CN104990974A - 一种快速测量湿型砂含水量的电测量方法 - Google Patents

Abstract

一种快速测量湿型砂含水量的电测量方法，涉及铸造湿型砂领域。本发明是为了解决现有湿型砂含水量测试方法在对湿型砂含水量进行测试时，存在测量速度慢、测量结果的重复性和准确性差、对测试环境要求高等问题。它由计算机、高频任意波形发生器、BNC三通接头、数字示波器、专用测量探头、传输线、湿型砂试样组成，在计算机控制下，采用高频任意波形发生器发出高频激励信号，通过专用测量探头作用被测湿型砂试样上，由于专用测量探头阻抗和传输线阻抗不匹配，造成传输线上出现电压差，该电压差由高采集速率的数字示波器采集，并由计算机根据含水量计算模型精确求出含水量，大大降低了现有湿型砂含水量测量方法因湿型砂附加物和环境温度变化带来的误差。本发明适用于对湿型砂含水量的快速测量。

Description

一种快速测量湿型砂含水量的电测量方法

技术领域

本发明涉及的是铸造湿型砂含水量测量领域，具体涉及一种快速测量湿型砂含水量的电测量方法。

背景技术

湿型砂的性能直接影响着铸造过程中铸型的质量、型腔的尺寸精度等，进而对铸件质量产生重要影响。含水量是湿型砂的重要组分参数，也是评价湿型砂性能和对铸件性能影响最为关键的指标之一。湿型砂水分控制的好坏直接关系到铸件的质量，准确而快速的测量湿型砂含水量是提高铸件质量、降低铸件废品率的重要手段。

目前，快速测量湿型砂含水量的电测量方法主要有电阻法、电容法和电感法等。其中，电阻法和电容法的原理相似，都是在交流源激励作用下，通过测量湿型砂的电阻值或电容值，然后根据湿型砂的含水量与电阻值或电容值之间的已有关系来间接计算含水量的大小。然而，湿型砂是由石英砂、膨润土、水、煤粉和多种添加剂组成的复杂的混合物，因此，湿型砂中含有诸如粘土、煤粉、碳酸盐等不确定的电导因素，这些因素将严重影响电阻值或电容值的准确测量，导致基于电阻法或电容法的湿型砂含水量测试装置的精度不高。电感法在测量过程中，受湿型砂紧实率、温度和附加物的种类和含量等因素影响更大，而且信号的获取较易受工业生产现场电磁场的影响，实际使用中虽采取一定的屏蔽措施，但测量结果的准确性和可靠性仍相对较差。此外，对湿型砂进行快速检测的要求也越来越高，因此，有必要发明一种快速测量湿型砂含水量的电测量方法，这对于提升湿型砂的质量尤为重要。

发明内容

本发明为了解决现有湿型砂含水量测量方法在对湿型砂含水量进行测试时，存在测量结果的重复性和准确性差、易受测试环境影响、测量条件苛刻等问题，提出了一种快速测量湿型砂含水量的电测量方法。

快速测量湿型砂含水量的电测量方法，它包括计算机、高频任意波形发生器、传输线、BNC三通接头、专用测量探头、湿型砂试样、数字示波器，所述的计算机的控制信号输出端与高频任意波形发生器的控制信号输入端电气连接，通过计算机控制高频任意波形发生器所发出高频信号的波形和频率，所述的高频任意波形发生器的高频信号输出端通过传输线与第一个BNC三通接头的高频信号输入端电气连接，所述的第一个BNC三通接头的一个高频信号输出端通过传输线与所述的第二个BNC三通接头的高频信号输入端电气连接，所述的第一个BNC三通接头的另一个高频信号输出端通过传输线与所述的数字示波器的一个高频信号输入端电气连接，所述的第二个BNC三通接头的一个高频信号输出端通过传输线与专用测量探头连接，所述的第二个BNC三通接头的另一个高频信号输出端通过传输线与所述的数字示波器的另一个高频信号输入端电气连接，专用测量探头8插入被测湿型砂试样中。

所述的专用测量探头它包括探头骨架、四根探针、铜环，所述的一根探针垂直安装在探头骨架的中心，所述的其余三根探针垂直安装在探头骨架的外围，所述的铜环将其余三根探针连接成一体，所述的中心探针与同轴传输线的中心导线电气连接，所述的铜环与同轴传输线的屏蔽导线电气连接。

