CN104034631B - 一种高浓度非牛顿膏体动态屈服应力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态屈服应力测量装置,主要由底座、侧柱、横梁、测量圆柱筒、漏斗和屈服应力测量显示设备组成。其中，屈服应力测量显示设备安装在横梁上，其主要包括控制部件、液晶显示屏、键盘、行走机构、超声波测量模块。超声波测量模块实现对超声波往返时间的测量，控制模块根据时间计算出测量距离并实现对物料塌落度、未变形高度进行计算，并最终计算得到屈服应力，进而在液晶显示屏上显示。

Description

一种高浓度非牛顿膏体动态屈服应力测量装置

技术领域

本发明涉及一种在工业现场进行动态屈服应力测量的装置和方法。

背景技术

屈服应力是高浓度非牛顿膏体的关键流变参数，是管道输送系统设计的基础，如煤炭行业的原生煤泥、制造行业的工业污泥、有色金属行业的赤泥等工业固体废弃物，泵送混凝土以及充填膏体在输送过程中都需要进行屈服应力的测量。屈服应力是影响物料搅拌特性、泵送系统的吸入特性和物料在管路中流动特性的关键因素。但目前该参数的实验获取不准确。传统的测量仪器需用黏度计绘制切变速率曲线，再外推到剪切速率为零的坐标上，间接得到屈服应力，测量周期时间长。由于测量过程中存在滑移效应，使得测量值误差较大，而且其测量结果为静态屈服应力，不同于与工业现场输送过程中需要的直接反映物料流动特性的参数——动态屈服应力，不能满足工业现场的需求。

公告号为102169075A的发明专利一种桨叶式黏稠物料屈服应力旋转测量装置，该装置使用桨叶式测头，有效的降低了测量过程中的滑移效应，但该装置对操作要求较高，且测量结果与测头的选取、转速、静置时间、搅拌时间等有关，测量结果不稳定，精度需要进一步提高。

鉴于以上现有技术在测量中的缺陷，为了实现高浓度非牛顿膏体动态屈服应力的测量，缩短测量周期，并保证测量准确性，本发明提出一种成本低、测量精确、易于操作的动态屈服应力测量的装置和方法，该发明能够同时测量塌落度和动态屈服应力，为工业设计提供基础参数。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对现有的问题，根据塌落度法测量屈服应力的原理提出一种高浓度非牛顿膏体动态屈服应力测量装置，可以工业在线完成高浓度非牛顿膏体动态屈服应力的测量。该动态屈服应力测量装置操作方便、测量稳定，摒弃传统需由黏度计绘制切变速率曲线，再外推到剪切速率为零的坐标轴上，间接得到屈服应力的缺点。其能够直接应用于工程现场，指导实际生产，为高浓度非牛顿膏体管道输送系统的设计和改进提供了依据。

一种高浓度非牛顿膏体动态屈服应力测量装置，该动态屈服应力测量装置主要由底座、侧柱、横梁、测量圆柱筒、漏斗和动态屈服应力测量显示设备组成，其特征在于，

底座上有四个可旋转调节高低的调整脚，一个气泡水平仪，通过调节调整脚的高度，使水平仪的气泡在中心位置，从而保证底座的水平；

侧柱上标有刻度尺并具有上下可伸缩性，可以准确地调整横梁到底座的垂直距离H，并通过螺栓固定上下长度；

横梁固定于侧柱上方，其上表面安装齿条，齿条的两测安装感应磁铁；

动态屈服应力测量显示设备可以在横梁上来回移动；

测量圆柱筒内部为空腔结构，上端面和下端面均开口，在所述测量圆柱筒的外部侧壁上设置有两个提手，圆柱筒4底部边缘添加了磁性材料，可以通过吸力固定在铁质底座1的中间一定位置；

漏斗独立于测量圆柱筒，作为辅助进料装置，用于保护物料在填装过程中不会洒落在圆柱筒外；

动态屈服应力测量显示设备安装在横梁上，其主要包括控制部件、液晶显示屏、键盘、行走机构、超声波测量模块。

行走机构上安装有电机和齿轮，齿轮与齿条啮合，齿轮轴部的电机受控于控制部件实现定速正反转，实现动态屈服应力测量显示设备在横梁上固定距离的左右移动。行走机构上安装一磁性传感器，当行走机构运行到齿轮两端接近感应磁铁时，引起传感器动作，磁性传感器向控制部件发出控制信息，控制部件接收该控制信息后控制行走机构停止移动。

