CN105784791A - 基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法 - Google Patents

基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法 Download PDF

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Abstract

基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法，涉及铸造领域。它要解决现有电容法测量铸造湿型粘土砂含水量未能考虑电阻的影响而使测量精度不高的问题。该方法通过下列步骤实现：一、组装由电容水分传感器、传感器输出信号测量单元、激励信号源、移相单元、过零检测单元、同步开关和同步分离单元构成的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的电路，二、组装由电容水分传感器、传感器输出信号测量单元、激励信号源、移相单元、过零检测单元、同步开关、同步分离单元、平均值测量单元、模数转换单元、数据通信单元和计算机构成的测量装置，三、利用测量装置测量湿型粘土砂的电容值和含水量。本发明提高了铸造湿型粘土砂含水量的测量精度。

Description

基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法
技术领域
本发明涉及铸造领域，具体是一种基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法。
背景技术
目前，湿型粘土砂铸造仍然为主要的铸造方法，湿型粘土砂的性能及其稳定性直接影响铸件的质量和生产成本。含水量是影响湿型粘土砂性能的主要参数之一，因此发展了十多种实时测量湿型粘土砂含水量的方法，其中电容法是使用较多的方法之一，其基本原理是，当被测湿型粘土砂的含水量发生变化时，会引起湿型粘土砂砂样电容值的变化，通过测得湿型粘土砂砂样的电容值，再根据湿型粘土砂的含水量与电容值之间的已有关系，即可快速计算出含水量的大小。然而，湿型粘土砂砂样在交流电场激励下，既表现出电容性，又表现出电阻性，而且电容性与电阻性相互作用、交织在一起，因此通过电阻值来计算含水量，必定受到电阻的影响，降低湿型粘土砂含水量的测量精度。而现有的基于电容法湿型粘土砂含水量测量装置都将电容传感器看作为理想状态，忽略了电阻的影响。因此，提供一种基于纯电容测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法具有重要意义。
发明内容
本发明是为了解决现有电容法测量铸造湿型粘土砂含水量未能考虑电阻的影响而使测量精度不高的问题，提供一种基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法。
本发明基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法通过下列步骤实施：
一、组装基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的电路：基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的电路，它包括电容水分传感器、传感器输出信号测量单元、激励信号源、移相单元、过零检测单元、同步开关和同步分离单元，其中电容水分传感器等效为湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的并联，传感器输出信号测量单元由放大器A1、平衡电阻R11和反馈电阻RF组成，同步分离单元由放大器A2、反馈电阻Rf、放大器A2的反相端输入电阻R21和放大器A2的同相端输入电阻R22组成，放大器A1的反相端与反馈电阻RF的一端相连、同时与湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的一端相连，湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的另一端同时接地，放大器A1的输出端与反馈电阻RF的另一端相连、同时与放大器A2的反相端输入电阻R21的一端和放大器A2的同相端输入电阻R22的一端相连，放大器A1的同相端与平衡电阻R11的一端相连，平衡电阻R11的另一端与激励信号源相连、同时与移相单元的一端相连，移相单元的另一端与过零检测单元的一端相连，过零检测单元的另一端与同步开关的一端相连，同步开关的另一端与放大器A2的同相端相连、同时与放大器A2的同相端输入电阻R22的另一端相连，放大器A2的反相端与反馈电阻R21的一端相连、同时与放大器A2的反相端输入电阻R21的另一端湿相连，反馈电阻Rf的另一端与放大器A2的输出端相连，激励信号源的输出电压为Ui，传感器输出信号测量单元的输出电压为U，同步分离单元的输出电压为UO。
二、组装基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的测量装置：基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的测量装置，它由电容水分传感器、传感器输出信号测量单元、激励信号源、移相单元、过零检测单元、同步开关、同步分离单元、平均值测量单元、模数转换单元、数据通信单元和计算机构成，其中电容水分传感器的信号输出端与传感器输出信号测量单元的一个信号输入端相连，激励信号源的信号输出端同时与传感器输出信号测量单元的另一个信号输入端和移相单元的信号输入端相连，移相单元的信号输出端与过零检测单元的信号输入端相连，过零检测单元的信号输出端与同步开关的信号输入端相连，同步开关的信号输出端与同步分离单元的一个信号输入端相连，同步分离单元的另一个信号输入端与传感器输出信号测量单元的信号输出端相连，同步分离单元的信号输出端与平均值测量单元的信号输入端相连，平均值测量单元的信号输出端与模数转换单元的信号输入端相连，模数转换单元的信号输出端与数据通信单元的信号输入端相连，数据通信单元的信号输出端与计算机的信号输入端相连。
三、利用测量装置测量湿型粘土砂的电容值和含水量：将电容水分传感器插入被测湿型粘土砂中，激励信号源产生正弦波激励信号Ui=Uimsinωt，在电容水分传感器输出信号和正弦波激励信号Ui的激励下，传感器输出信号测量单元输出电压,激励信号源产生正弦波激励信号Ui经移相单元、过零检测单元和同步开关后，输出方波信号，当方波信号为高电平时，放大器A2的同相端与地接通，同步分离单元的输出电压，当方波信号为低电平时，放大器A2的同相端与地断开，同步分离单元的输出电压，在一个周期内，同步分离单元的输出电压的实部的正负半周相互抵消，平均值为零,虚部接入平均值测量单元就可产生直流信号输出Ux,再送至模数转换单元进行采样，并经数据通信单元送入计算机中，计算机根据公式求得湿型粘土砂的电容值，再根据已有的湿型粘土砂电容Cx与含水量之间的关系，即可求得湿型粘土砂的含水量。
