CN106595240A - 一种自动控制土样含水率变化的烘干方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动控制土样含水率变化的烘干方法及装置，步骤是：A、在热风烘箱底部安置由称重传感器和含水量控制器组成的含水量监控系统；B、将试验土样放进可移动托架中，接通烘箱电源，设定初始含水率、温度等参数，启动风热系统；C、称重传感器实时监控烘箱内部试样的整体含水率；D、测温传感器实时监控烘箱内部温度；E、温度控制器根据含水量变化值动态下调烘箱工作温度，自动停止烘干。装置由烘箱箱体、热风系统、含水量监控系统、温度监控系统、及可移动托盘架构成，该发明集成基于温度和含水率实时监测数据的自动控制系统，操作简单、实现了烘箱自动控制，解决了土工试验中湿法制样的批量化备样过程，显著提高了烘干效率。

Description

一种自动控制土样含水率变化的烘干方法及装置
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种自动控制土样含水率变化的烘干方法，同时还涉及一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，适用于室内土工试验，尤其是湿法制样对土料的批量化精准缩水烘干。
背景技术
室内土工试验中制备过湿土扰动样，通常有干法和湿法两种不同的制样方式。干法制样时，先使过湿土料完全烘干成风干土，再按含水率要求加水备料，而后压实制样；而湿法制样时，直接让过湿土定量脱水到所要求的含水量状态，再进行压实制样。借助烘箱设备，批量化的干法制样可以高效完成，然而现有的土工试验烘箱无法自动控制土样含水率状态，湿法制样时还需在烘干过程中人为值守，并反复量测含水率变化状态，效率十分低下。
普通土工试验烘箱一般采用人为设定加热温度和工作时间来控制烘箱工作状态，无法掌握烘箱加热过程中试样的含水率以及脱水率，因此试验烘箱一般用于完全烘干试样，而难以实现自动化定量脱水及部分烘干功能，此外烘干工作时间任凭人为经验设定，通常会使烘箱工作运行超时，造成不必要的资源浪费。
在化工试验及粮食检测领域，目前已零星出现了可称重烘箱(如ZL201510492886.0)、可控制烘干终点水分含量的烘箱(如201010178658.3)等，这些烘箱一方面只监测代表性试样重量，当不同托盘内试样乘放厚度不均时，尤其对于土工试样中过湿粘性土样，代表性试样容易出现监测误差。此外，这些装置仍需借助外部电脑来处理监测信息，同时没有将监测到的含水率信息同步反馈到温控系统以调整烘箱的工作状态，烘箱控制系统的集成化程度不高，不能达到无人值守和根据试样含水率自动控制烘箱工作状态，难以显著改善土工试验中批量化湿法制样的效率。
发明内容
本发明旨在克服现有土工试验烘箱装置的不足，目的是在于提供了一种自动控制土样含水率变化的烘干方法，在一般烘箱装置基础上，通过实时监测烘干过程中所有试样的整体含水量变化，联动温度控制器动态调节热风系统，实现由土样含水量变化自动控制烘箱的工作状态。
本发明的另一个目的是在于提供了一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，使用方便，运行高效、经济节能。
为了实现上述的目的，本发明采用下述技术方案：
一种自动控制土样含水率变化的烘干方法，其步骤是：
A.在普通热风烘箱底部安置由称重传感器和含水量控制器组成的含水量监控系统。集成温度控制系统和含水率控制系统，改进普通烘箱基于温度的单控方式，实现由含水量和温度双指标联合控制烘箱。
B.准备好试验土样，放进可移动托架中，接通烘箱电源总开关，电源/开关总体控制温度监控系统和含水量控制系统的供电状态，温度控制器直接控制加热管和风机工作状态，加热器和风机为烘箱提供烘干热风。
