CN101169360A - 粉粒物料自动定量流动性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉粒物料自动定量流动性测试装置及方法，由机械部分、微机测试系统硬件和软件三部分组成，其中机械部分包括料仓、机架、自流输送部分、振动输送部分和称重台架，针对粉粒物料在重力作用下的自然流动和在外力作用下的输送流动两种情况，确定流动速率和流动流量变化率作为流动性动态评价指标，通过对两种情况下流动速率和流动流量变化率测量，实现对粉粒物料自动定量流动性分析，本发明可以对不同粉粒物料、在不同生产环境和设备结构材料下，流动的稳定性、快速性进行测量，从而分析物料特性、环境因素、定量装置对粉粒物料流动性影响，为研究自动定量、提高自动定量性能提供理论依据和实验数据。

Description

粉粒物料自动定量流动性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种粉粒物料自动定量流动性测试装置及方法，属于物料特性检测技术领域，用于对粉粒物料在自动定量过程中流动的稳定性和快速性测量。

背景技术

在粉粒物料自动定量过程中，需要对物料进行输送、加料、称重、充填投料等操作。由于粉粒物料种类繁多、物料物理化学性能不同，表现出不同流动性，并且随着生产环境、条件和设备结构材料不同，物料流动性会发生变化。物料流动性不同或者变化，定量过程中物料输送或者加料快速性和稳定性不同，将会影响定量速度和准确度。因此在研究粉粒物料自动定量方法、设计自动定量装置或者系统中，必须开展粉粒物料定量流动性测试分析，分析物料特性、环境因素、定量装置对粉粒物料流动性影响，为研究自动定量、提高自动定量性能提供理论依据和实验数据。

目前，对粉粒物料运动机理认识得还不深，据估计，在相关的工业部门，例如粉末冶金、医药、化学等工业，单由输送颗粒材料遭遇的问题所带来的工业设备利用能力的浪费就高达40％，远没有达到优化设计和节能的要求。颗粒流动的研究始于20世纪50年代，Bagnold做了蜡球在甘油、酒精和水溶液中的同轴剪切流变仪试验研究，这是最早揭示颗粒摩擦应力本构关系的研究。20世纪70年代以后，人们开始对颗粒流动的物理机制发生了兴趣，颗粒流动的研究进入一个蓬勃发展阶段，此后不久建立起颗粒流动的运动理论(kinetic theory)模型。进入20世纪90年代以后，人们从构建散状物料的本构关系上入手，建立数学、力学模型，借助于计算机技术来模拟散状物料流动特性。同时采用更先进的实验手段，观察实际流动中自发无序混合、指进、非均匀尺寸颗粒的偏聚等状况，大大加深了对颗粒流动机制认识。

目前颗粒流动研究主要方法有实验方法和数学模型计算机模拟分析法两种。从目前研究现状看，利用离散单元仿真方法研究粉粒物料流动性是主要发展趋势，但是，计算机模拟研究还非常粗糙，需要将流动颗粒外形简化成规则形状，边界条件简化成易于处理的规则形状。因此，散状物料流动机理尚需进一步研究探索，目前在工农业生产中比较实用的还是实验方法。

目前粉粒物料流动性的实验测量方法有静态法和动态法。静态法有休止角法、内磨擦角法、壁磨擦角法和滑角法等；动态法有漏斗小孔流出速度法、旋转圆筒法、记录式粉末流速计法、旋转式粘度计法等。很长一段时期都是简单地根据粉体的休止角(又称安息角)来预测粉粒物料的流动性能，这种办法带有较大的经验性，往往在实际单元操作中，流动情况很不理想，如在料仓中产生严重的堵塞(结拱或形成管斗)。后来Carr提出了一套比较全面的表征粉体流动情况的办法，叫做流动指数，虽然比用休止角有所改进，但仍脱离不了经验性。美国学者Jenike根据粉体力学的有关原理，提出了粉体的连续介质塑性模型，并发展了流动——不流动的判据，用有效内摩擦角、内摩擦角、壁摩擦角、容重和无侧界屈服强度等5个性能指标来表示流动性能，它们可以用流动性能测定仪直接或间接测出。

