CN102998160B - 应用一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置的测量湿型粘土砂含水量的方法 - Google Patents

Abstract

应用一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置的测量湿型粘土砂含水量的方法，属于铸造湿型粘土砂水分测量领域。解决了以往采用电容法测量湿型粘土砂含水量精度低的问题。采用圆柱形制样装置制作与主样筒的高度相等的砂样；将两根激励电极屏蔽线分别与并联电阻模型电路连接，通过两个激励电极屏蔽线给两个激励电极施加交流激励电压，断开开关K，砂样等效电阻R_x和电容C_x的并联连接，闭合开关K，砂样等效电阻R_x、电容C_x和一号电阻R₀并联；两种状态下，分别测量二号电阻R上的电压降u_o1和u_o2，求得C_x，再通过已有的湿型粘土砂电容C_x与含水量之间的关系，即可求得湿型粘土砂含水量。本发明适用于测量湿型粘土砂的含水量。

Description

应用一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置的测量湿型粘土砂含水量的方法

技术领域

本发明涉及的是铸造湿型粘土砂水分测量领域，具体是一种电容法测量湿型粘土砂含水量的装置及方法。

背景技术

含水量是湿型粘土砂的重要组分参数，也是对性能最为敏感的参数之一。含水量直接决定着湿型粘土砂质量的好坏，进而影响铸件的质量。因此，发展了很多测量湿型粘土砂含水量的方法，如电阻法、电容法、电感法、中子吸收法、微波法等。其中，电容法由于传感器和检测电路结构简单，成为目前最为常用的湿型粘土砂含水量在线电测量方法，它是在交流源激励作用下，通过测量湿型粘土砂的电容值，然后根据湿型粘土砂的含水量与电容值之间的已有关系来间接计算含水量的大小。然而，湿型粘土砂是由硅砂、膨润土、水、煤粉和多种添加剂组成的一种复杂的混合物，因此，湿型粘土砂中含有诸如粘土、煤粉、碳酸盐等不确定的电导因素，它们严重影响了电容值的准确测量，进而使电容法测量湿型粘土砂含水量的精度大大降低。为了准确测得湿型粘土砂的含水量，必须消除这些不确定电导因素的影响，通常的方法是通过提高激励源的频率来减小湿型粘土砂中电导的影响，但是不管频率怎样的提高，并不能完全消除湿型粘土砂的电导；而且，随着激励源频率的提高，集肤效应、邻近效应等一些寄生效应随之产生，这给检测电路的设计带来很大困难。

发明内容

本发明的目的是针对以往采用电容法测量湿型粘土砂含水量精度低的问题，提供应用一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置的测量湿型粘土砂含水量的方法。

一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置，它包括主样筒、次样筒、辅助样筒、两个半圆环形激励电极、圆环形隔离电极、隔离电极接地线和两根激励电极屏蔽线；

次样筒位于主样筒的正上方，辅助样筒套在主样筒和次样筒的外侧，且主样筒、次样筒和辅助样筒同轴；

主样筒的内壁上镶嵌有同型号的两个半圆环形激励电极，且两个半圆环形激励电极之间存在间隙；该两个半圆环形激励电极分别与两根激励电极屏蔽线电连接；

主样筒的外壁上覆盖有圆环形隔离电极，该圆环形隔离电极与隔离电极接地线电连接；

次样筒内径与内壁上嵌有激励电极的主样筒的内径Φin相同；

次样筒的外径Φout与圆环形隔离电极的外径相同。

一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置实现电容法测量湿型粘土砂含水量的方法，该方法中应用到的并联电阻模型电路包括一号电阻R₀、二号电阻R、开关K和电容C_x；该二号电阻R的一端接地，另一端分别作为并联电阻模型电路的一个输入端、同时与一号电阻R₀的一端和电容C_x的一端连接，一号电阻R₀的另一端与开关K的一端连接，所述开关K的另一端作为并联电阻模型电路的一个输入端、与电容C_x的另一端连接；所述电容法测量湿型粘土砂含水量的方法为：

步骤一、在圆柱形制样装置内装满待测粘土砂，并使用锤击法制得紧实度相同的湿型粘土砂砂样，该砂样的高度与主样筒的高度相等；

步骤二、将主样筒和辅助样筒分离；

步骤三、将两根激励电极屏蔽线分别与并联电阻模型电路的两个输入端连接，

此时主样筒内的砂样的电阻采用砂样等效电阻R_x表示；

步骤四、通过两个激励电极屏蔽线给两个激励电极施加频率为ω的交流激励电压u_i，并控制开关K断开或者闭合，在断开开关K状态，砂样等效电阻R_x和电容C_x的并联连接，在闭合开关K状态，砂样等效电阻R_x、电容C_x和一号电阻R₀并联；两种状态下，分别测量二号电阻R上的电压降u_o1和u_o2：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{o1}=\frac{R}{\frac{1}{1/R_x+{\mathrm{j\ωC}}_x}+R}\·u_i\\ u_{o2}=\frac{R}{\frac{1}{1/R_x+1/R_0+{\mathrm{j\ωC}}_x}+R}\·u_i\end{array}\right.,$

