CN105223133A - 一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置及方法，涉及秸秆废弃物资源化利用工程领域。试验装置由动力装置，转速转矩传感器，两个线性滑台，搅拌叶片，物料桶，安装基架，工作台和动态扫描检测系统组成。同时采用实时动态力学检测方法和运动动态扫描检测方法，克服单一设备检测方法各自的缺陷，预测物料整体的混合情况。本发明结构紧凑，适合类似于秸秆碎屑等物料的搅拌试验，可靠性好，实时采集搅拌的过程中扭矩，光谱，流场参数信息，为后期理论研究提供基础，解决了目前无法检测物料搅拌过程中内部混合均匀度的问题。

Description

一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置及方法

技术领域

本发明提供一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置及方法，涉及秸秆废弃物资源化利用工程领域，主要用于园艺秸秆碎末高效发酵搅拌制作基质的试验研究。

背景技术

我国目前专门针对于秸秆碎末的分解消化机械装置的研究非常少，主要集中在饲料搅拌装置和混合均匀度的检测两方面。搅拌装置主要有梨刀式搅拌装置，双轴搅拌装置，无重力搅拌装置。梨刀式搅拌属于卧式搅拌，存在出料不干净，容器不易打扫的缺点。双轴搅拌装置存在设备笨重不易深入田间作业、噪声大、功耗大、不易混合干物料与液体等缺点。无重力搅拌装置存在结构复杂、成本高、功耗大等缺点。秸秆碎末与一般饲料不同，具有强度与韧性强、湿度大、密度小，摩擦力小，容易粘接等特点，现有的搅拌设备对秸秆碎屑的适用性有待商榷，并且忽略对实时消耗功率的采集，浪费能源。

国家规定的物料混合均匀度的检测方法主要有沉淀法，甲基紫法。沉淀法是利用四氯化碳处理样品，将饲料中矿物质等无机物与有机物分离，回收沉淀、烘干后称重，根据多组样品无机物如矿物质含量差异来反映饲料的混合均匀度，该法检测设备简单，但对成分的损失较大，误差范围较大，价格昂贵，环保性差。甲基紫法以甲基紫粉末作为示踪物，在饲料中预先混合，通过实验室比色法测定甲基紫在样品中的含量，以此来反应饲料的混合均匀度。此方法的优点是环境干扰因素在实验室测试条件下容易被控制，精度比较有保证，缺点是甲基紫需要额外添加，无法在混合过程中实现实时检测，并且会产生大量的细粉，极难清洗，很容易对分析设备造成污染。关于物料实时搅拌均匀度的检测问题，本国学者在《基于近红外光谱技术对饲料混合均匀度和含水率的检测》一文中提出了利用近红外光谱检测技术对饲料均匀度进行检测，但是由于采用固定单一的探头，只能采集物料上表面一点的光谱信息，来预测整体搅拌的均匀度情况，给检测的准确性造成影响，并且由于筒壁材料对探头反射率的影响，近红外光谱技术无法采集搅拌过程中物料侧面的光谱信息；本国学者在《竖直管内颗粒流动的PIV测试》一文中提出了，利用粒子图像测速法(PIV)对竖直有机玻璃管内秸秆物料流场的变化进行实时检测研究，但秸秆颗粒易粘附在管壁上，会导致图像不清楚，并且没有利用PIV在物料搅拌均匀度检测方面进行研究。

综上所述，目前现有的搅拌设备对秸秆碎屑进行搅拌发酵的适用性不能确定，没有实时准确检测秸秆碎屑搅拌均匀度的合适方法，也没有相对应的试验装置可以同时检测搅拌装置工作过程中的运动参数。为此，亟需一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置，可以实时检测搅拌装置在秸秆碎屑搅拌过程中的运动参数和搅拌均匀度，为开发优化适用于秸秆碎末发酵搅拌的设备提供基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置及方法，以实时检测搅拌装置在秸秆碎屑搅拌过程中的运动参数和搅拌均匀度，为开发优化用于秸秆碎末发酵搅拌的设备提供基础。