其中步骤一和步骤三所述的反馈电阻RF的精度不低于0.05%，电阻温度系数不高于20ppm/℃；
步骤三中所述的经移相单元后的正弦波信号的相位滞后于移相前信号的相位90度。
本发明的优点：通过移相单元使激励信号源发出的信号的相位滞后90度，可控制同步分离单元的放大器A2的同相端与地接通和断开，获得同步分离单元的输出电压的实部在正负半周相互抵消，平均值为零,输出电压的虚部接入平均值测量单元，得到仅与电容相关的电压平均值，进而求得湿型粘土砂的电容值，再求得湿型粘土砂的含水量，消除了电阻对含水量测量的影响，从而大大提高铸造湿型粘土砂含水量的测量精度。
附图说明
图1是本发明中一种基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的电路原理图。
图2是本发明中一种基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的测量装置组成框图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法通过下列步骤实施：
一、组装基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的电路：基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的电路，它包括电容水分传感器1、传感器输出信号测量单元2、激励信号源3、移相单元4、过零检测单元5、同步开关6和同步分离单元7，其中电容水分传感器1等效为湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的并联，传感器输出信号测量单元2由放大器A1、平衡电阻R11和反馈电阻RF组成，同步分离单元7由放大器A2、反馈电阻Rf、放大器A2的反相端输入电阻R21和放大器A2的同相端输入电阻R22组成，放大器A1的反相端与反馈电阻RF的一端相连、同时与湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的一端相连，湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的另一端同时接地，放大器A1的输出端与反馈电阻RF的另一端相连、同时与放大器A2的反相端输入电阻R21的一端和放大器A2的同相端输入电阻R22的一端相连，放大器A1的同相端与平衡电阻R11的一端相连，平衡电阻R11的另一端与激励信号源3相连、同时与移相单元4的一端相连，移相单元4的另一端与过零检测单元5的一端相连，过零检测单元5的另一端与同步开关6的一端相连，同步开关6的另一端与放大器A2的同相端相连、同时与放大器A2的同相端输入电阻R22的另一端相连，放大器A2的反相端与反馈电阻Rf的一端相连、同时与放大器A2的反相端输入电阻R21的另一端湿相连，反馈电阻Rf的另一端与放大器A2的输出端相连，激励信号源3的输出电压为Ui，传感器输出信号测量单元2的输出电压为U，同步分离单元7的输出电压为UO。
二、组装基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的测量装置：基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的测量装置，它由电容水分传感器1、传感器输出信号测量单元2、激励信号源3、移相单元4、过零检测单元5、同步开关6、同步分离单元7、平均值测量单元8、模数转换单元9、数据通信单元10和计算机11构成，其中电容水分传感器1的信号输出端与传感器输出信号测量单元2的一个信号输入端相连，激励信号源3的信号输出端同时与传感器输出信号测量单元2的另一个信号输入端和移相单元4的信号输入端相连，移相单元4的信号输出端与过零检测单元5的信号输入端相连，过零检测单元5的信号输出端与同步开关6的信号输入端相连，同步开关6的信号输出端与同步分离单元7的一个信号输入端相连，同步分离单元7的另一个信号输入端与传感器输出信号测量单元2的信号输出端相连，同步分离单元7的信号输出端与平均值测量单元8的信号输入端相连，平均值测量单元8的信号输出端与模数转换单元9的信号输入端相连，模数转换单元9的信号输出端与数据通信单元10的信号输入端相连，数据通信单元10的信号输出端与计算机11的信号输入端相连。
三、利用测量装置测量湿型粘土砂的电容值和含水量：将电容水分传感器1插入被测湿型粘土砂中，激励信号源3产生正弦波激励信号Ui=Uimsinωt，在电容水分传感器1输出信号和正弦波激励信号Ui的激励下，传感器输出信号测量单元2输出电压,激励信号源3产生正弦波激励信号Ui经移相单元4、过零检测单元5和同步开关6后，输出方波信号，当方波信号为高电平时，放大器A2的同相端与地接通，同步分离单元7的输出电压，在一个周期内，同步分离单元7的输出电压的实部的正负半周相互抵消，平均值为零,虚部接入平均值测量单元8就可产生直流信号输出Ux,再送至模数转换单元9进行采样，并经数据通信单元10送入计算机11中，计算机11根据公式求得湿型粘土砂的电容值，再根据已有的湿型粘土砂电容Cx与含水量之间的关系，即可求得湿型粘土砂的含水量。
其中步骤一和步骤三所述的反馈电阻RF的精度不低于0.05%，电阻温度系数不高于20ppm/℃；
步骤三中所述的经移相单元4后的正弦波信号的相位滞后于移相前信号的相位90度。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一的进步一说明，本实施方式所述的反馈电阻RF的取值为200kΩ。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二的进步一说明，本实施方式所述的激励信号源3产生的正弦波激励信号Ui的频率ω为8kHz、Uim为10V。其他步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三的进步一说明，本实施方式所述的模数转换单元9的采样频率不低于130kHz。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
本实施方式中，用不同标准数值的电容和电阻代替含水量不同的湿型粘土砂进行了电容值测试，测试结果如下，