粉粒体流动性实验测定装置大致可分为两大类，即剪切类和流动类。剪切类测量装置主要是测量切向应力与法向应力之间的关系，这类装置中有代表性的有直接剪切仪、Jenike剪切仪等。流动类是通过测量一定条件下粉粒物料流动速率或流出时间来表征粉粒体的流动性，较具代表性的测量方法有漏斗流出时间法、Carr百分法和狭缝流速测定仪等。

目前国内对粉粒物料流动性实验法研究主要是测定金属粉末流动性的流速漏斗法和测定药物粉末流动性的休止角法。此外胡庆轩等在1999年根据国外文献报道，建立了一套测定与粉体流动有关的，用休止角、刮铲角、压缩度和凝集度4项参数来综合评价粉体流动性的Carr粉体流动性测定装置和方法。

总体来说，目前粉粒物料流动性研究主要针对工农业生产中仓体卸载和输送过程，常用静态指标休止角、内摩擦角，或者流动综合指数作为流动性评价指标，不便于工程设计计算，而漏斗流速或者流出时间法尽管是一种动态指标，但不够准确全面。专门针对自动定量过程粉粒物料流动性测试分析，从可以查阅的文献资料来看，尚未见报道。

发明内容

本发明针对目前粉粒物料在自动定量过程中流动性测试装置的缺乏、以及流动性测试方法的不足，提供了一种粉粒物料自动定量流动性测试的装置及方法，解决了粉粒物料自动定量过程流动的稳定性和快速性的测量问题。

本发明装置采用的技术方案是：由机械部分、微机测试系统硬件和软件三部分组成，其中机械部分包括料仓、料仓下方的机架、设置在机架内部左右两侧的自流输送部分和振动输送部分以及设置在机架底部中间的称重台架；微机测试系统硬件包括微机部分、称重检测部分和振动给料器控制部分。

本发明方法采用的技术方案是：针对粉粒物料在重力作用下的自然流动和外力作用下的输送流动两种情况，通过微机测试系统测试确定流动速率和流动流量变化率作为粉粒物料自动定量流动性动态评价指标，通过对粉粒物料在自流输送部分的自然流动和振动输送部分的输送流动两种情况下流动速率和流动流量变化率测试计算，实现对粉粒物料自动定量流动性分析。

本发明装置结构简单，且对应了粉粒物料自动定量流动性测试方法，可以对不同粉粒物料、在不同生产环境条件和设备结构材料下，物料流动的稳定性、快速性进行全面测量，从而分析物料特性、环境因素、定量装置对粉粒物料流动性影响，为研究自动定量、提高自动定量性能提供理论依据和实验数据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明测试装置的机械结构示意图；

图2是图1的测试装置微机测控系统组成结构示意图；

图3是图1的测试装置微机测控系统工作流程图；

图4是图1中物料重力自然流动性测试功能程序框图；

图5是图1中外力驱动物料流动性测试功能程序框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的粉粒物料自动定量流动性测试装置，由机械部分、微机测试硬件和软件三部分组成，其中，机械部分包括料仓1、机架2、自流输送部分3、振动输送部分4和称重台架5五部分，料仓1左右下部分别设有左出料口14、左出料控制阀13、右出料口12、右出料控制阀11；自流输送部分3包括与左出料口14依次连通的自流导料管31和自流输送槽32，设置在自流输送槽32上的自流料厚调节器33、自流输送槽32通过倾角调节杆34悬挂在机架2内左上方。振动输送部分4包括与右出料口12连通的振动导料管41、在振动导料管41下方互相不接触的给料槽43、设置在给料槽43下方的振动给料器42和支撑板45；在给料槽43上设置给料厚调节器44；称重台架5包括上方的称盘51、中间的支撑台架52和下方的底座54、称重传感器53安装在支撑台架52的一侧；自流输送槽32和给料槽43流出料落在称盘51上。

测试装置机械部分各部分作用及位置关系描述如下：自流输送部分3的自流输送槽32通过自流输送倾角调节杆34悬挂在机架2内左上方，自流导料管31直接安装在机架2内左上方；振动输送部分4位于机架2右侧，振动导料管41直接安装在机架2内右上方，振动给料器42直接安装在机架2内右方，给料槽43安装在振动给料器42上方，振动导料管41下料口位于给料槽43右上方，并互相不接触；称重台架5安装在机架2内中间部分，并使得自流输送槽32和给料槽43流出料能够全部落在称盘51上；料仓1安装在机架2外上方，使得料仓1左出料口14位于自流导料管31上部，右出料口12位于振动导料管41上部，料仓1左出料口14和右出料口12可以通过左出料控制阀13、右出料控制阀11打开或者关闭。另外，自流导料管31和导料管41可以更换大小、长度不同的备件。

