CN106290062A - 一种螺旋加料过程中粉体堆积密度在线检测传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋加料过程中粉体堆积密度在线检测传感器及检测方法，所述检测传感器由电容传感器、电容转换模块、单片机控制单元、电源模块组成。电容传感器包括螺旋激励电极、螺旋检测电极、两个边缘电极、两个螺旋径向电极、屏蔽罩；粉体堆积密度在线检测方法首先采集电容传感器的电容值，然后通过电容转换模块进行电压电容换算处理，最后单片机再进行粉体堆积密度与电压值换算处理，得到粉体堆积密度。本发明改善了传感器的灵敏度和检测精度，实现了螺旋加料过程中粉体堆积密度的在线检测，实时性高，能有效提高定量生产效率，节约能源，并且有利于对加料情况的监控，有巨大实际应用价值和推广前景。

Description

一种螺旋加料过程中粉体堆积密度在线检测传感器及检测 方法

技术领域

本发明属于粉体定量加料技术领域，具体是一种螺旋加料过程中粉体堆积密度在线检测传感器及检测方法，可应用于螺旋定量加料机粉体堆积密度的检测。

背景技术

在食品、化工、粉末冶金、陶瓷、建材、化肥农药，化工原料及半成品、以及农副产品等行业，需要大量对粉体进行不连续定量配料或者包装生产。粉体颗粒易吸湿粘结、吸附和飞溅，物料损耗大，且严重污染工作环境，容易引起操作工人中毒、尘肺等职业病。由于螺旋加料机具有密封性强、结构简单、工作可靠、造价低廉、加料量控制方便、便于实现自动化管理等优点，被广泛应用于粉体的定量配料或者包装生产。但在螺旋不连续加料过程中，粉体被压缩的紧密程度不一样，这使得粉体的堆积密度发生改变，从而使得螺旋定量加料的准确度难以得到保证。因此，及时掌握螺旋输送管内粉体堆积密度是研究解决快速、准确螺旋定量加料难题的关键之一。

目前，国内外针对粉体堆积密度的在线检测研究较少。在国外，2011年新西兰的DaviesRobert通过一种准连续在线称重法进行了颗粒堆积密度的直接测量。该方法需要转移一些粉体到配有测力传感器的容器中，然后专门测量粉体堆积密度。但是这种方法局限于在输送中能取出一部分的流动粉体的堆积密度检测。并且它需要一个较大的测量时间，同时取出的这部分粉体堆积密度不能完全代表整个粉体的堆积密度。在国内，对粉体堆积密度的检测主要采用手工法对取出的样品进行测试来实现粉体堆积密度的检测，是离线检测方法。如2009年常东武通过把充过汞并装有样品的样品管进行压汞测试，得到粉体的孔径分布数据，从而得到粉体的堆积密度。但检测的时间较长且无法实现在线检测。2012年程宝军等人在申请专利一种粉体堆积密度测试装置及方法(申请号：201210274878.5)中使用机械压力法制备干粉压实体，然后对制备好的压实体测量质量和体积，从而得到堆积密度。但这种方法反复使用高强度的机械压力对粉体压制，测量范围小，只适合对堆积密度的振实密度进行测量，无法对从松密度到振实密度中间的堆积密度进行测量。2015年东南大学的马涛等人在申请专利一种粗集料堆积密度及间隙率的测定方法(申请号：201510011999.4)中测定容量筒的质量，将粗集料装入容量筒内，按照所需测定粗集料的不同状态进行操作，称取容量筒和粗集料的总质量，之后通过向容量筒注水，称取容量筒、粗集料和水的总质量。从而根据所测得的数据和推导的公式计算粗集料的堆积密度。但这种方法主要基于手工法，只适用于粗集料的检测并且需要取出一些样品进行测定，不利于实现在线检测。

