一种流体跨膜压强自动测量装置及测量方法

1.本发明属于膜材料性能测试技术领域，尤其涉及一种基于plc控制的流体跨膜压强自动测量控制系统及检测装置。


背景技术：

2.多孔膜在废水处理、化学分析、能量储存和转换、柔性设备和生物医学工程等领域发挥着重要作用。随着基础材料科学和微纳米制造技术的快速发展，具有不同孔道结构和物理化学性质的多孔膜应运而生。在多孔膜材料的研究及应用中，膜的性能测试对于研究具有选择性的多孔膜是至关重要的。目前，针对多孔膜材料的性能测试主要集中于分离过程中膜渗透性参数和分离选择性参数的获取，往往忽略膜内部结构的特殊性，从而阻碍多孔膜材料在环保冶金、化学检测、微尺度流量控制等技术领域的拓展研究。
3.流体跨膜压强是指驱动流体(包括气体和液体)透过膜所需的压力，等于进液压力和过滤压力的差值，其数值取决于进液流速、流体介质、膜材料、膜结构等因素。孔径较小的膜所需的跨膜压强较大，在水温较低、通量较高以及膜的固体表面或膜内部受到污染时，跨膜压强较高。因此，跨膜压强的测量对多孔膜的可控持续分离性能分析具有重要意义。目前，现有的流体跨膜压强测量设备仍在起步阶段，存在构成碎片化、搭建成本高、操作复杂等缺点。由于膜材料在下游应用的多样化，实际测试应用过程中缺乏严谨科学的普适性测量系统及检测装置已成为阻碍多孔膜材料研究及应用的主要因素。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的，在于提供一种流量调节器。
5.本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
6.本发明针对流体跨膜压强测量研究中缺少实时数据监测、实验人员手动操作误差较大等问题，提供了一种基于plc控制的流体跨膜压强自动测量控制系统及检测装置，该种装置可实现全自动循环测量、测压点布置全面合理、运行稳定，满足多孔膜材料性能的多样化测试需求。
7.为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
8.一种流体跨膜压强自动测量装置，其特征在于，包括：跨膜压强阈值测试分析模块，恒压模块、流体输运模块、流体源单元和膜密封单元；其中
9.所述的膜密封单元具有一密封的通道，待测的膜设于该密封通道内，膜的一侧的通道连接膜密封单元输入通道，膜的另一侧的通道连接膜密封单元输出通道；
10.恒压模块同膜密封单元输出通道连接，所述的恒压模块包括恒压单元和流体源恒压信号反馈线路；
11.流体输运模块包括流体输入通道、膜密封单元输入通道、流体输出通道、膜密封单元输出通道和恒压模块输出通道；流体源单元连接流体输入通道，流体输入通道范围两个支路，一个支路依次为膜密封单元输入通道、膜密封单元、膜密封单元输出通道、恒压单元
和恒压模块输出通道，另一个支路为流体输出通道；
12.跨膜压强阈值测试分析模块包括流体输出控制单元、plc控制单元、流体输入检测单元、显示分析单元。
13.所述流体源包括但不限于气瓶、注射泵、蠕动泵；
14.所述plc控制单元由plc及其配套模块组成，与显示分析单元的通讯端口通过包括但不限于rs485、rs232端口相连；
15.所述流体输入检测单元包括但不限于压力传感器、电磁阀。流体输入检测单元通过膜密封单元输入通道连通膜密封单元，用于输送待测流体。流体输入检测单元与plc控制单元通过导线相连，接收plc控制信号实现流体可控输入膜密封单元；
16.所述流体输出控制单元包括但不限于电磁阀，流体输出控制单元中的电磁阀和plc控制单元通过导线相连，接收plc控制单元信号以实现流体可控输出；
17.所述膜密封单元包括但不限于多孔膜材料、或由多孔膜材料与多相流体形成复合材料、密封夹具、密封腔室、进出流体通道接头；
18.所述显示分析单元为人机界面，连接plc控制单元，流体输入检测单元采集压力信号交由plc处理数据，最后信号传送至显示分析单元来显示压力实时动态曲线。同时在人机界面中设置启动按钮、循环开关按钮、暂停按钮、变量逻辑等，以此对plc控制单元进行多功能控制操作；
19.所述恒压单元包括但不限于背压阀、电磁阀，通过管路与膜密封单元相连，能够自动或手动调节膜密封装置的压强，控制膜密封装置的恒压输出；
20.其中测试流体包括但不限于气体、液体、气液混合多相或含有复杂成分的流体。多孔膜材料包括但不限于微孔膜、超滤膜、反渗透等分离膜材料。
21.本发明的有益效果为：
22.1.本发明针对多孔膜膜材料性能测试，通过规范、合理集成流体源单元、plc控制单元、流体输入检测单元、流体输出控制单元、显示分析单元、膜密封单元和恒压单元，提供了一种流体跨膜压强测量的新系统、新方法。
23.2.plc控制单元的加入使得流体跨膜压强的自动测量成为可能，同时具备循环测试功能，减少测量过程对操作者的依赖。
24.3.循环测试功能可用于测试多孔膜材料的周期稳定性，拓宽多孔膜材料性能参数，可用于探究多孔膜结构设计在新领域应用发展的可能，
25.4.显示分析单元的加入使得数据可视化，可直接观察待测体系内部压强的动态变化等信息。
26.以下结合附图及实例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