为了解决以上技术问题，本发明一方面采用实时动态力学检测方法，通过在立式搅拌装置的叶片与动力装置之间添加转速转矩传感器，检测立式搅拌装置搅拌过程中叶片的扭矩变化，实时转速，计算相应的功率变化；另一方面采用运动动态扫描检测方法，同时添加和改进现有的近红外光谱设备与PIV设备，解决单一设备检测方法各自的缺陷，统计物料上表面与侧面的分布，预测物料整体的混合结果。具体技术方法如下：

一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置，其特征在于：由动力装置、转速转矩传感器(4)、线性滑台A(6-1)、线性滑台B(6-2)、搅拌叶片(5)、物料桶(15)、安装基架(10)、工作台(25)和动态扫描检测系统组成；

所述动力装置包括步进电机(1)、驱动器(12)和行星减速器(2)；步进电机(1)与行星减速器(2)通过键连接传动；行星减速器(2)垂直安装在电机固定支架(3)上；电机固定支架(3)安装于线性滑台A(6-1)的滑块(14)上；线性滑台A(6-1)通过安装板(9)竖直固定在安装基架(10)上；线性滑台B(6-2)通过支撑架(13)水平固定在工作台(25)上；步进电机(1)与行星减速器(2)组合，在试验中精确地控制较慢的转速，同时提供较大的扭矩；

所述线性滑台A(6-1)用以精确控制试验中搅拌叶片的高度，由手动摇杆(7)来驱动；线性滑台B(6-2)由步进电机(23)控制，使探头沿物料桶的半径方向往复运动；

所述转速转矩传感器(4)通过联轴器与行星减速器(2)连接，转速转矩传感器(4)在实验中实时检测搅拌轴扭矩和速度的变化，配有数据采集器，由计算机记录处理数据；

所述搅拌叶片(5)通过联轴器与转速转矩传感器(4)连接，搅拌叶片(5)为内外双螺旋叶片用于进行物料的螺旋搅拌试验；

所述动态扫描检测系统由线性滑台B(6-2)、PIV设备、近红外光谱设备、物料桶(15)和红色塑料颗粒组成；所述物料桶(15)可拆卸地固定在安装基架(10)的底板(11)上；

所述的PIV设备由CCD高速摄像机(17)、红色塑料颗粒、计算机A(19)、显示器(20)组成，CCD摄像机CCD(17)安装于工作台(25)一侧，与计算机A(19)、显示器(20)通过数据线连接；

所述近红外光谱设备由探头(16)、ASD近红外光谱仪(18)、计算机B(22)、显示器(20)组成，探头(16)固定在线性滑台B(6-2)的滑块(24)上，与计算机B(22)、显示器(20)通过数据线连接，搅拌装置开始工作时，探头(16)沿物料桶半径方向往复运动。

所述物料桶(15)为透明的玻璃钢材料，方便动态扫描检测系统中PIV设备清楚地检测桶内物料的分布信息。

一种秸秆碎末高效搅拌的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将物料桶(15)放在安装基架(10)的底板(11)上，进行固定，通过手动摇杆(7)控制搅拌叶片(5)移动到物料桶(15)内部，根据试验的要求控制搅拌叶片(5)的高度，然后向物料桶(15)内加入需要试验的秸秆碎屑物料和发酵菌种；

步骤二，物料运动过程的PIV检测：打开光源，使其正对物料桶(15)，在物料桶(15)的一侧，摆放CCD高速摄像机(17)，在物料中加入红色的塑料颗粒，打开CCD高速摄像机(17)，计算机A(19)，显示器(20)和相应的处理软件；

步骤三，物料运动过程的近红外光谱检测：打开探头(16)，正对物料上表面，打开ASD近红外光谱仪(18)和相应的处理软件；

步骤四，打开转速转矩传感器(4)，数据采集器和相应的处理软件；

步骤五，搅拌试验：打开控制搅拌叶片(5)的步进电机(1)和驱动器(12)，控制转速，使搅拌叶片(5)以试验速度对物料进行搅拌，打开线性滑台B(6-2)一侧的步进电机(23)和驱动器(21)，使ASD近红外光谱仪(18)的探头(16)沿物料桶(15)半径方向往复运动；CCD高速摄像机(17)拍摄一侧红色塑料颗粒的位置，记录其位置信息，ASD近红外光谱仪(18)采集物料上表面径向物料的光谱信息，转速转矩传感器(4)采集负载和转速情况；