C.在含水率控制器仪表盘中输入土样初始含水率、土样总重量、土样整体含水率变化量等参数，称重传感器实时监控烘箱内部试样的整体含水率变化信息wx，并反馈给含水率控制器处理显示，含水率控制器根据设定含水率变化量w0和实时含水率变化量wx的差值△w，将含水率变化差值△w反馈给温度控制器。
D.在温度控制器仪表盘中设定烘箱初始工作温度，烘箱自动开启热风系统开始工作，测温传感器实时监控烘箱内部温度tx，将温度信息反馈到温度控制器处理显示，温度控制器根据工作温度t0和实时温度tx的差值△t，动态调整热风系统工作状态。
E.温度控制器根据含水率控制器输出的△w值动态下调烘箱工作温度t0，再由实时温度差值△t动态调整热风系统工作状态，△t大于零时加热供风，△t小于零时自动中止热风工作，当△w等于零时土样完成烘干。
本发明获得的显著技术效果为：改进了普通烘箱基于温度的单控方式，集成温度控制系统和含水率控制系统实现了烘箱的双指标联合控制，同时实现了由土样含水量变化状态自动控制烘箱工作状态，解决了土工试验中湿法制样的批量化备样问题。
一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，由烘箱箱体、热风系统、含水量监控系统、温度监控系统、及可移动托盘架构成，其特征在于：烘干装置中的可移动托盘架放置于烘箱箱体的烘干工作室内，烘干工作室与烘箱箱体外壳通过硅酸铝纤维保温材料相连，热风系统镶嵌于烘箱箱体外壳上部、含水量监控系统镶嵌于烘箱箱体外壳下部，温度监控系统镶嵌于烘箱箱体外壳左侧，温度控制系统中的温度控制器与烘箱电源开关相连，温度传感器与温度控制器相连，含水量监控系统中的含水量监控器与温度控制系统中的温度控制器相连，称重传感器与含水率控制器相连，热风系统中的电动风机分别与电加热管、温度控制系统中的温度控制器相连。
所述的烘箱箱体，为一内置烘干工作室的长方体形空心箱体，由烘干工作室和烘箱外壳组成，烘干工作室与烘箱箱体外壳通过保温材料相连。烘箱外壳采用薄钢板制作，工作室采用优质结构钢板制作，工作室左右两侧用钢板格栅设置热风通道，外壳与工作室之间填充硅酸铝纤维保温材料。箱体前立面设置侧开门，顶面设置进风口，右侧面底端设置出风口。
所述的热风系统，由电动风机和电加热管组成，电动风机、电加热管通过电导线分别与温度控制器相连，电动风机水平安置于电加热管左侧、两者不连接，电动风机为低噪音耐高温轴流风机，其叶轮、涡壳均采用不锈钢制作，风机主机安置于箱体左侧，风机主机与加热室之间设置硅酸铝纤维保温材料(隔热层)；电加热管由多根(4－8根)加热管并列式排列组成，电加热管安置于烘干工作室上部，加热管与工作室之间设置保温隔热层。
所述的含水量监控系统，由含水量控制器、称重传感器、称重托盘组成，称重托盘通过隔热陶瓷垫与称重传感器相连、称重传感器通过传输导线与含水率控制器相连，含水量监控器由数据处理器、显示器和控制面板集成一体，通过传导线与称重传感器相连，采集、处理称重传感器数据，并可实时显示、监测和控制土样含水量信息。称重托盘为不锈钢制作的长方形盘子，四个盘角部位分别设置一个称重传感器，传感器与托盘之间采用高强度隔热陶瓷垫相连，称重托盘将可移动托架的重力传递到称重传感器上。称重传感器为微轮辐式称重传感器，量程为20-50kg，综合精度高于0.2％F·S。
所述的温度控制系统，由温度控制器、温度传感器组成，温度控制器通过传输导线与温度传感器相连，温度监控器由数据处理器、显示器和控制面板集成一体，通过传导线与温度传感器相连，采集、处理温度传感器数据，同时作为信息传输中心，采用传导线分别与热风系统、电源开关、含水率控制器相连接，实现由烘箱温度和土样含水率信息联动控制烘箱工作状态。温度传感器为高温高精度铂金电阻pt100式，最大量程为105℃，测量误差小于0.1℃。