超声波测量模块主要包括收发一体反射式超声波传感器、测时电路、超声波驱动电路，超声波接收信号调理电路、发射接收隔离电路、时间增益补偿电路。

在使用该动态屈服应力测量装置测量时，首先选择声速标定模式，超声波测量模块通过测时芯片TDC-GP2测量超声波在距离已知为H的横梁、底板之间往返所用的时间t₁，而后控制部件根据时间t₁和已知距离H计算出当地的声速v，然后选择测距模式测量横梁到物料的距离l，测时芯片TDC-GP2测量超声波从发出到碰到物料后反射并由超声波传感器接收的时间t₂，控制部件根据声速v和时间t₂计算得到横梁距物料的距离l，其中横梁距未变形物料最上平面的距离为l₀，横梁距变形物料与未变形物料交界处的距离为l₁。

控制部件根据H、l₀、l₁和圆柱筒高度H_s计算得到物料塌落后减少的高度即塌落度S和物料未发生变形的部分的高度h₀；

并根据S和h₀计算得到动态屈服应力。

其中，计算动态屈服应力公式为：

其中，ρ为物料密度，单位为kg/m³（千克/立方米），g为重力加速度，其值等于9.8N/kg（牛顿/千克）。

最终，由控制部件将动态屈服应力的数值传输到液晶显示屏上显示。

附图说明

图1为本发明的动态屈服应力测量装置；

图2为本发明的动态屈服应力测量显示设备原理图；

图3为本发明的超声波测量模块结构框图；

图4为本发明的时间增益补偿电路；

图5为塌落度法测量屈服应力原理示意图；

图6为本发明的测量横梁与物料距离时的测量时间与测量距离的对应关系图。

具体实施方式

如图1所示，该动态屈服应力测量装置主要由底座1、侧柱2、横梁3、测量圆柱筒4、漏斗5、动态屈服应力测量显示设备6组成。

侧柱2上标有刻度尺并具有上下可伸缩性，能够准确地调整横梁3到底座1的垂直距离H，并通过螺栓8固定上下长度。底座1上有四个可旋转调节高低的调整脚7，一个气泡水平仪10，通过调节调整脚7的高度，使水平仪10的气泡在中心位置，从而保证底座的水平。横梁3固定于侧柱上方，其上表面安装齿条，齿条的两测安装感应磁铁9，动态屈服应力测量显示设备6可以在横梁上来回移动。

测量圆柱筒4内部为空腔结构，上端面和下端面均开口，在所述测量圆柱筒4的外部侧壁上设置有两个提手，圆柱筒4底部边缘添加了磁性材料，可以通过吸力固定在铁质底座1的中间一定位置。漏斗5独立于测量圆柱筒4，作为辅助进料装置，在进料漏斗的保护下，物料在填装过程中不会洒落在圆柱筒外，减少污染，有利于提高测量的准确性。

动态屈服应力测量显示设备6安装在横梁上，其主要包括控制部件61、液晶显示屏62、键盘63、行走机构64、超声波测量模块65。该动态屈服应力测量显示装置6如图2所示。其中，控制部件61可以采用单片机、ARM以及DSP处理器等能够实现控制的控制部件。

其中，行走机构64上安装有电机和齿轮，齿轮与齿条啮合，齿轮轴部的电机受控于控制部件实现定速正反转，实现动态屈服应力测量显示设备在横梁上固定距离的左右移动。行走机构上安装一磁性传感器，当行走机构运行到齿轮两端接近感应磁铁时，引起传感器动作，磁性传感器向控制部件发出指令，控制部件控制行走机构64停止移动。

如图3所示，超声波测量模块65主要包括收发一体反射式超声波传感器651、测时电路652、超声波驱动电路653，超声波接收信号调理电路654、发射接收隔离电路655、时间增益补偿电路656。

一体反射式超声波传感器651用来发射与接收超声波，为了消除了双探头间距带来的测量误差，本发明采用收发一体反射型超声波传感器。一体反射式超声波传感器651采用单个超声波探头,采用脉冲驱动传感器发射超声波，当发射停止时传感器转为接收器，接收反射回波。

由于发射电路与接收电路使用相同的传感器引脚输入输出，必须使发射电路与接收电路隔离开，引脚在输出和输入时分时复用。

本发明设计了发射接收隔离电路655，将发射电路与接收电路隔离开，以使得发射电路－超声波驱动电路653与接收电路－超声波接收信号调理电路654与一体反射式超声波传感器651之间传输信号的共同引脚在输入输出中实现分时复用。本发明采用CMOS双向模拟开关CD4066BE作为发射接收隔离电路来实现发射与接收的隔离。