测试装置微机测试系统硬件组成结构示意图如图2所示，包括微机(或者单片机)、称重检测和振动给料器控制三部分组成。其中，微机部分包括主机、键盘、显示器、输入接口、输出接口等；称重检测部分包括称重传感器电源、称重信号调理电路、称重信号采集电路、模数转换电路等；振动给料器控制部分包括控制信号电平转换电路、驱动放大电路、振动给料器可控硅控制电路、振动给料器电源电路等。

测试装置微机测试系统软件总体工作流程图如图3所示，包括系统初始化程序、键盘扫描处理程序、显示器刷新驱动程序、参数设定修改保存程序、称重检测去皮标定程序、振动给料器控制设定程序、物料重力自然流动性测试功能程序、外力驱动物料流动性测试功能程序和测试结果处理保存输出程序等。其中，物料重力自然流动性测试功能程序框图如图4所示，外力驱动物料流动性测试功能程序框图如图5所示。物料重力自然流动性测试功能程序包括：装入初始参数、称重初始化、称重及加料开始判断、保存显示一次有效数据、间隔时间定时判断及测试有效数据点数判断等程序。外力驱动物料流动性测试功能程序包括：装入初始参数、称重初始化、控制振动器加料工作、称重及加料开始判断、保存显示一次有效数据、间隔时间定时判断、测试有效数据点数判断、控制振动器停止加料工作等程序。

本发明所述的粉粒物料自动定量流动性测试方法，首先，针对粉粒物料自动定量性能主要体现在自动定量速率和准确度，它们与粉粒物料流动稳定性和快速性直接相关，确定流动流量变化率和流动速率为流动性评价指标；其次，根据粉粒物料在自动定量过程存在自然流动和外力驱动物料流动两种情况，提出通过物料重力自然流动性测试方法和外力驱动物料流动性测试方法，分别测量自然流动和外力驱动物料流动情况下流量变化率和流动速率；最后实现对粉粒物料自动定量流动性测量和分析。具体如下：

(1)粉粒物料自动定量流动性评价指标确定

目前自动定量不管是容积式、称重式，还是组合式，自动定量性能主要包括自动定量快速性和准确性。一方面粉粒物料流动快速性越好，即流动速率越大，自然越有利于提高自动定量速率，自动定量用于包装或者配料混合生产效率越高；另一方面，粉粒物料流动稳定性越好，即流动流量变化率越小，越有利于提高自动定量准确度，降低自动定量误差，自动定量用于包装的损失越小，用于配料混合生产质量越高。因此确定粉粒物料自动定量流动性评价指标为流动速率和流量变化率。它们定义如下：

流动速率V，定义为单位时间内粉粒物料流动流量，单位为g/s，表示流动快速性。

流动流量变化率Δ_V，定义为单位时间内粉粒物料流动流量变化量，单位为g/s，表示流动稳定性。

(2)物料重力自然流动性测试方法

通过倾角大于内摩擦角和壁摩擦角的输送槽或者输送管，物料在重力作用下自然流动，由微机测试系统进行流动性测试，具体包括以下四方面：

第一，在单位间隔时间δ_t(单位为秒s)内通过对流动在称料盘上物料称重，得到一系列离散时间点称料盘上物料重量G_i(i＝1，2，3，……，G_i单位为克g)；

第二，在单位间隔时间δ_t对G_i求微分差，得到单位间隔时间内流动流量Q_i，即Q_i＝G_i+1-G_i(i＝1，2，3，……)；

第三，在单位间隔时间内对流动流量Q_i求平均得到流动速率V，即

V＝(∑Q_i)/n/δ_t；

第四，在单位间隔时间内对流动流量Q_i求最大变化范围，得到流动流量变化率Δ_V，即

Δ_V＝[max(Q_i)-min(Q_i)]/δ_t。

其中，i＝1，2，3，……，n，n是总测试点数减1，∑Q_i是n个Q_i累加和，max(Q_i)和min(Q_i)是n个Q_i中的最大值和最小值。

(3)外力驱动物料流动性测试方法

通过倾角小于内摩擦角和壁摩擦角的输送管或者输送槽，物料在外力驱动(如电磁振动力、皮带输送摩擦力或者气力等)作用下流动，由微机测试系统通过同样方法测试计算得到流动速率V和流动流量变化率ΔV。