由u_o1和u_o2可分别求得C_x和R_x，即：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_x=\frac{\sqrt{\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}}(1+\frac{2R}{R_x})-\frac{R^2}{R_x^2}}{\mathrm{\ωR}}\\ R_x=\frac{\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}+\frac{R^2}{R_0^2}-\frac{(1+2R/R_0){\left|u_{o2}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o2}\right|}^2}}{2R(\frac{{\left|u_{o2}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o2}\right|}^2}-\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}-\frac{R}{R_0})}\end{array}\right.,$

根据上述两个公式求得C_x，再通过已有的湿型粘土砂电容C_x与含水量之间的关系，即可求得湿型粘土砂含水量。

本发明的优点是：设计的标准制样样筒可保证制得的湿型粘土砂砂样具有相同的紧实度和尺寸；激励电极最大限度的增大了电容器极板的面积；隔离电极有效隔离了外界干扰源；通过在湿型粘土砂砂样上并联由开关控制的电阻，可获得砂样的电压值，根据测得的电压可求得准确的湿型粘土砂电容值，有效避免了由于频率提高而带来的各种寄生效应。综上，本发明提供的方法大大提高了电容法测量湿型粘土砂含水量的精度。

附图说明

图1是本发明中一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置的结构示意图；

图2是本发明中并联电阻模型电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置，它包括，主样筒1、次样筒2、辅助样筒3、两个半圆环形激励电极4、圆环形隔离电极5、隔离电极接地线6和两根激励电极屏蔽线4-1；

次样筒2位于主样筒1的正上方，辅助样筒3套在主样筒1和次样筒2的外侧，且主样筒1、次样筒2和辅助样筒3同轴；

主样筒1的内壁上镶嵌有同型号的两个半圆环形激励电极4，且两个半圆环形激励电极4之间存在间隙；该两个半圆环形激励电极4分别与两根激励电极屏蔽线4-1电连接；

主样筒1的外壁上覆盖有圆环形隔离电极5，该圆环形隔离电极5与隔离电极接地线6电连接；

次样筒2内径与内壁上嵌有激励电极4的主样筒1的内径Φin相同；

次样筒2的外径Φout与圆环形隔离电极5的外径相同。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述的次样筒2的内径为50mm。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述的次样筒2与辅助样筒3之间的间隙为0.5mm。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述的主样筒1的轴向高度为50mm。

具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述的次样筒2的轴向高度为60mm。

具体实施方式六：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述的次样筒2的外径Φout为70mm。

具体实施方式七：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的应用实施方式一所述的一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置实现电容法测量湿型粘土砂含水量的方法，该方法中应用到的并联电阻模型电路包括一号电阻R₀、二号电阻R、开关K和电容C_x；该二号电阻R的一端接地，另一端分别作为并联电阻模型电路的一个输入端、同时与一号电阻R₀的一端和电容C_x的一端连接，一号电阻R₀的另一端与开关K的一端连接，所述开关K的另一端作为并联电阻模型电路的一个输入端、与电容C_x的另一端连接；所述电容法测量湿型粘土砂含水量的方法为：

步骤一、在圆柱形制样装置内装满待测粘土砂，并使用锤击法制得紧实度相同的湿型粘土砂砂样，该砂样的高度与主样筒1的高度相等；

步骤二、将主样筒1和辅助样筒3分离；

步骤三、将两根激励电极屏蔽线4-1分别与并联电阻模型电路的两个输入端连接，

此时主样筒1内的砂样的电阻采用砂样等效电阻R_x表示；

步骤四、通过两个激励电极屏蔽线4-1给两个激励电极4施加频率为ω的交流激励电压u_i，并控制开关K断开或者闭合，在断开开关K状态，砂样等效电阻R_x和电容C_x的并联连接，在闭合开关K状态，砂样等效电阻R_x、电容C_x和一号电阻R₀并联；两种状态下，分别测量二号电阻R上的电压降u_o1和u_o2：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{o1}=\frac{R}{\frac{1}{1/R_x+{\mathrm{j\ωC}}_x}+R}\·u_i\\ u_{o2}=\frac{R}{\frac{1}{1/R_x+1/R_0+{\mathrm{j\ωC}}_x}+R}\·u_i\end{array}\right.,$