由于在螺旋加料过程中，从输送管指定位置取出样品非常难，所以上述方法并不适用于在螺旋加料过程中粉体堆积密度的在线监测。

发明内容

为解决螺旋加料机粉体堆积密度在线检测难题，克服取料不方便、操作复杂、实时性不高、堆积密度测量范围小等的不足，本发明提供一种测量简单、实时性好、精度较高，且堆积密度测量范围大的粉体堆积密度在线检测传感器及检测方法。

本发明所述的螺旋加料过程中的粉体堆积密度在线检测传感器，包括电容传感器、电容转换模块、单片机控制单元、电源模块；

所述电容传感器设置在螺旋输送管的外部、靠近出料口的位置，包括螺旋激励电极、螺旋检测电极、两个边缘电极、两个螺旋径向电极、屏蔽罩；螺旋激励电极与螺旋检测电极按相同方向旋转、均粘贴在螺旋输送管的外壁上、且两者之间互不重叠；两个边缘电极分别粘贴在螺旋激励电极两侧、且与螺旋激励电极对齐；螺旋检测电极的轴向长度大于螺旋激励电极的轴向长度，且螺旋检测电极的外端与所述边缘电极的外端位于同一截面上；在螺旋激励电极和螺旋检测电极的两个间隙中间分别粘贴一个螺旋径向电极，螺旋径向电极与螺旋激励电极具有相同的旋转方向，且两个螺旋径向电极两端对齐；屏蔽罩设置在螺旋输送管的外部、两端与边缘电极密封连接，并将螺旋激励电极、螺旋检测电极、螺旋径向电极包覆在屏蔽罩与螺旋输送管之间，螺旋径向电极与屏蔽罩相连接；

所述电容转换模块与螺旋激励电极、螺旋检测电极相连，用于将螺旋激励电极和螺旋检测电极间的微小电容值转化为电压值；

所述单片机控制单元与电容转换模块相连，用于接收电容转换模块中的一系列电压值，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，从而通过电压电容换算处理，得到一系列电压值，再通过粉体堆积密度与电压值换算处理，最后得到表示粉体堆积密度的数值，进一步地，显示所得到的粉体堆积密度；

所述电源模块，用于将外接电压转换成单片机控制单元以及电容转换模块的工作电压，为单片机控制单元、电容转换模块供电。

进一步地，所述螺旋激励电极、螺旋检测电极、螺旋径向电极、边缘电极的旋转角度为180°，螺旋激励电极的轴向长度为一个螺距长。

进一步地，螺旋激励电极和螺旋检测电极间的距离为螺旋径向电极厚度的3倍。

进一步地，所述螺旋激励电极与边缘电极的距离与螺旋激励电极的厚度相等。

进一步地，所述两个边缘电极的宽度与螺旋激励电极的宽度相等，长度为螺旋激励电极厚度的5倍。

进一步地，所述两个螺旋径向电极的轴向长度为螺旋检测电极的长度，厚度为输送管内径的十分之一，高度为螺旋激励电极厚度的3倍。

进一步地，所述屏蔽罩轴向长度是螺旋检测电极的1.2倍，厚度为输送管内径的十分之二。

进一步地，所述螺旋激励电极、螺旋检测电极、两个边缘电极、两个螺旋径向电极、屏蔽罩均采用铜箔制成。

进一步地，所述粉体堆积密度在线检测传感器的粉体堆积密度在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，给所述螺旋激励电极施加激励电压，测得螺旋激励电极和螺旋检测电极电极之间的电容值c；

第二步，电容转换模块(2)将电容值c转换为电压值U＝kc，其中，k为电压值U与电容值c的转换系数，由电路的阻值、电容、电感等参数决定，通过电路定理计算得到；

第三步，单片机控制单元根据电压值U计算得到粉体堆积密度并实时将计算得到的ρ_b送于单片机的液晶显示屏进行显示；

其中，ρ_p为真实密度，D₀为粉体中固体物质体积占包括空隙在内的整个粉体总体积的比例；ε_气为空气的介电常数；ε_粉为粉体的介电常数；K为特征参数，由所述传感器的结构参数决定，由COMSOL软件依据传感器结构参数通过高斯定理计算得到。