步骤六，数据处理分析：PIV设备配备的分析软件将CCD高速摄像机(17)拍摄区域划分为50*50的二维网格，统计每个网格里红色塑料颗粒个数，计算竖直方向上每层50格网格内红色塑料颗粒个数的方差，得到竖直方向上物料的分布规律；红色塑料颗粒的速度即代表该点流场的速度；近红外光谱设备的分析软件，将现场采集的光谱数据对比事先建立的均匀度参比矩阵，得到直径方向上搅拌物料的分布规律；转速转矩传感器(4)的分析软件记录搅拌过程中转矩随转速、时间和填料量的变化过程；

步骤七，出料：通过手动摇杆(7)控制搅拌叶片(5)移动到物料桶(15)上方，取出物料桶(15)出料。

本发明具有的有益效果。

本发明使用立式螺旋搅拌装置，结构紧凑，适合类似于秸秆碎屑等物料的搅拌试验，可靠性好，可以测实时检测搅拌的过程中扭矩，光谱，流场参数变化情况，为后期理论研究提供基础。本发明近红外设备与PIV设备的共同选用互相弥补各自在均匀度检测方面的缺陷，可以预测物料桶内部的混合情况。

附图说明

图1是本发明的试验搅拌装置的左视图。

图2是本发明的试验装置整体的主视图。

1.步进电机2.行星减速器3.电机固定支架4.转速转矩传感器5.搅拌叶片6-1.线性滑台A6-2线性滑台B7.手动摇杆8.轴承固定座9.安装板10.安装基架11.底板12.驱动器13.支撑架14.滑块15.物料桶16.探头17.CCD高速摄像机18.ASD红外光谱仪19.计算机A20.显示器21.驱动器22.计算机B23.步进电机24.滑块25.工作台

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1和2所示，一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置，其特征在于：由动力装置，转速转矩传感器，两个线性滑台，搅拌叶片，物料桶，安装基架，工作台和动态扫描检测系统组成；

所述的动力装置包括步进电机1，驱动器12和行星减速器2，步进电机1与行星减速器2通过键连接传动；行星减速器2垂直安装在电机固定支架3上；电机固定支架3安装于线性滑台A的滑块14上；线性滑台A通过安装板9竖直固定在安装基架10上；步进电机1与行星减速器2组合，在试验中精确的控制较慢的转速，同时提供较大的扭矩；

所述线性滑台B用来精确控制试验中搅拌叶片5的高度，由手动摇杆7来驱动；线性滑台B由步进电机23控制，使探头16以规定速度沿物料桶的半径方向往复运动；

所述的转速转矩传感器4通过联轴器与行星减速器2连接，转速转矩传感器4可以在实验中实时检测搅拌叶片5扭矩和速度的变化，配有数据采集器，可以由计算机19记录处理数据；

所述的搅拌叶片5通过联轴器与转速转矩传感器4连接，搅拌叶片5为内外双螺旋叶片用于进行物料的螺旋搅拌试验；

所述的动态扫描检测系统由线性滑台B，PIV设备，近红外光谱设备，物料桶15和红色塑料颗粒组成；

所述物料桶15为透明的玻璃钢材料，固定在安装基架10的底板11上，可以拆换，透明的玻璃钢材料方便动态扫描检测系统中PIV设备清楚地检测桶内物料的分布信息；

所述的PIV设备由CCD高速摄像机17，红色塑料颗粒，计算机19，显示器20组成，当搅拌装置开始工作时，CCD高速摄像机17采集物料桶15内部物料一侧的红色塑料颗粒和物料的位置信息，经过计算机19处理来统计桶内一侧物料的分布规律，

所述PIV设备配备的分析软件将CCD高速摄像机17拍摄的半圆桶壁划分为50*50的二维网格，统计每个网格里红色塑料颗粒个数(T_1*1＝N₁，T_1*2＝N₂…T_n*m＝N_n*m)，其中n表示为在圆周方向的位置坐标，m表示为在竖直方向上的位置坐标；