所述的可移动托盘架，由立柱、横梁、隔层、轮子组成，横梁、隔层通过电焊与立柱焊接、轮子通过螺杆与立柱底部相连，立柱采用不锈钢方管，横梁为不锈钢角钢，隔层采用钢格栅网，轮子选用不锈钢材质，每个可移动托架配置二个定向轮，二个变向轮。
本发明与现有烘干方法及装置相比，具有以下优点和效果：
一种自动控制土样含水率变化的烘干方法及装置，可实时监控试样含水率、自动控制烘箱工作，具有便捷、高效、节能等特点。与普通烘箱相比，本装置在烘箱底部设置了四个称重传感器，可实时监控待烘干试样的整体含水率变化，同时不同于传统烘箱的温度单控系统，本方法采用含水率和温度双参数控制烘箱工作状态，能很好解决土工试验中湿法制样的自动化控制问题，拓展了土工试验烘箱的使用范围。与可称重烘箱相比(如ZL201510492886.0)，本方法及装置设计了多个称重传感器，可实时监测烘箱内所有试样的含水率变化，不同与已有可称重烘箱只能监测一小部分，解决了监测试样烘干不均匀的误差问题。与可控制烘干水分终点烘箱(如201010178658.3)相比，本方法及装置集成了基于温度和含水率实时监测数据的控制系统，无需借助外部电脑来处理监测信息，同时将含水率实时监测信息同步反馈到温控系统以调整烘箱的工作状态，实现了烘箱的自动控制和无人值守，尤其解决了土工试验中湿法制样的批量化备样过程，显著提高了烘干工作效率。
有关测试数据如下：
测试一：
测试二：
附图说明
图1为一种自动控制土样含水率变化的烘干装置的结构立面图；
图2为图1中Ⅰ-Ⅰ处的结构剖面图；
图3为可称重托盘的平面结构图
图4为一种自动控制土样含水率变化的烘干方法的控制原理框架图
其中有：烘箱箱体1、热风系统2(由电动风机6和电加热管7组成)、含水量监控系统3(由含水量控制器9、称重传感器8、称重托盘19组成)、温度监控系统4(由温度控制器10、温度传感器11组成)、可移动托盘架5、电动风机6(JAKEL FASCO J238-112-11263)、电加热管7、称重传感器8(欧路达AT8106-20)、含水量控制器9(欧路达AD2015D控制仪改进)、温度控制器10(华控HSTL-PT100-M20)、温度传感器11(华控CH6温度控制仪改进)、烘干工作室12、烘箱外壳13、热风通道14、硅酸铝纤维保温材料15、烘箱侧开门16、进风口17、出风口18、称重托盘19、隔热陶瓷垫20、电源开关21、立柱22、横梁23、隔层24、轮子25。
具体实施方式
实施例1：
根据图1-4可知，一种自动控制土样含水率变化的烘干方法，其步骤是：
A.在普通热风烘箱底部安置由称重传感器和含水量控制器组成的含水量监控系统，集成温度控制系统和含水率控制系统，改进普通烘箱基于温度的单控方式，实现由含水量和温度双指标联合控制烘箱。
B.准备好试验土样，放进可移动托架5中，接通烘箱电源开关21；电源/开关21总体控制温度监控系统4和含水量控制系统3的供电状态，温度控制器10直接控制加热管7和风机6工作状态，加热器7和风机6为烘箱提供烘干热风。形成由总到分的电力控制系统，能统一控制烘干过程的冷启动和冷关闭。
C.在含水率控制器9仪表盘中输入土样初始含水率、土样总重量、土样整体含水率变化量等参数；称重传感器8实时监控烘箱内部试样的含水率变化信息wx，并反馈给含水率控制器9处理显示，含水率控制器9根据设定含水率变化量w0和实时含水率变化量wx计算差值△w，将含水率变化差值△w反馈给温度控制器10。使烘干过程中能动态监测土样的的含水率变化，并将含水率信息实时显示和处理利用。