由u_o1和u_o2可分别求得C_x和R_x，即：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_x=\frac{\sqrt{\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}}(1+\frac{2R}{R_x})-\frac{R^2}{R_x^2}}{\mathrm{\ωR}}\\ R_x=\frac{\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}+\frac{R^2}{R_0^2}-\frac{(1+2R/R_0){\left|u_{o2}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o2}\right|}^2}}{2R(\frac{{\left|u_{o2}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o2}\right|}^2}-\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}-\frac{R}{R_0})}\end{array}\right.,$

根据上述两个公式求得C_x，再通过已有的湿型粘土砂电容C_x与含水量之间的关系，即可求得湿型粘土砂含水量。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (1)

1.应用一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置的测量湿型粘土砂含水量的方法，所述一种电容法测量湿型粘土砂含水量的圆柱形制样装置，它包括主样筒(1)、次样筒(2)、辅助样筒(3)、两个半圆环形激励电极(4)、圆环形隔离电极(5)、隔离电极接地线(6)和两根激励电极屏蔽线(4-1)；

次样筒(2)位于主样筒(1)的正上方，辅助样筒(3)套在主样筒(1)和次样筒(2)的外侧，且主样筒(1)、次样筒(2)和辅助样筒(3)同轴；

主样筒(1)的内壁上镶嵌有同型号的两个半圆环形激励电极(4)，且两个半圆环形激励电极(4)之间存在间隙；该两个半圆环形激励电极(4)分别与两根激励电极屏蔽线(4-1)电连接；

主样筒(1)的外壁上覆盖有圆环形隔离电极(5)，该圆环形隔离电极(5)与隔离电极接地线(6)电连接；

次样筒(2)内径与内壁上嵌有激励电极(4)的主样筒(1)的内径Φin相同；

次样筒(2)的外径Φout与圆环形隔离电极(5)的外径相同；

其特征在于：

该方法中应用到的并联电阻模型电路包括一号电阻R₀、二号电阻R、开关K和电容C_x；该二号电阻R的一端接地，另一端分别作为并联电阻模型电路的一个输入端、同时与一号电阻R₀的一端和电容C_x的一端连接，一号电阻R₀的另一端与开关K的一端连接，所述开关K的另一端作为并联电阻模型电路的一个输入端、与电容C_x的另一端连接；所述电容法测量湿型粘土砂含水量的方法为：

步骤一、在圆柱形制样装置内装满待测粘土砂，并使用锤击法制得紧实度相同的湿型粘土砂砂样，该砂样的高度与主样筒(1)的高度相等；

步骤二、将主样筒(1)和辅助样筒(3)分离；

步骤三、将两根激励电极屏蔽线(4-1)分别与并联电阻模型电路的两个输入端连接，

此时主样筒(1)内的砂样的电阻采用砂样等效电阻R_x表示；

步骤四、通过两个激励电极屏蔽线(4-1)给两个激励电极(4)施加频率为ω的交流激励电压u_i，并控制开关K断开或者闭合，在断开开关K状态，砂样等效电阻R_x和电容C_x的并联连接，在闭合开关K状态，砂样等效电阻R_x、电容C_x和一号电阻R₀并联；两种状态下，分别测量二号电阻R上的电压降u_o1和u_o2：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{o1}=\frac{R}{\frac{1}{1/R_x+{\mathrm{j\ωC}}_x}+R}\·u_i\\ u_{o2}=\frac{R}{\frac{1}{1/R_x+1/R_0+{\mathrm{j\ωC}}_x}+R}\·u_i\end{array}\right.,$

由u_o1和u_o2可分别求得C_x和R_x，即：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_x=\frac{\sqrt{\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}}(1+\frac{2R}{R_x})-\frac{R^2}{R_x^2}}{\mathrm{\ωR}}\\ R_x=\frac{\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}+\frac{R^2}{R_0^2}-\frac{(1+2R/R_0){\left|u_{o2}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o2}\right|}^2}}{2R(\frac{{\left|u_{o2}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o2}\right|}^2}-\frac{{\left|u_{o1}\right|}^2}{{\left|u_i\right|}^2-{\left|u_{o1}\right|}^2}-\frac{R}{R_0})}\end{array}\right.,$

根据上述两个公式求得C_x，再通过已有的湿型粘土砂电容C_x与含水量之间的关系，即可求得湿型粘土砂含水量。