所述的近红外光谱设备由探头16，ASD近红外光谱仪17，计算机22，显示器20组成，探头16固定在线性滑台6-2的滑块24上，物料搅拌装置开始工作时，探头16沿物料桶半径往复运动，1秒记录一次物料桶15内物料上表面半径上的光谱信号，经过计算机19来统计物料上层表面直径方向上的分布规律；

所述近红外光谱设备的分析软件将使用发酵菌种的含量定标模型做比对，根据采集的光谱信号，预测直径方向上发酵菌种的分布情况，记录半径方向菌种分布含量(K₁，K₂…K_q)，其中q为径向采集点的坐标；

所述物料桶15内物料内部特定区域的混合情况，通过S_n*m*q表示，其中S_n*m*q＝T_n*m.K_q，而物料的整体混合情况通过计算S_n*m*q的方差来表示；

一种秸秆碎末高效搅拌的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，将物料桶15放在安装基架10的底板11上，进行固定，通过手动摇杆7控制搅拌叶片5移动到物料桶15内部，根据试验的要求控制搅拌叶片5的高度，然后向物料桶15内加入需要试验的秸秆碎屑物料和发酵菌种；

步骤二，物料运动过程的PIV检测：在物料桶15的一侧，摆放CCD高速摄像机17，在物料中加入红色的塑料颗粒，打开CCD高速摄像机17，计算机19，显示器20和相应的处理软件；

步骤三，物料运动过程的近红外光谱检测：打开探头16，正对物料上表面，打开ASD近红外光谱仪17和相应的处理软件；

步骤四，打开转速转矩传感器4，数据采集器和相应的处理软件；

步骤五，搅拌试验：打开控制搅拌叶片5的步进电机1和驱动器12，控制转速，使搅拌叶片5以试验速度对物料进行搅拌，打开线性滑台6-2一侧的步进电机23和驱动器21，使ASD近红外光谱仪18的探头16沿物料桶半径方向往复运动；CCD高速摄像机17拍摄一侧红色塑料颗粒的位置，记录其位置信息，ASD近红外光谱仪18采集物料上表面径向物料的光谱信息，转速转矩传感器4采集负载和转速情况。

步骤六，数据处理分析：PIV设备配备的分析软件将CCD高速摄像机17拍摄的半圆桶壁划分为50*50的二维网格，统计每个网格里红色塑料颗粒个数(T_1*1＝N₁，T_1*2＝N₂…T_n*m＝N_n*m)，其中n表示为在圆周方向的位置坐标，m表示为在竖直方向上的位置坐标；近红外光谱设备的分析软件将使用发酵菌种的含量定标模型做比对，根据采集的光谱信号，预测直径方向上发酵菌种的分布情况，记录直径方向菌种分布含量(K₁，K₂…K_q)，其中q为径向采集点的坐标；物料桶15内物料内部特定区域的混合情况，通过S_n*m*q表示，其中S_n*m*q＝T_n*m.K_q，而物料的整体混合情况通过计算S_n*m*q的方差来表示；转速转矩传感器配备的分析软件，记录搅拌过程中，扭矩随转速，时间，填料量的变化过程。

步骤七，出料：通过手动摇杆7控制搅拌叶片5移动到物料桶15上方，取出物料桶15出料。

以上描述是对本发明的解释，不是对本发明的限制，本发明所限定的范围参见权利要求。在不违背本发明基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置，其特征在于：由动力装置、转速转矩传感器(4)、线性滑台A(6-1)、线性滑台B(6-2)、搅拌叶片(5)、物料桶(15)、安装基架(10)、工作台(25)和动态扫描检测系统组成；

所述动力装置包括步进电机(1)、驱动器(12)和行星减速器(2)；步进电机(1)与行星减速器(2)通过键连接传动；行星减速器(2)垂直安装在电机固定支架(3)上；电机固定支架(3)安装于线性滑台A(6-1)的滑块(14)上；线性滑台A(6-1)通过安装板(9)竖直固定在安装基架(10)上；线性滑台B(6-2)通过支撑架(13)水平固定在工作台(25)上；步进电机(1)与行星减速器(2)组合，在试验中精确地控制较慢的转速，同时提供较大的扭矩；