进一步地，所述的粉体堆积密度在线检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

第四步，重复第一步、第二步和第三步，对在单位时间内得到的多次测量数据ρ_b1,ρ_b2,ρ_b3,…,ρ_bn取平均值得到ρ_{b_avg}；单片机控制单元实时将ρ_{b_avg}送于单片机的液晶显示屏进行显示。

本发明所述的粉体堆积密度在线检测传感器及检测方法具有如下优点：

1)螺旋激励电极和螺旋检测电极使检测场发生了扭转，其检测场的均匀性明显高于直极板电容传感器；

2)螺旋激励电极和螺旋检测电极与两个边缘电极的布置方式有效地避免了测量电极阵列两侧的边缘效应，提高了测量电极电场分布的均匀性，进而改善了传感器的灵敏度和精度；

3)螺旋径向电极用于隔离螺旋激励电极和螺旋检测电极，提高了传感器的检测精度；

本发明所述的粉体堆积密度在线检测方法克服了目前离线检测方法取料不方便、操作复杂、堆积密度测量范围小等不足，实现了螺旋加料过程中粉体堆积密度的在线检测，实时性高，能有效提高定量生产效率，节约能源，并且有利于对加料情况的监控，有巨大实际应用价值和推广前景。

附图说明

图1是本发明的螺旋加料过程中粉体堆积密度在线检测传感器检测系统示意图。

图2是本发明的去螺旋输送轴的螺旋输送管及电容传感器示意图。

图3是本发明的螺旋输送管及电容传感器截面示意图。

图4是本发明的螺旋输送管剖面图。

图中，1—单片机控制单元，2—电容转换模块，3—电容传感器，4—电源模块，5—螺旋输送管出料口，6—螺旋输送管进料口，7—螺旋输送管，8—螺旋输送轴，301—螺旋激励电极，302—螺旋检测电极，303—边缘电极，304—螺旋径向电极，305—屏蔽罩。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的螺旋加料过程中的粉体堆积密度在线检测传感器，包括电容传感器3、电容转换模块2、单片机控制单元1、电源模块4；

如图2、图3所示，所述电容传感器3包括螺旋激励电极301、螺旋检测电极302、两个边缘电极303、两个螺旋径向电极304、屏蔽罩305。其中，所述螺旋激励电极301、螺旋检测电极302、两个边缘电极303、两个螺旋径向电极304、屏蔽罩305均采用铜箔制成。螺旋激励电极301和螺旋检测电极302按相同方向旋转，旋转角度为180°，宽度为72.5毫米。螺旋激励电极301和螺旋检测电极302均粘贴在螺旋输送管7的外壁上、且两者之间互不重叠。螺旋激励电极301和螺旋检测电极302间的距离为6毫米。两个边缘电极303分别粘贴在螺旋激励电极301两侧、且与螺旋激励电极301对齐，螺旋激励电极301与边缘电极303的距离为1毫米。螺旋激励电极301的轴向长度为40毫米。；螺旋检测电极302的轴向长度大于螺旋激励电极301的轴向长度，螺旋检测电极302的两端与边缘电极303的外端对齐，螺旋检测电极302的轴向长度为52毫米。所述两个边缘电极303的宽度为72.5毫米，旋转角度为180°，长度为5毫米。所述两个螺旋径向电极304的轴向长度为螺旋检测电极302的长度，按相同方向旋转，旋转角度为45°，且两端对齐粘贴，厚度为2毫米，高度为6毫米，与屏蔽罩305相连接且指向圆心。所述屏蔽罩轴向长度是60毫米，厚度为4毫米；