本发明粉粒物料自动定量流动性测试实验具体步骤如下：

(1)物料重力自然流动性测试实验具体步骤，如图4所示：

第一步，调节装置：通过自流料厚调节器33调节自流输送槽32中输送料厚约在3mm到40mm之间；通过调节杆34调节自流输送槽32的自流输送倾角大于粒子休止角的某一角度；通过调节杆34调节自流输送槽32的下出口和与称盘51之间高度在30mm到100mm之间某一高度，如输送槽32中料厚小，高度可以取小些，如输送槽32中料厚大，高度必须取大些。

第二步，对微机测控系统进行称重设定：通过按键对称重台架5去皮标定；通过按键设定称重间隔时间、称重有效点数等流动性测试参数；通过按键使得微机测试系统进入物料重力自然流动性测试工作状态，等待物料流入称盘。

第三步，将料仓1左出料口14打开，右出料口12关闭，给料仓1加料进行测试。

第四步，测试结束，通过按键查看测试结果数据，进行必要数据处理和流动性分析。

(2)外力驱动物料流动性测试实验具体步骤，如图5所示：

第一步，调节装置：通过给料厚调节器44调节给料槽43中输送料厚约在3mm到40mm之间；通过调节振动导料管41大小和振动给料器底支撑板45高度，调节给料槽43出料口和与称盘51之间高度在30mm到100mm之间某一高度，如给料槽43中料厚小，高度可以取小些，如给料槽43中料厚大，高度必须取大些。

第二步，对微机测试系统进行称重设定：通过按键对称重台架5去皮标定；通过按键设定称重间隔时间、称重有效点数和振动给料器激振力等流动性测试参数；通过按键使得微机测试系统进入外力驱动物料流动性测试实验工作状态，等待物料流入称盘。

第三步，将料仓1左出料口14关闭，右出料口12打开，给料仓1加料进行测试。

第四步，测试结束，通过按键查看测试结果数据，进行必要数据处理和流动性分析。

Claims (9)

1.一种粉粒物料自动定量流动性测试装置，其特征在于：由机械部分、微机测试系统硬件和软件三部分组成，其中机械部分包括料仓(1)、料仓(1)下方的机架(2)、设置在机架(2)内部左右两侧的自流输送部分(3)和振动输送部分(4)以及设置在机架(2)底部中间的称重台架(5)；微机测试系统硬件包括微机部分、称重检测部分和振动给料器控制部分。

2.根据权利要求1所述的粉粒物料自动定量流动性测试装置，其特征在于：料仓(1)左右下部分别设有左出料口(14)及左出料控制阀(13)、右出料口(12)及右出料控制阀(11)；所述自流输送部分(3)包括与左出料口(14)依次连通的自流导料管(31)和自流输送槽(32)、设置在自流输送槽(32)上的自流料厚调节器(33)、自流输送槽(32)通过倾角调节杆(34)悬挂在机架(2)内左上方；所述振动输送部分(4)包括与右出料口(12)连通的振动导料管(41)、在振动导料管(41)下方互相不接触的给料槽(43)、设置在给料槽(43)下方的振动给料器(42)和支撑板(45)；在给料槽(43)上设置给料厚调节器(44)；所述称重台架(5)包括上方的称盘(51)、中间的支撑台架(52)和下方的底座(54)、称重传感器(53)安装在支撑台架(52)的一侧；自流输送槽(32)和给料槽(43)流出料落在称盘(51)上。

3.根据权利要求1所述的的粉粒物料自动定量流动性测试装置，其特征在于：所述微机部分包括主机、键盘、显示器、输入接口、输出接口；称重检测部分包括称重传感器电源、称重信号调理电路、称重信号采集及模数转换电路；振动给料器控制部分包括控制信号电平转换电路、驱动放大电路、振动给料器可控硅控制电路、振动给料器电源。