D.在温度控制器10仪表盘中设定烘箱初始工作温度，烘箱自动开启热风系统2开始工作，测温传感器11实时监控烘箱内部温度tx，将温度信息反馈到温度控制器10处理显示，温度控制器10根据工作温度t0和实时温度tx的差值△t，动态调整热风系统2工作状态。使烘干过程中能动态监测、显示土样的的温度变化，并利用温度信息调整烘箱运行过程。
E.温度控制器10根据含水率监控器9输出的△w值动态下调烘箱工作温度t0，再由实时温度差值△t动态调整热风系统2工作状态，△t大于零时加热供风，△t小于零时自动中止热风工作，当△w等于零时土样完成烘干。整个烘干过程由温度控制器10和含水率控制器9联动控制烘箱运行，实现由土样含水量变化状态自动控制烘箱工作状态。
本发明的技术方案改进了普通烘箱基于温度的单控方式，集成温度控制系统和含水率控制系统实现了烘箱的双指标联合控制，同时实现了由土样含水量变化状态自动控制烘箱工作状态，解决了土工试验中湿法制样的批量化备样问题。
实施例2：
如图1～图3所示，一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，由烘箱箱体1、热风系统2、含水量监控系统3、温度监控系统4、及可移动托盘架5构成，其特征在于：烘干装置中的可移动托盘架5放置于烘箱箱体1的烘干工作室12内，烘干工作室12与烘箱箱体外壳13通过硅酸铝纤维保温材料15相连，热风系统2镶嵌于烘箱箱体外壳13上部，含水量监控系统3镶嵌于烘箱箱体外壳13下部，温度监控系统4镶嵌于烘箱箱体外壳13左侧，温度控制系统4中的温度控制器10与烘箱电源开关21相连，温度传感器11与温度控制器10相连，含水量监控系统3中的含水量监控器9与温度控制系统4中的温度控制器11相连，称重传感器8与含水率控制器9相连，热风系统2中的电动风机6分别与电加热管7、温度控制系统4中的温度控制器10相连。
所述的烘箱箱体1，为一内置烘干工作室12的长方体形空心箱体，由烘干工作室12和烘箱外壳13组成，烘干工作室12与烘箱箱体外壳13通过保温材料15相连。烘箱箱体1的烘箱外壳13采用薄钢板制作，烘干工作室12采用优质结构钢板制作，烘干工作室12左右两侧用钢板格栅设置热风通道14，烘箱外壳13与烘干工作室12之间填充硅酸铝纤维保温材料15。烘箱箱体1前立面设置侧开门16，顶面设置进风口17，右侧面底端设置出风口18。
所述的热风系统2，由电动风机6和电加热管7组成，电动风机6、电加热管7通过电导线分别与温度控制器10相连，电动风机6水平安置于电加热管7左侧、两者不连接，电动风机6为低噪音耐高温轴流风机，其叶轮、涡壳均采用不锈钢制作，电动风机6主机安置于烘箱箱体1左侧，电动风机6主机与烘干工作室12之间设置硅酸铝纤维保温材料15(隔热层)，电加热管7由4、或、6、或8根电加热管7并列式排列组成，电加热管7安置于烘干工作室12上部，电加热管7与烘干工作室12之间设置保温隔热层15。
所述的含水量监控系统3，由含水量控制器9、称重传感器8、称重托盘19组成，称重托盘19通过隔热陶瓷垫20与称重传感器8相连、称重传感器8通过传输导线与含水率控制器9相连，含水量监控器9由数据处理器、显示器和控制面板集成一体，通过传导线与称重传感器8相连，采集、处理称重传感器数据，并可实时显示、监测和控制土样含水量信息。称重托盘19为不锈钢制作的长方形盘子，四个盘角部位分别设置一个称重传感器8，称重传感器8与托盘之间采用高强度隔热陶瓷垫20相连，称重托盘19将可移动托架的重力传递到称重传感器8上。称重传感器8为微轮辐式称重传感器，量程为20、或30、或40、或50kg，综合精度高于0.2％F·S。
所述的温度控制系统4，由温度控制器10、温度传感器11组成，温度控制器10通过传输导线与温度传感器11相连，温度监控器10由数据处理器、显示器和控制面板集成一体，通过传导线与温度传感器11相连，采集、处理温度传感器数据，同时作为信息传输中心，采用传导线分别与热风系统2、电源开关21、含水率控制器9相连接，实现由烘箱温度和土样含水率信息联动控制烘箱工作状态。温度传感器为高温高精度铂金电阻pt100式，最大量程为105℃，测量误差小于0.1℃。