快速测量湿型砂含水量的电测量方法获取湿型砂含水量包括以下步骤：

步骤一、    将专用测量探头垂直插入被测湿型砂试样中；

步骤二、    计算机向高频任意波形发生器发出控制信号，启动高频任意波形发生器；

步骤三、    高频任意波形发生器发出95-105MHz的正弦波，正弦波通过同轴传输线和BNC三通接头加载在专用测量探头上；

步骤四、    专用探头的四根探针中形成电磁场，并反射回同轴传输线中，在BNC三通接头之间的同轴传输线两端形成电压差；

步骤五、    数字示波器通过两个高频信号输入端采集电压差，并通过信号输出端发送给计算机；

步骤六、    计算机对接收的信号进行处理，并经预先存储的湿型砂含水量计算模型获得待测湿型砂试样的含水量。

有益效果：在计算机控制下，采用高频任意波形发生器发出高频激励信号，通过同轴传输线、三通接头和专用探头作用被测湿型砂试样上，两个三通接头间的电压差由高采样速率的数字示波器采集，并由计算机根据含水量计算模型精确求出含水量，不但大大降低了现有湿型砂含水量测量方法因湿型砂附加物和环境温度变化带来的误差，而且避免自动化程度低的问题，而使湿型砂含水量的测试精度提高了10%以上。

附图说明

图1为具体实施方式一和具体实施方式五所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、  结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法它包括计算机1、高频任意波形发生器2、传输线3、5、7、11和12、BNC三通接头4和6、专用测量探头8、湿型砂试样9、数字示波器10，所述计算机1的控制信号输出端与高频任意波形发生器2的控制信号输入端电气连接，通过计算机1控制高频任意波形发生器2所发出高频信号的波形和频率，高频任意波形发生器2的高频信号输出端通过传输线3与BNC三通接头4的高频信号输入端4-1电气连接，BNC三通接头4的一个高频信号输出端4-2通过传输线5与BNC三通接头6的高频信号输入端6-1电气连接，BNC三通接头4的另一个高频信号输出端4-3通过传输线12与数字示波器10的一个高频信号输入端10-1电气连接，BNC三通接头6的一个高频信号输出端6-2通过传输线7与专用测量探头8连接，BNC三通接头6的另一个高频信号输出端6-3通过传输线11与数字示波器10的另一个高频信号输入端10-2电气连接，专用测量探头8插入被测湿型砂试样9中。

具体实施方式二、  本具体实施方式与具体实施方式一所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法的区别在于，所述传输线3、5、7、11、12为特征阻抗为75Ω的同轴传输线。

具体实施方式三、  本具体实施方式与具体实施方式一所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法的区别在于，所述高频任意波形发生器2为安捷伦N5181A，发出频率在95~105MHz之间的高频正弦波信号。

具体实施方式四、  本具体实施方式与具体实施方式一所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法的区别在于，所述数字示波器1的为DPO4054，采样速率为2.5GS/s。

具体实施方式五、  结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法的区别在于，所述的专用测量探头8它包括探头骨架8-1、四根探针8-2、8-3、8-4和8-5、铜环8-6，所述的探针8-2垂直安装在探头骨架8-1的中心，所述的探针8-3、8-4和8-5垂直安装在探头骨架8-1的外围，所述的铜环8-6将三根探针8-3、8-4和8-5连接成一体，所述的探针8-2与同轴传输线7的中心导线电气连接，所述的铜环8-6与同轴传输线10的屏蔽导线电气连接。

具体实施方式六、  本具体实施方式与具体实施方式五所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法的区别在于，所述的探头骨架8-1的材料为PA6尼龙，所述的探针8-2、8-3、8-4和8-5的材料均0Cr17Ni12Mo2不锈钢，探针的末端均为30°锥角。

具体实施方式七、  本具体实施方式与具体实施方式五所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法的区别在于，所述的探针8-3、8-4、8-5安装在以探针8-2中心为圆心、直径为58mm的圆周上，并互成120°分布。

具体实施方式八、  本具体实施方式与具体实施方式五所述的湿型砂含水量快速测量装置的区别在于，所述的探针8-2、8-3、8-4和8-5的直径均为3.2mm，有效长度均为105mm。

测量原理：当所述同轴传输线的长度等于高频信号波长的四分之一时，同轴传输线两端的电压差值最大，此时同轴传输线两端的电位差为：

式中，为传输线的特征阻抗，本测试电路中为75Ω，为测量探头的特征阻抗，的大小取决于高频任意波形发生器中的振幅，设置为恒定。因此在不变的条件下，同轴传输线两端的电压降正比于反射系数，反射系数与探针阻抗有关，而所述测量探头阻抗随湿型砂含水量变化而变化，因此，通过测量同轴传输线两端的电压差值，即然后通过标定的数学关系式即可确定出湿型砂的真实含水量。

本实施方式中，在计算机控制下，采用高频任意波形发生器发出高频激励信号，通过同轴传输线、三通接头和专用探头作用被测湿型砂试样上，两个三通接头间的压降由高采集速率的数字示波器采集，并由计算机根据含水量计算模型精确求出含水量，不但大大降低了现有湿型砂含水量测量方法因湿型砂附加物和环境温度变化带来的误差，而且避免自动化程度低的问题。

具体实施方式九、  基于具体实施方式一所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法的获取湿型砂含水量包括以下步骤：