如图4所示，在螺旋输送管7的一端有螺旋输送管出料口5，另一端有螺旋输送管进料口7。同时，在螺旋输送管5的内部安装有螺旋输送轴8，螺距为40毫米。

所述电容转换模块，采用高度集成化的通用微小电容检测芯片MS3110，将极板间的微小电容值转化为相应的电压值，对被测电容只进行一次充放电，即可完成对电容的测量。通用微小电容读取芯片MS3110，它是一个基于电荷放大原理的电容测量电路，通过对MS3110内部各寄存器的编程实现对电容的测量，把MS3110的CS2IN引脚连至激励切换部分的输出，把MS3110的CSCOM引脚连至检测切换部分的输出，MS3110的输出值是直流信号。

所述单片机控制单元是整个测量系统的核心，采用台湾凌阳科技有限公司生产的16位SPCE061A单片机作为控制核心，给电容转换模块提供控制信号，接收电容转换模块中的一系列电压值，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，按照所述的粉体堆积密度检测方法计算处理得到粉体堆积密度，并把所得到的粉体堆积密度送于显示屏进行实时显示。

所述电源模块，由稳压电源给单片机控制单元、电容转换模块提供5v的电压，并经过1117稳压芯片降压至2.5v，最终分压至2.25v给电容转换模块提供参考电压。

本发明所述的螺旋加料过程中的粉体堆积密度检测方法，包括以下步骤：

第一步，给螺旋激励电极施加激励电压，测得螺旋激励电极和螺旋检测电极之间的电容值c，该电容值反映了待测位置的粉体堆积密度ρ_b。

堆积密度的计算公式为：ρ_b＝ρ_p·D₀ (1)

式(1)中，ρ_p为真实密度，D₀为粉体中固体物质体积占包括空隙在内的整个粉体总体积的比例。

管道内粉体的等效介电常数ε_eff为：

ε_eff＝(1-D₀)ε_气+D₀ε_粉 (2)

式(2)中，ε_气为空气的介电常数，ε_粉为粉体的介电常数。

螺旋激励电极和螺旋检测电极之间的电容值为：

c＝K·ε_eff (3)

式(3)中，K为特征参数，由传感器结构决定。

由式(1)，式(2)，式(3)可得到电容值c与粉体堆积密度ρ_b的关系为：

第二步，电容转换模块将电容值c转换为电压值U。

U＝kc (5)

其中，k为电压值U与电容值c的转换系数。

第三步，单片机控制单元根据电压值U计算得到粉体堆积密度ρ_b

第四步，根据实际需要，重复第一步、第二步和第三步，对每秒内得到的60次测量数据ρ_b1,ρ_b2,ρ_b3,…,ρ_b60取平均值：

${\mathrm{\ρ}}_{b\_avg}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{b1}+{\mathrm{\ρ}}_{b2}+{\mathrm{\ρ}}_{b3}+...+{\mathrm{\ρ}}_{b60}}{60}---\left(7\right)$

第五步，单片机控制单元实时将ρ_{b_avg}送于单片机的液晶显示屏进行显示。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.粉体堆积密度在线检测传感器，其特征在于，包括电容传感器(3)、电容转换模块(2)、单片机控制单元(1)、电源模块(4)；

所述电容传感器(3)设置在螺旋输送管(7)的外部、靠近出料口(5)的位置，包括螺旋激励电极(301)、螺旋检测电极(302)、两个边缘电极(303)、两个螺旋径向电极(304)、屏蔽罩(305)；螺旋激励电极(301)与螺旋检测电极(302)按相同方向旋转、均粘贴在螺旋输送管(7)的外壁上、且两者之间互不重叠；两个边缘电极(303)分别粘贴在螺旋激励电极(301)两侧、且与螺旋激励电极(301)对齐；螺旋检测电极(302)的轴向长度大于螺旋激励电极(301)的轴向长度，且螺旋检测电极(302)的外端与所述边缘电极(303)的外端位于同一截面上；在螺旋激励电极(301)和螺旋检测电极(302)的两个间隙中间分别粘贴一个螺旋径向电极(304)，螺旋径向电极(304)与螺旋激励电极(301)具有相同的旋转方向，且两个螺旋径向电极(304)两端对齐；屏蔽罩(305)设置在螺旋输送管(7)的外部，并将螺旋激励电极(301)、螺旋检测电极(302)、螺旋径向电极(304)包覆在屏蔽罩(305)与螺旋输送管(7)之间，螺旋径向电极(304)与屏蔽罩(305)相连接；