由于超声波在空气中的传播速度受温度影响较大，温度越高，传播速度越快，本发明采取声速标定的方法对声速进行修正，可有效地消除温度变化对测量精度的影响。超声波测量模块65首先测量超声波在距离已知为H的横梁、底板之间往返所用的时间t₁，而后由测得的时间t₁和已知距离H计算出当地的声速v，并在之后的测量距离的过程中采用该标定的声速来进行后续的计算。系统设计了两种测量模式，模式1用来测量当地声速v，模式2用来测量横梁距物料的距离l，测量时通过模式1测量出当地声速，并作为模式2测量的实际声速，以此减小声速对测距精度的影响。本装置控制面板设置两个按键，通过按键进行模式的选择。

时间的测量方法如下：

对于时间的测量采用高精度的时间测量方法，通过脉冲计数法间接测量时间，也就是把超声波往返时间转化为对计数脉冲个数N的测量，本发明采用TDC-GP2作为测时电路652进行时间的测量。TDC-GP2具有高速脉冲发生器，测量时间分辨率可达到50ps，TDC-GPZ可以通过四线SPI接口和控制部件相连。TDC-GP2不仅是测时芯片，而且还自带脉冲发射模块。控制部件控制TDC-GP2产生40kHz的脉冲信号，经过以集成运放NE5532为主要器件的超声波驱动电路653放大后驱动超声波传感器651发射超声波。在发射脉冲时刻TDC-GP2芯片开始计时。

发射出去的超声波经障碍物反射回来，超声波传感器651接收到的回波后,进入超声波接收信号调理电路654。本发明采用由运算放大器LM324、电压比较器LM339构成的接收信号调理电路654对回波信号进行放大、滤波和整形。其中LM324和RC构成有源带通滤波器电路对回波信号进行放大和滤波，然后信号经过LM339电压比较电路对信号进行整形，回波经过处理后返回到TDC-GP2芯片，TDC-GP2芯片判断接收到回波后结束测量，返回给控制部件一个中断，控制部件基于该中断读取TDC-GP2芯片内的测时数据，该测时数据就是超声波往返时间。

超声波在空气中传播时，声强随着传播距离的增加而减小，导致回波信号的起伏，限制了超声波测量的精度，为了使回波信号趋于稳定，进一步提高超声波测量的精度和分辨率，本发明设计了时间增益补偿电路656（电路结构如图4所示）。该电路是一种增益C与回波时间成正比的一种放大器，增益控制通过数字电位器改变输入电阻来实现。数字电位器接入运算放大器LM324的负反馈中，通过实验获取不同回波时间需要设置的增益值，对应不同时间需要设置数字电位器的增量，并将该参数固化在控制部件的FALSH中，在测距过程中，根据时间查询电位器增量表改变电位器阻值，实现回波信号增益的时间补偿。本发明中采用MAX5423，它是一种具有256级抽头的数字电位器。

根据上述时间的测量方法，测量得到超声波往返横梁与底板之间的时间为t₁。

根据该测得的时间t₁和已知距离H根据下面公式计算出当地的声速v。

（1）

然后测量动态屈服应力，塌落度法测量屈服应力的原理如图5所示，将圆柱筒4放置于底板中心位置，向圆柱筒4内注入待测物料，使物料上平面与圆柱筒4上端面平齐，然后缓慢的将圆柱筒4提起，如果圆柱筒上提过程中不会导致物料的任何变形，此时，未变形物料的初始形态可认为是完美的圆柱。但是，当圆柱筒4完全移去后，由于物料自重产生的垂直方向应力是作用在物料上的唯一作用力，下面部分物料因应力作用超过其屈服应力而发生变形，上面部分物料因应力作用未超过其屈服应力而没发生变形，仍然保持圆柱状态。通过测量物料变形后减小的高度即塌落度S和物料未发生变形的部分的高度h₀，通过计算即可得出动态屈服应力。

继续根据上述时间的测量方法，测量得到超声波往返于横梁和物料的时间t₂，使用上述求得的声速v，根据下式计算横梁距物料的距离l：

（2）

测量横梁距物料的距离时，首先将动态屈服应力测量显示设备6调整到横梁的中心位置，使其对准底座的中心位置，然后启动测距模式，动态屈服应力测量显示设备6从横梁中心位置缓慢地向横梁一端移动，直到接近感应磁铁9才停止移动，结束测距，图6是测量时间T与测量距离l的对应关系，其中在T₀时刻之前测量的是横梁距未变形物料最上平面的距离为l₀，T₀时刻测量的是横梁距变形物料与未变形物料交界处的距离为l₁。