所述的可移动托盘架5，由立柱22、横梁23、隔层24、轮子25组成，横梁23、隔层24通过电焊与立柱22焊接、轮子25通过螺杆与立柱22底部相连，立柱22采用不锈钢方管，横梁23为不锈钢角钢，隔层24采用钢格栅网，轮子25选用不锈钢材质，每个可移动托架5配置二个定向轮，二个变向轮。所述的可移动托架5为1个。
实施例3：
根据图4可知，一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，其控制步骤为：
1)在普通热风烘箱底部安置由称重传感器和含水量控制器组成的含水量监控系统，集成温度控制系统和含水率控制系统，改进普通烘箱基于温度的单控方式，实现由含水量和温度双指标联合控制烘箱。
2)电源/开关21总体控制温度监控系统4和含水量控制系统3的供电状态，温度控制器10直接控制加热管7和风机6工作状态，加热器7和风机6为烘箱提供烘干热风。
3)测温传感器11实时监控烘箱内部温度tx，将温度信息反馈到温度控制器10处理显示，温度控制器10根据工作温度t0和实时温度tx的差值△t，动态调整热风系统2工作状态。
4)称重传感器8实时监控烘箱内部试样的含水率变化信息wx，并反馈给含水率控制器9处理显示，含水率控制器9根据设定含水率变化量w0和实时含水率变化量wx计算差值△w，将含水率变化差值△w反馈给温度控制器10。
5)温度控制器10根据含水率控制器9输出的△w值动态下调烘箱工作温度t0，再由实时温度差值△t动态调整热风系统2工作状态，△t大于零时加热供风，△t小于零时自动中止热风工作，当△w等于零时土样完成烘干。达到由温度控制器10和含水率控制器9联动控制烘箱运行，实现由土样含水量变化状态自动控制烘箱工作状态。

Claims (7)

1.一种自动控制土样含水率变化的烘干方法，其步骤是：
A、在普通热风烘箱底部安置由称重传感器和含水量控制器组成的含水量监控系统，集成温度控制系统和含水率控制系统，改进普通烘箱基于温度的单控方式，实现由含水量和温度双指标联合控制烘箱；
B、准备好试验土样，放进可移动托架中，接通烘箱电源总开关，电源/开关总体控制温度监控系统和含水量控制系统的供电状态，温度控制器直接控制加热管和风机工作状态，加热器和风机为烘箱提供烘干热风；
C、在含水率控制器仪表盘中输入土样初始含水率、土样总重量等参数，并设定土样整体含水率变化量，称重传感器实时监控烘箱内部试样的整体含水率变化信息wx，并反馈给含水率控制器处理显示，含水率控制器根据设定含水率变化量w0和实时含水率变化量wx的差值△w，将含水率变化差值△w反馈给温度控制器；
D、在温度控制器仪表盘中设定烘箱初始工作温度，烘箱自动开启热风系统开始工作，测温传感器实时监控烘箱内部温度tx，将温度信息反馈到温度控制器处理显示，温度控制器根据工作温度t0和实时温度tx的差值△t，动态调整热风系统工作状态；
E、温度控制器根据含水率控制器输出的△w值动态下调烘箱工作温度t0，再由实时温度差值△t动态调整热风系统工作状态，△t大于零时加热供风，△t小于零时自动中止热风工作，△w等于零时土样完成烘干。