所述电容转换模块(2)与螺旋激励电极(301)、螺旋检测电极(302)相连，用于将螺旋激励电极(301)和螺旋检测电极(302)间的微小电容值转化为电压值；

所述单片机控制单元(1)与电容转换模块(2)相连，用于接收电容转换模块(2)中的一系列电压值，并将模拟电压信号转换为数字电压信号，从而通过电压电容换算处理，得到一系列电压值，再通过粉体堆积密度与电压值换算处理，最后得到表示粉体堆积密度的数值，进一步地，显示所得到的粉体堆积密度；

所述电源模块(4)，用于将外接电压转换成单片机控制单元(1)以及电容转换模块(2)的工作电压，为单片机控制单元(1)、电容转换模块(2)供电。

2.根据权利要求1所述的粉体堆积密度在线检测传感器，其特征在于，所述螺旋激励电极(301)、螺旋检测电极(302)、螺旋径向电极(304)、边缘电极(303)的旋转角度为180°，螺旋激励电极(301)的轴向长度为一个螺距长。

3.根据权利要求1所述的粉体堆积密度在线检测传感器，其特征在于，螺旋激励电极(301)和螺旋检测电极(302)间的距离为螺旋径向电极(304)厚度的3倍。

4.根据权利要求1所述的粉体堆积密度在线检测传感器，其特征在于，所述螺旋激励电极(301)与边缘电极(303)的距离与螺旋激励电极(301)的厚度相等。

5.根据权利要求1所述的粉体堆积密度在线检测传感器，其特征在于，所述两个边缘电极(303)的宽度与螺旋激励电极(301)的宽度相等，长度为螺旋激励电极(301)厚度的5倍。

6.根据权利要求1所述的粉体堆积密度在线检测传感器，其特征在于，所述两个螺旋径向电极(304)的轴向长度为螺旋检测电极(302)的长度，厚度为输送管内径(7)的十分之一，高度为螺旋激励电极(301)厚度的3倍。

7.根据权利要求1所述的粉体堆积密度在线检测传感器，其特征在于，所述屏蔽罩(305)轴向长度是螺旋检测电极(302)的1.2倍，厚度为输送管(7)内径的十分之二。

8.根据权利要求1所述的粉体堆积密度在线检测传感器，其特征在于，所述螺旋激励电极(301)、螺旋检测电极(302)、两个边缘电极(303)、两个螺旋径向电极(304)、屏蔽罩(305)均采用铜箔制成。

9.权利要求1所述粉体堆积密度在线检测传感器的粉体堆积密度在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，给所述螺旋激励电极(301)施加激励电压，测得螺旋激励电极(301)和螺旋检测电极(302)电极之间的电容值c；

第二步，电容转换模块(2)将电容值c转换为电压值U＝kc，其中，k为电压值U与电容值c的转换系数，由电路的阻值、电容、电感等参数决定，通过电路定理计算得到；

第三步，单片机控制单元(1)根据电压值U计算得到粉体堆积密度并实时将计算得到的ρ_b送于单片机的液晶显示屏进行显示；

其中，ρ_p为真实密度，D₀为粉体中固体物质体积占包括空隙在内的整个粉体总体积的比例；ε_气为空气的介电常数；ε_粉为粉体的介电常数；K为特征参数，由所述传感器的结构参数决定，由COMSOL软件依据传感器结构参数通过高斯定理计算得到。

10.权利要求8所述的粉体堆积密度在线检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

第四步，重复第一步、第二步和第三步，对在单位时间内得到的多次测量数据ρ_b1,ρ_b2,ρ_b3,…,ρ_bn取平均值得到ρ_{b_avg}；单片机控制单元实时将ρ_{b_avg}送于单片机的液晶显示屏进行显示。