在横梁距底座的高度为H，在圆柱筒高度H_s已知的情况下，根据上述测量结果即可计算出物料塌落后减少的高度即塌落度S和物料未发生变形的部分的高度h₀，即：

（3）

（4）

通过以下公式计算动态屈服应力

（5）

其中，ρ为物料密度，单位为kg/m³（千克/立方米），g为重力加速度，其值等于9.8N/kg（牛顿/千克）。

最终，该测量得到的动态屈服应力在液晶显示屏上显示。

动态屈服应力测量装置的操作步骤：

（1）调节底座上的四个调整脚，使水平仪的气泡在中心位置，将底座调至水平；

（2）将横梁调节到一定高度，通过键盘输入横梁距底座的距离、圆筒高度、物料的密度；

（3）将动态屈服应力测量显示设备调至横梁上与底座中心相同横坐标处，通过按键选择声速标定模式，启动动态屈服应力测量显示设备，测量当地声速v；

（4）将圆柱筒放在底座的中间位置，通过圆柱筒底部的磁性材料与底板产生的吸力将圆柱筒固定。将进料漏斗放入圆柱筒的上端面，向进料漏斗内填装待测物料，物料装满后，用抹刀将物料上表面抹平，与圆柱筒的上端面平齐；

（5）缓慢的将圆柱筒提起，物料静置1min后，通过键盘选择测距模式，启动动态屈服应力测量显示设备，进行超声波测距，完成S和h₀的测量，单片机处理数据，并将数据传输到液晶显示屏上，显示该动态屈服应力的数值。

对于本领域技术人员来说，针对这些实施例的各种修改是显而易见的，并且这里定义的总体原理也可以在不脱离本发明的范围和主旨的基础上应用于其他实施。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而是与符合这里公开的原理和新颖特征的最广范围相一致。

Claims (2)

1.一种高浓度非牛顿膏体动态屈服应力测量装置，该动态屈服应力测量装置主要由底座、侧柱、横梁、测量圆柱筒、漏斗和动态屈服应力测量显示设备组成，其特征在于：

底座上有四个可旋转调节高低的调整脚，一个气泡水平仪，通过调节调整脚的高度，使水平仪的气泡在中心位置，从而保证底座的水平；

侧柱上标有刻度尺并具有上下可伸缩性，可以准确地调整横梁到底座的垂直距离H，并通过螺栓固定上下长度；

横梁固定于侧柱上方，其上表面安装齿条，齿条的两侧安装感应磁铁；

动态屈服应力测量显示设备可以在横梁上来回移动；

测量圆柱筒内部为空腔结构，上端面和下端面均开口，在所述测量圆柱筒的外部侧壁上设置有两个提手，圆柱筒(4)底部边缘添加了磁性材料，可以通过吸力固定在铁质底座(1)的中间一定位置；

漏斗独立于测量圆柱筒，作为辅助进料装置，用于保护物料在填装过程中不会洒落在圆柱筒外；

动态屈服应力测量显示设备安装在横梁上，其主要包括控制部件、液晶显示屏、键盘、行走机构、超声波测量模块；

行走机构上安装有电机和齿轮，齿轮与齿条啮合，齿轮轴部的电机受控于控制部件实现定速正反转，实现动态屈服应力测量显示设备在横梁上固定距离的左右移动，行走机构上安装一磁性传感器，当行走机构运行到齿轮两端接近感应磁铁时，引起传感器动作，磁性传感器向控制部件发出控制信息，控制部件接收该控制信息后控制行走机构停止移动；

超声波测量模块主要包括收发一体反射式超声波传感器、测时电路、超声波驱动电路，超声波接收信号调理电路、发射接收隔离电路、时间增益补偿电路；

在使用该动态屈服应力测量装置测量时，首先选择声速标定模式，超声波测量模块通过测时芯片TDC-GP2测量超声波在距离已知为H的横梁、底板之间往返所用的时间t₁，而后控制部件根据时间t₁和已知距离H计算出当地的声速v，然后选择测距模式测量横梁到物料的距离l，测时芯片TDC-GP2测量超声波从发出到碰到物料后反射并由超声波传感器接收的时间t₂，控制部件根据声速v和时间t₂计算得到横梁距物料的距离l，其中横梁距未变形物料最上平面的距离为l₀，横梁距变形物料与未变形物料交界处的距离为l₁；

控制部件根据H、l₀、l₁和圆柱筒高度H_s计算物料塌落后减少的高度即塌落度S和物料未发生变形的部分的高度h₀；

并根据S和h₀计算得到动态屈服应力τ_y，最终，由控制部件将动态屈服应力传输到液晶显示屏上进行显示。

2.如权利要求1所述的高浓度非牛顿膏体动态屈服应力测量装置，其特征在于：

其中，计算动态屈服应力公式为：

${\mathrm{\τ}}_y=\frac{(1-S/H_s){\mathrm{\ρgH}}_s}{2\[1-ln\left(\frac{h_0}{H_s}\right)\]}$

其中，ρ为物料密度，单位为kg/m³(千克/立方米)，g为重力加速度，其值等于9.8N/kg(牛顿/千克)。