2.权利要求1所述的一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，由烘箱箱体(1)、热风系统(2)、含水量监控系统(3)、温度监控系统(4)、及可移动托盘架(5)构成，其特征在于：烘干装置中的可移动托盘架(5)放置于烘箱箱体(1)的烘干工作室(12)内，烘干工作室(12)与烘箱箱体外壳(13)通过保温材料(15)相连，热风系统(2)镶嵌于烘箱箱体外壳(13)上部，含水量监控系统(3)镶嵌于烘箱箱体外壳(13)下部，温度监控系统(4)镶嵌于烘箱箱体外壳13左侧，温度控制系统(4)中的温度控制器(10)与烘箱电源开关(21)相连，温度传感器(11)与温度控制器(10)相连，含水量监控系统(3)中的含水量监控器(9)与温度控制系统(4)中的温度控制器(11)相连，称重传感器(8)与含水率控制器(9)相连，热风系统(2)中的电动风机(6)分别与电加热管(7)、温度控制系统(4)中的温度控制器(10)相连。
3.根据权利要求2所述的一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，其特征在于：所述的烘箱箱体(1)为一内置烘干工作室(12)的长方体形空心箱体，由烘干工作室(12)和烘箱外壳(13)组成，烘干工作室(12)与烘箱箱体外壳(13)通过保温材料(15)相连，烘箱箱体(1)的烘箱外壳(13)采用薄钢板制作，烘干工作室(12)左右两侧用钢板格栅设置热风通道(14)，烘箱外壳(13)与烘干工作室(12)之间填充硅酸铝纤维保温材料(15)，烘箱箱体(1)前面设置侧开门(16)，顶面设置进风口(17)，右侧面底端设置出风口(18)。
4.根据权利要求2所述的一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，其特征在于：所述的热风系统(2)由电动风机(6)和电加热管(7)组成，电动风机(6)、电加热管(7)通过电导线分别与温度控制器(10)相连，电动风机(6)水平安置于电加热管(7)左侧、两者不连接，电动风机(6)安置于烘箱箱体(1)左侧，电动风机(6)与烘干工作室(12)之间设置隔热层(15)，电加热管(7)由4－8根电加热管(7)并列式排列组成，电加热管(7)安置于烘干工作室(12)上，电加热管(7)与烘干工作室(12)之间设置保温隔热层(15)。
5.根据权利要求2所述的一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，其特征在于：所述的含水量监控系统(3)由含水量控制器(9)、称重传感器(8)、称重托盘(19)组成，称重托盘(19)通过隔热陶瓷垫(20)与称重传感器(8)相连，称重传感器(8)通过传输导线与含水率控制器(9)相连，含水量监控器(9)由数据处理器、显示器和控制面板集成一体，通过传导线与称重传感器(8)相连，称重托盘(19)为不锈钢制作的长方形盘子，四个盘角部位分别设置一个称重传感器(8)，称重传感器(8)与托盘之间采用隔热陶瓷垫(20)相连。
6.根据权利要求2所述的一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，其特征在于：所述的温度控制系统(4)由温度控制器(10)、温度传感器(11)组成，温度控制器(10)通过传输导线与温度传感器(11)相连，温度监控器(10)由数据处理器、显示器和控制面板集成一体，通过传导线与温度传感器(11)相连。
7.根据权利要求2所述的一种自动控制土样含水率变化的烘干装置，其特征在于：所述的可移动托盘架(5)由立柱(22)、横梁(23)、隔层(24)、轮子(25)组成，横梁(23)、隔层(24)通过电焊与立柱(22)焊接、轮子(25)通过螺杆与立柱(22)底部相连，立柱(22)采用不锈钢方管，横梁(23)为不锈钢角钢，隔层(24)采用钢格栅网，轮子(25)选用不锈钢材质，每个可移动托盘架(5)配置二个定向轮，二个变向轮。
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