所述线性滑台A(6-1)用以精确控制试验中搅拌叶片的高度，由手动摇杆(7)来驱动；线性滑台B(6-2)由步进电机(23)控制，使探头沿物料桶的半径方向往复运动；

所述转速转矩传感器(4)通过联轴器与行星减速器(2)连接，转速转矩传感器(4)在实验中实时检测搅拌轴扭矩和速度的变化，配有数据采集器，由计算机记录处理数据；

所述搅拌叶片(5)通过联轴器与转速转矩传感器(4)连接，搅拌叶片(5)为内外双螺旋叶片用于进行物料的螺旋搅拌试验；

所述动态扫描检测系统由线性滑台B(6-2)、PIV设备、近红外光谱设备、物料桶(15)和红色塑料颗粒组成；所述物料桶(15)可拆卸地固定在安装基架(10)的底板(11)上；

所述的PIV设备由CCD高速摄像机(17)、红色塑料颗粒、计算机A(19)、显示器(20)组成，CCD摄像机CCD(17)安装于工作台(25)一侧，与计算机A(19)、显示器(20)通过数据线连接；

所述近红外光谱设备由探头(16)、ASD近红外光谱仪(18)、计算机B(22)、显示器(20)组成，探头(16)固定在线性滑台B(6-2)的滑块(24)上，与计算机B(22)、显示器(20)通过数据线连接，搅拌装置开始工作时，探头(16)沿物料桶半径方向往复运动。

2.根据权利要求1所述的一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置，其特征在于：所述物料桶(15)为透明的玻璃钢材料，方便动态扫描检测系统中PIV设备清楚地检测桶内物料的分布信息。

3.根据权利要求1或2所述的一种秸秆碎末高效搅拌的试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将物料桶(15)放在安装基架(10)的底板(11)上，进行固定，通过手动摇杆(7)控制搅拌叶片(5)移动到物料桶(15)内部，根据试验的要求控制搅拌叶片(5)的高度，然后向物料桶(15)内加入需要试验的秸秆碎屑物料和发酵菌种；

步骤二，物料运动过程的PIV检测：打开光源，使其正对物料桶(15)，在物料桶(15)的一侧，摆放CCD高速摄像机(17)，在物料中加入红色的塑料颗粒，打开CCD高速摄像机(17)，计算机A(19)，显示器(20)和相应的处理软件；

步骤三，物料运动过程的近红外光谱检测：打开探头(16)，正对物料上表面，打开ASD近红外光谱仪(18)和相应的处理软件；

步骤四，打开转速转矩传感器(4)，数据采集器和相应的处理软件；

步骤五，搅拌试验：打开控制搅拌叶片(5)的步进电机(1)和驱动器(12)，控制转速，使搅拌叶片(5)以试验速度对物料进行搅拌，打开线性滑台B(6-2)一侧的步进电机(23)和驱动器(21)，使ASD近红外光谱仪(18)的探头(16)沿物料桶(15)半径方向往复运动；CCD高速摄像机(17)拍摄一侧红色塑料颗粒的位置，记录其位置信息，ASD近红外光谱仪(18)采集物料上表面径向物料的光谱信息，转速转矩传感器(4)采集负载和转速情况；

步骤六，数据处理分析：PIV设备配备的分析软件将CCD高速摄像机(17)拍摄区域划分为50*50的二维网格，统计每个网格里红色塑料颗粒个数，计算竖直方向上每层50格网格内红色塑料颗粒个数的方差，得到竖直方向上物料的分布规律；红色塑料颗粒的速度即代表该点流场的速度；近红外光谱设备的分析软件，将现场采集的光谱数据对比事先建立的均匀度参比矩阵，得到直径方向上搅拌物料的分布规律；转速转矩传感器(4)的分析软件记录搅拌过程中转矩随转速、时间和填料量的变化过程；

步骤七，出料：通过手动摇杆(7)控制搅拌叶片(5)移动到物料桶(15)上方，取出物料桶(15)出料。