4.根据权利要求1所述的的粉粒物料自动定量流动性测试装置，其特征在于：微机测试系统软件部分包括系统初始化程序、键盘扫描处理程序、显示器刷新驱动程序、参数设定修改保存程序、称重检测去皮标定程序、振动给料器控制设定程序、物料重力自然流动性测试功能程序、外力驱动物料流动性测试功能程序和测试结果处理保存输出程序。

5.一种如权利要求1所述的粉粒物料自动定量流动性测试方法，其特征在于：针对粉粒物料在重力作用下的自然流动和外力作用下的输送流动两种情况，通过微机测试系统测试确定流动速率和流动流量变化率作为粉粒物料自动定量流动性动态评价指标，通过对粉粒物料在自流输送部分(3)的自然流动和振动输送部分(4)的输送流动两种情况下流动速率和流动流量变化率测试计算，实现对粉粒物料自动定量流动性分析。

6.根据权利要求5所述的粉粒物料自动定量流动性测试方法，其特征在于：物料经自流输送部分(3)时，通过倾角大于内摩擦角和壁摩擦角的输送槽(32)；物料经振动输送部分(4)时，通过倾角小于内摩擦角和壁摩擦角的给料槽(43)。

7.根据权利要求5所述的粉粒物料自动定量流动性测试方法，其特征在于：微机测试系统测试计算包括如下步骤：

(a)在单位间隔时间(δ_t，单位为秒s)内通过对流动在称料盘(51)上物料称重，得到一系列离散时间点称料盘上物料重量G_i(i＝1，2，3，……，G_i单位为克g)；

(b)在单位间隔时间δ_t内对G_i求微分差，得到单位间隔时间内流动流量Q_i，即Q_i＝G_i+1-G_i(i＝1，2，3，……)；

(c)在单位间隔时间内对流动流量Q_i求平均得到流动速率V，即V＝(∑Q_i)/n/δt；

(d)在单位间隔时间内对流动流量Q_i求最大变化范围，得到流动流量变化率Δ_V，即Δ_V＝[max(Q_i)-min(Q_i)]/δ_t；

其中，i＝1，2，3，……，n，n是总测试点数减1，∑Q_i是n个Q_i累加和，max(Q_i)和min(Q_i)是n个Q_i中的最大值和最小值。

8.根据权利要求5所述的粉粒物料自动定量流动性测试方法，其特征在于：物料经自流输送部分(3)时，依次包括如下步骤：

(a)调节自流料厚调节器(33)，调节自流输送槽(32)中输送料厚在3～40mm之间；通过调节杆(34)调节自流输送槽(32)的自流输送倾角大于粒子休止角的一个角度；通过调节杆(34)调节自流输送槽(32)的下出口和与称盘(51)之间高度在30～100mm；

(b)对微机测控系统进行称重设定：通过按键对称重台架(5)去皮标定；通过按键设定称重间隔时间、称重有效点数等流动性测试参数；通过按键使得微机测试系统进入物料重力自然流动性测试工作状态，等待物料流入称盘(51)；

(c)将料仓(1)左出料口(14)打开，右出料口(12)关闭，给料仓(1)加料进行测试；

(d)通过按键查看测试结果数据，进行数据处理和流动性分析。

9.根据权利要求6所述的粉粒物料自动定量流动性测试方法，其特征在于：物料经振动输送部分(4)时，依次包括如下步骤：

(a)调节料厚调节器(44)，调节给料槽(43)中输送料厚约在3～40mm之间；通过调节振动导料管(41)大小和振动给料器底支撑板(45)高度，调节给料槽(43)出料口和与称盘(51)之间高度在30～100mm；

(b)对微机测试系统进行称重设定，通过按键对称重台架(5)去皮标定，通过按键设定称重间隔时间、称重有效点数和振动给料器激振力等流动性测试参数；通过按键使得微机测试系统进入外力驱动物料流动性测试实验工作状态，等待物料流入称盘(51)；

(c)将料仓(1)左出料口(14)关闭，右出料口(12)打开，给料仓(1)加料进行测试；

(d)通过按键查看测试结果数据，进行必要数据处理和流动性分析。

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