步骤一、    将专用测量探头8垂直插入被测湿型砂试样9中；

步骤二、    计算机1向高频任意波形发生器2发出控制信号，启动高频任意波形发生器2；

步骤三、    高频任意波形发生器2发出95-105MHz的正弦波，正弦波通过同轴传输线3、5、7和BNC三通接头4、6加载在专用测量探头8上；

步骤四、    专用探头8的四根探针中形成电磁场，并反射回同轴传输线7和5中，在同轴传输线5两端形成电压差；

步骤五、    数字示波器10通过高频信号输入端10-1、10-2采集电压差，并通过信号输出端发送给计算机1；

步骤六、    计算机1对接收的信号进行处理，并经预先存储的湿型砂含水量计算模型获得待测湿型砂试样的含水量，该计算模型为，

为湿型砂试样的含水量，为计算机根据数字示波器1发送信号求得的电压差值。

本实施方式中，对粘土含量5.0%，煤粉含量4.5%，含水量不同的湿型砂进行了测试，测试结果如下，

Claims (9)

1.快速测量湿型砂含水量的电测量方法，其特征在于，它包括计算机（1）、高频任意波形发生器（2）、传输线（3）、（5）、（7）、（11）和（12）、BNC三通接头（4）和（6）、专用测量探头（8）、湿型砂试样（9）、数字示波器（10），所述计算机（1）的控制信号输出端与高频任意波形发生器（2）的控制信号输入端电气连接，通过计算机（1）控制高频任意波形发生器（2）所发出高频信号的波形和频率，高频任意波形发生器（2）的高频信号输出端通过传输线（3）与BNC三通接头（4）的高频信号输入端（4-1）电气连接，BNC三通接头（4）的一个高频信号输出端（4-2）通过传输线（5）与BNC三通接头（6）的高频信号输入端（6-1）电气连接，BNC三通接头（4）的另一个高频信号输出端（4-3）通过传输线（12）与数字示波器（10）的一个高频信号输入端（10-1）电气连接，BNC三通接头（6）的一个高频信号输出端（6-2）通过传输线（7）与专用测量探头（8）连接，BNC三通接头（6）的另一个高频信号输出端（6-3）通过传输线（11）与数字示波器（10）的另一个高频信号输入端（10-2）电气连接，专用测量探头（8）插入被测湿型砂试样（9）中。

2.根据权利要求1所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法，其特征在于，所述高传输线（3）、（5）、（7）、（11）、（12）为特征阻抗为75Ω的同轴传输线。

3.根据权利要求1所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法，其特征在于，所述高频任意波形发生器（2）为安捷伦N5181A，发出频率在95~105MHz之间的高频正弦波信号。

4.根据权利要求1所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法，其特征在于，所述数字示波器（1）的为DPO4054，采样速率为2.5GS/s。

5.根据权利要求1所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法，其特征在于，所述的专用测量探头（8）它包括探头骨架（8-1）、四根探针（8-2）、（8-3）、（8-4）和（8-5）、铜环（8-6），所述的探针（8-2）垂直安装在探头骨架（8-1）的中心，所述的探针（8-3）、（8-4）和（8-5）垂直安装在探头骨架（8-1）的外围，所述的铜环（8-6）将三根探针（8-3）、（8-4）和（8-5）连接成一体，所述的探针（8-2）与同轴传输线（7）的中心导线电气连接，所述的铜环（8-6）与同轴传输线（10）的屏蔽导线电气连接。

6.根据权利要求5所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法，其特征在于，所述的探头骨架（8-1）的材料为PA6尼龙，所述的探针（8-2）、（8-3）、（8-4）和（8-5）的材料均0Cr17Ni12Mo2不锈钢，探针的末端均为30°锥角。

7.根据权利要求5所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法，其特征在于，所述的探针（8-3）、（8-4）、（8-5）安装在以探针（8-2）中心为圆心、直径为58mm的圆周上，并互成120°分布。

8.根据权利要求5所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法，其特征在于，所述的探针（8-2）、（8-3）、（8-4）和（8-5）的直径均为3.2mm，有效长度均为105mm。

9.基于权利要求1所述的快速测量湿型砂含水量的电测量方法的获取湿型砂含水量，其特征在于，它包括以下步骤：

将专用测量探头（8）垂直插入被测湿型砂试样（9）中；

计算机（1）向高频任意波形发生器（2）发出控制信号，启动高频任意波形发生器（2）；

高频任意波形发生器（2）发出95-105MHz的正弦波，正弦波通过同轴传输线（3）、（5）、（7）和BNC三通接头（4）、（6）加载在专用测量探头（8）上；

专用探头（8）的四根探针中形成电磁场，并反射回同轴传输线（7）和（5）中，在同轴传输线（5）两端形成电压差；

数字示波器（10）通过高频信号输入端（10-1）、（10-2）采集电压差，并通过信号输出端发送给计算机（1）；

计算机（1）对接收的信号进行处理，并经预先存储的湿型砂含水量计算模型获得待测湿型砂试样的含水量。