Claims (3)

1.基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法，其特征在于，基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法通过下列步骤实现：
一、组装基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的电路：基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的电路，它包括电容水分传感器（1）、传感器输出信号测量单元（2）、激励信号源（3）、移相单元（4）、过零检测单元（5）、同步开关（6）和同步分离单元（7），其中电容水分传感器（1）等效为湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的并联，传感器输出信号测量单元（2）由放大器A1、平衡电阻R11和反馈电阻RF组成，同步分离单元（7）由放大器A2、反馈电阻Rf、放大器A2的反相端输入电阻R21和放大器A2的同相端输入电阻R22组成，放大器A1的反相端与反馈电阻RF的一端相连、同时与湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的一端相连，湿型粘土砂电阻Rx和湿型粘土砂电容Cx的另一端同时接地，放大器A1的输出端与反馈电阻RF的另一端相连、同时与放大器A2的反相端输入电阻R21的一端和放大器A2的同相端输入电阻R22的一端相连，放大器A1的同相端与平衡电阻R11的一端相连，平衡电阻R11的另一端与激励信号源（3）相连、同时与移相单元（4）的一端相连，移相单元（4）的另一端与过零检测单元（5）的一端相连，过零检测单元（5）的另一端与同步开关（6）的一端相连，同步开关（6）的另一端与放大器A2的同相端相连、同时与放大器A2的同相端输入电阻R22的另一端相连，放大器A2的反相端与反馈电阻Rf的一端相连、同时与放大器A2的反相端输入电阻R21的另一端湿相连，反馈电阻Rf的另一端与放大器A2的输出端相连，激励信号源（3）的输出电压为Ui，传感器输出信号测量单元（2）的输出电压为U，同步分离单元（7）的输出电压为UO；
二、组装基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的测量装置：基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法的测量装置，它由电容水分传感器（1）、传感器输出信号测量单元（2）、激励信号源（3）、移相单元（4）、过零检测单元（5）、同步开关（6）、同步分离单元（7）、平均值测量单元（8）、模数转换单元（9）、数据通信单元（10）和计算机（11）构成，其中电容水分传感器（1）的信号输出端与传感器输出信号测量单元（2）的一个信号输入端相连，激励信号源（3）的信号输出端同时与传感器输出信号测量单元（2）的另一个信号输入端和移相单元（4）的信号输入端相连，移相单元（4）的信号输出端与过零检测单元（5）的信号输入端相连，过零检测单元（5）的信号输出端与同步开关（6）的信号输入端相连，同步开关（6）的信号输出端与同步分离单元（7）的一个信号输入端相连，同步分离单元（7）的另一个信号输入端与传感器输出信号测量单元（2）的信号输出端相连，同步分离单元（7）的信号输出端与平均值测量单元（8）的信号输入端相连，平均值测量单元（8）的信号输出端与模数转换单元（9）的信号输入端相连，模数转换单元（9）的信号输出端与数据通信单元（10）的信号输入端相连，数据通信单元（10）的信号输出端与计算机（11）的信号输入端相连；
三、利用测量装置测量湿型粘土砂的电容值和含水量：将电容水分传感器（1）插入被测湿型粘土砂中，激励信号源（3）产生正弦波激励信号Ui=Uimsinωt，在电容水分传感器（1）输出信号和正弦波激励信号Ui的激励下，传感器输出信号测量单元（2）输出电压,激励信号源（3）产生正弦波激励信号Ui经移相单元（4）、过零检测单元（5）和同步开关（6）后，输出方波信号，当方波信号为高电平时，放大器A2的同相端与地接通，同步分离单元（7）的输出电压，当方波信号为低电平时，放大器A2的同相端与地断开，同步分离单元（7）的输出电压，在一个周期内，同步分离单元（7）的输出电压和的实部的正负半周相互抵消，平均值为零,虚部接入平均值测量单元（8）就可产生直流信号输出Ux,再送至模数转换单元（9）进行采样，并经数据通信单元（10）送入计算机（11）中，计算机（11）根据公式求得湿型粘土砂的电容值，再根据已有的湿型粘土砂电容Cx与含水量之间的关系，即可求得湿型粘土砂的含水量。
2.根据权利要求1所述的基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法，其特征在于，所述的反馈电阻RF的精度不低于0.05%，电阻温度系数不高于20ppm/℃。
3.根据权利要求1所述的基于纯电容值测量的铸造湿型粘土砂含水量的测量方法，其特征在于，所述的经移相单元（4）后的正弦波信号的相位滞后于移相前信号的相位90度。
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