeDownLight.BackColor=&H8000&′燈綠色，膜擋住路

Exit Do ′退出do循環(huán)，皂膜進(jìn)入下限光電傳感器光路區(qū)域

End If

Loop ′完成下限光電傳感器上升沿的檢測

Do While(bDSRStatus=False And bLowToHigh=False)And bRun ′檢測電平由低到高的跳變，上升沿信號(hào)

DoEvents ′可以接受其它響應(yīng)事件

If MSComm232.DSRHolding=True And bRun Then

bDSRStatus=True ′第6引腳狀態(tài)賦值為TRUE

bLowToHigh=True ′經(jīng)過低電平到高電平的跳變

shapeDownLight.BackColor=&HFF& ′指示燈為紅色

Exit Do ′退出當(dāng)前do循環(huán)，皂膜離開下限光路區(qū)域

End If

Loop

Wend

If(bHighToLow And bLowToHigh)Then

bSwitch=False ′將處理過程轉(zhuǎn)向上限光電傳感器

nTickBegin=GetTickCount()′開始計(jì)錄皂膜的行進(jìn)過程

nFoamBeginCounter=nFoamBeginCounter + 1 ′皂膜記數(shù)加1

txtCountBegin.Text=CStr(nFoamBeginCounter)′皂膜個(gè)數(shù)

txtDataList.Text=txtDataList.Text +

Format(CStr(nFoamBeginCounter)，“0000”)+ Space(2)

+Format(Time()，“HH:MM:SS”)′對應(yīng)皂膜個(gè)數(shù)及開始時(shí)間

End If

End If ′完成下限傳感器DSR第6引腳探測皂膜

If bSwitch=False And bRun Then ′如果是上限光電傳感器

bHighToLow=False ′沒有發(fā)生過從高電平到低電平的跳變

bLowToHigh=False ′沒有發(fā)生過從低電平到高電平的跳變

While(bHighToLow=False Or bLowToHigh=False)And bRun And((GetTickCount()-nTickBegin)< nTimeOut)

DoEvents ′可以接受其它響應(yīng)事件

bCTSStatus=MSComm232.CTSHolding ′檢測CTS第8引腳

Do While(bCTSStatus And bHighToLow=False)And bRun And((GetTickCount()-nTickBegin)< nTimeOut)

DoEvents ′可以接受其它響應(yīng)事件

If MSComm232.CTSHolding=False And bRun Then

bCTSStatus=False ′CTS狀態(tài)置為False，為低電平

bHighToLow=True ′皂膜到達(dá)了上限光電傳感區(qū)域

dbTimeElapse =(GetTickCount()-nTickBegin)/ 1000

tEndTime=Time()′記錄皂膜進(jìn)入上限光電區(qū)域時(shí)刻

shapeUpLight.BackColor=&H8000& ′指示燈顯示為綠色

Exit Do ′完成下降沿檢測，退出當(dāng)前循環(huán)

End If

Loop

Do While(bCTSStatus=False And bLowToHigh=False)

DoEvents ′可以接受其它響應(yīng)事件

If MSComm232.CTSHolding=True And bRun Then

bCTSStatus=True ′CTS狀態(tài)置為True，電平為高電平

bLowToHigh=True ′皂膜離開了上限光電傳感區(qū)域

shapeUpLight.BackColor=&HFF& ′指示燈顯示為紅色

Exit Do ′完成上升沿檢測，退出當(dāng)前循環(huán)

End If

Loop

Wend ′完成了下限光電檢測

If(bHighToLow And bLowToHigh)Then

bSwitch=True ′換向開關(guān)置為True，控制權(quán)交給下限光電

nFoamEndCounter=nFoamEndCounter + 1 ′成功皂膜數(shù)加1

txtCountEnd.Text=CStr(nFoamEndCounter)′成功皂膜個(gè)數(shù)

Dim tempData As Double

tempData=Val(txtHeight.Text)* 60 / dbTimeElapse

ReDim Preserve dbFlowData(nFoamEndCounter)

dbFlowData(nFoamEndCounter-1)= tempData

txtFlow.Text=Format(CStr(tempData)，“##.00”)

txtAccumulateVolumn.Text=Format(CStr(Val(txtHeight.Text)* nFoamEndCounter)，“#0.00”)+ “-” + Format(CStr(Val(txtHeight.Text)* nFoamBeginCounter)，“##.00”)′顯示累積體積值

txtDataList.Text=txtDataList.Text + Space(2)+ Format(tEndTime，″HH:MM:SS″)+ Space(2)+ Format(CStr(dbTimeElapse)，″0.000″)+ Space(6)+ txtFlow.Text + Space(11)+ txtAccumulateVolumn.Text + vbCrLf ′記錄膜滅時(shí)間、瞬時(shí)流量及累積體積

Else ′膜在中間破裂，或者速度太慢，超過了時(shí)間設(shè)定值

bSwitch=True ′換向開關(guān)為True，控制權(quán)交給下限光電

txtAccumulateVolumn.Text=Format(CStr(Val(txtHeight.Text)* nFoamEndCounter)，″#0.00″)+ ″-″ + Format(CStr(Val(txtHeight.Text)* nFoamBeginCounter)，″##.00″)

txtDataList.Text=txtDataList.Text + Space(2)+ Format(″--:--:--″)+ Space(2)+ Format(″----″)+ Space(6)+ Format(″------″)+ Space(12)+ txtAccumulateVolumn.Text + vbCrLf ′記錄中間結(jié)果

End If

End If ′完成一個(gè)循環(huán)的檢測

Wend ′進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)

4 流量測定

圖7為采用上述電路和程序得到的氣體流量曲線圖，將上、下光電傳感器置于皂管不同位置，使兩傳感器之間的有效體積分別為10、25、40 mL。

圖7 不同皂管長度氣體流量測定結(jié)果對比面

從圖7可以看出，10 mL曲線中斷點(diǎn)較少，說明連續(xù)測量過程中皂膜能夠正常通過下、上光電傳感器，所受阻力較小，測得的值基本保持不變；25 mL時(shí)，“○”曲線斷點(diǎn)開始增加，此時(shí)由于皂膜經(jīng)過的距離較長，膜逐漸變薄，經(jīng)過上光電傳感器時(shí)間更短，難以捕捉，并且延長距離使皂膜阻力增大，測得流量值有減小趨勢；40 mL時(shí)，這一現(xiàn)象更為顯著，流量值斷點(diǎn)增多，從圖7中“★”曲線可以清晰看出，流量值下降更為明顯。通過連續(xù)測量可以獲得3種曲線的變化規(guī)律，體現(xiàn)了自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

通過分析皂膜的產(chǎn)生過程，開發(fā)了自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)，在避免連泡和皂液飛濺方面進(jìn)行了改進(jìn)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)給出了自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)與電路，分析了其靈活的調(diào)節(jié)特性；

(2)通過程序?qū)崿F(xiàn)了皂膜的自動(dòng)檢測和自動(dòng)產(chǎn)泡，以檢測電平上升沿和下降沿為核心優(yōu)化了代碼；

(3)對不同檢測區(qū)間進(jìn)行了氣體流量的測量，皂管越長，流量測量值下降越明顯，上光電傳感器越難以捕捉皂膜。

后續(xù)將采用自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)對不同種類皂液、不同濃度皂液、是否持續(xù)潤濕等展開系列研究，將在后續(xù)論文中進(jìn)行論述。