27.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
28.图1为本发明实施例的流体跨膜压强自动测量控制系统结构示意图；
29.图2为本发明实施例的流体跨膜压强自动测量检测装置结构示意图；
30.图3为本发明实施例的测试结果示意图。
具体实施方式
31.以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
32.参考图1，一种基于plc控制的流体跨膜压强自动测量控制系统，包括：跨膜压强阈值测试分析模块010，恒压模块020、流体输运模块、流体源单元040、膜密封单元050，其中，
33.流体输运模块包括流体输入通道031、膜密封单元输入通道032、流体输出通道033、膜密封单元输出通道034和恒压模块输出通道035。流体源单元连接流体输入通道，流体输入通道范围两个支路，一个支路依次为膜密封单元输入通道、膜密封单元、膜密封单元输出通道、恒压单元和恒压模块输出通道，另一个支路为流体输出通道；
34.跨膜压强阈值测试分析模块010包括流体输出控制单元011(位于流体输出通道033上)、 plc控制单元012、流体输入检测单元013(膜密封单元输入通道032上)、显示分析单元014。
35.恒压模块020包括恒压单元021和流体源恒压信号反馈线路022、plc恒压信号反馈线路 023。
36.所述的膜密封单元050具有一密封的通道，待测的膜设于该密封通道内，膜的一侧的通道连接膜密封单元输入通道032，膜的另一侧的通道连接膜密封单元输出通道034；
37.恒压模块020同膜密封单元输出通道034连接；
38.测试时，将待测器件置于膜密封单元050中，通过膜密封单元输入通道032接入跨膜压强阈值测试分析模块010，通过膜密封单元输出通道034接入恒压模块020。
39.流体源单元040将测试流体经流体输运模块通过膜密封单元050，流体输入检测单元013 此时采集流体跨膜压强数据并回传给plc控制单元012，plc控制单元012进行数据处理经由显示分析单元014显示并分析所测跨膜压强数据，并且根据需求进一步对流体输出控制单元 011和流体输入检测单元013进行控制，调整流体输入状态，以测试并获得不同的跨膜压强阈值数据波形。因调整而释放的流体经流体输出通道033排出测试装置。
40.膜密封单元050经膜密封单元输出通道034连接恒压模块20，测试装置恒压体系的实现由恒压单元021实现，恒压单元可根据实验条件选择经由流体源恒压信号反馈线路022连接流体源单元040来实现流体源恒压，或经由plc恒压信号反馈线路021连接plc控制单元 012来实现plc恒压，或不外接线路来实现机械恒压，实现恒压时释放的流体经恒压模块输出通道035排出测试装置。
41.实施例1
42.参考图2，一种基于plc控制的流体跨膜压强自动测量检测装置，包括：注射泵1、膜密封器件2、人机界面3、plc 4、模拟量输入模块5、设备外壳6、开关电源7、压力传感器8、电磁阀9、pu管10、y型三通接头11、t型三通接头12、直通接头13。
43.从注射泵1接入的pu管10分成两条通路，一条连接输入通路电磁阀9，电磁阀9再连接t型三通接头12，t型三通接头12的其余两个出口分别连接压力传感器8和膜密封器件2 相连，另一条连接输出通路电磁阀14；压力传感器8的信号输出端口与模拟量模块5输入端口相连，plc 4的循环控制信号输出端口与两个电磁阀9端口相连，plc 4的通讯端口与人机界面3的通讯端口相连；开关电源7的输出电源分别与人机界面2、压力传感器8、模拟量输入模块5用导线相连进行供电。
44.选择一种由石蜡液体复合的聚丙烯多孔膜作为待测多孔膜材料，将待测多孔膜材
料放置在膜密封器件2中，注射泵1中装入空气作为测试流体，经过流体输入通道031、膜密封单元输入通道032输送膜密封器件2中。
45.压力传感器8采集膜密封单元输入通道032的压强信号，将采集得到的压强信号传给plc 4，plc 4进行数据处理经由人机界面3显示并分析流体流通或流过待测多孔膜得跨膜压强数据。例如图3(a)，测试由石蜡液体复合的聚丙烯多孔膜材料的流体跨膜压强数据记录图，数据曲线稳定时的压强数值即为平衡状态下的流体跨膜压强阈值。
46.为测试流体跨膜的周期稳定性，通过人机界面3中选择“循环”模式，由人机界面3发送信号给plc 4。进气阶段时，plc控制流体输入通路电磁阀9打开，输送测试流体(空气) 经膜密封单元输入通道032进入膜密封器件2中。当流体跨膜过程达到稳定后，plc控制流体输入通路电磁阀9关闭、流体输出通路电磁阀14打开，输送测试流体(空气)经流体输出通道033、直通接头13通入环境中。当人机界面3显示的动态压强数据降低到基线值并稳定一段时间后，一个周期结束，再进入下一个周期。例如图3(b)，测试由石蜡液体复合的聚丙烯多孔膜材料的动态稳定性，对流体三次周期循环过程中的跨膜压强数据记录图。该系统为测试功能性膜材料的跨膜性质及稳定性监测提供数据支撑。
47.以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。