CN107310188B - 一种多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置和压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置，包括从下往上依次设置的压缩模具、超声振子、压缩筒、电机，还包括传感器、电机驱动器、超声波发生器以及超声压缩控制器，电机驱动器同时与电机以及超声压缩控制器电连接，超声波发生器同时与超声振子以及超声压缩控制器电连接，超声压缩控制器还与设置于压缩模具内底面的传感器电连接。本发明还提出一种控制方法。相对于现有技术，本发明采用多个谐振频率，简化超声压缩装置，可针对生物质的致密度智能切换不同的超声频率，保证超声波震动效果，提高超声波的穿透力。同时超声电源的控制策略，有效提高生物质的压缩质量和效率，可应用于其他动态负载的超声加工场合，具有极为广泛应用场景。

Description

一种多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置和压缩方法

技术领域

本发明涉及超声加工技术领域，特别涉及一种多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置和压缩方法。

背景技术

随着能源危机的问题越发严重，研究人员开始对纤维生物质燃料进行深入的研究，大力发展以农作物秸秆、木屑、废纸等纤维素生物质(主要成分为纤维素、半纤维素和木质素)为原料的第二代纤维素乙醇，而纤维素乙醇是被认为最有发展前景的非粮食生物燃料之一。

但是纤维素生物质原料的收集、运输储存、预处理等环节的技术障碍一直制约着纤维素燃料实现低成本、大规模化生产。现有技术中，中国专利《一种双超声同步压缩纤维素生物质装置》(专利申请号为201310333061.5)，公开了一种双超声同步压缩纤维素生物质装置，包括模具、超声组件、导向机构、施力机构，其中超声发生器与换能器相连，第一变幅杆的下端与换能器连接，超声组件与外部导向机构和施力机构相连，两套超声组件分别位于模具通孔两端。

而中国专利《棉秆芯生物质压缩燃料及其制备方法及棉秆的综合利用方法》(专利申请号为201010107878.7)公开了一种棉杆芯生物质压缩燃料，其中棉杆芯含量为85％～90％，燃料的压缩密度为1100～1400kg/m3，松弛密度为700～900kg/m3，含水率为8％～12％，其制备方法是以含水率为12％以下的棉杆为原料，采用棉杆皮芯分离机进行分离处理，将分离后的棉杆芯粉碎，然后进行压缩成型，压缩成型时的压力控制在70～100MPa，最后进行冷却、包装以得到成品，其中分离得到的幅产物棉杆皮还可用于纺织和造纸，以实现棉杆的综合利用。

上述中国专利《一种双超声同步压缩纤维素生物质装置》公开只是提出使用两个超声振子同步对生物质进行超声压缩，并没有提出如何控制超声，因此不能做到有效地对生物质进行精准控制。而中国专利《棉秆芯生物质压缩燃料及其制备方法及棉秆的综合利用方法》提出采用分离机进行处理，然后粉碎压缩，最后冷却，这样会导致生物质压缩的致密性不一致，中间松两端紧，或者个别的压缩块厚度质量小，从而造成压缩效率低。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种结构简单和工作可靠的多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置，本发明还提出一种使用多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置的控制方法，旨在对纤维素生物质超声压缩装置进行优化设计并提高压缩效率。

为实现上述目的，本发明提出一种多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置，包括顶部设有开口且中空的压缩模具，所述压缩模具上方设有超声振子，所述超声振子顶部设有压缩筒与所述超声振子外周面相连，所述压缩筒顶部设有电机，所述电机的动力输出端向下且推动所述压缩筒和所述超声振子上下运动，所述超声振子底端与所述压缩筒内壁间隙配合移动；所述超声压缩装置还包括传感器、电机驱动器、超声波发生器以及超声压缩控制器，所述电机驱动器同时与所述电机以及所述超声压缩控制器电连接，所述超声波发生器同时与所述超声振子以及所述超声压缩控制器电连接，所述超声压缩控制器还与设置于所述压缩模具内底面的所述传感器电连接。

优选地，所述传感器为压力传感器。

优选地，所述超声压缩装置设有位移传感器与所述超声压缩控制器电连接。

本发明还提出一种使用所述的多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置的控制方法，包括以下步骤：

1)所述超声振子底端面从初始高度S₀下降至生物质顶面的初始高度S₁，所述位移传感器检测所述超声振子底端面未到达生物质顶面初始高度S₁，所述超声振子底端面继续向下移动至生物质顶面初始高度S₁；

2)若所述位移传感器检测所述超声振子底端面继续向下移动至高度S₂时，所述超声压缩控制器通过所述超声波发生器控制所述超声振子对生物质进行恒振幅向下压缩；若所述位移传感器未检测所述超声振子底端面移动至高度S₂时，所述超声振子底端面继续向下移动，所述压力传感器检测生物质受到压力达到F₁时，所述超声压缩控制器通过所述超声波发生器控制所述超声振子对生物质进行恒功率向下压缩，而所述压力传感器检测生物质受到压力未达到F₁时，所述超声振子底端面继续向下移动至高度S₂；

3)所述超声振子对生物质进行恒振幅向下压缩至高度S₃时，所述超声振子对生物质以恒功率向下压缩至所述压力传感器检测生物质受到压力达到F₂时，所述超声振子停止向下压缩生物质并开始计时；若所述位移传感器检测所述超声振子对生物质进行恒振幅向下压缩未至高度S₃，则所述超声振子继续向下压缩生物质，当所述压力传感器检测生物质受到压力达到F₂时，所述超声振子停止向下压缩生物质并开始计时，而所述压力传感器检测生物质受到压力未达到F₂，则所述超声振子以恒振幅对生物质继续向下压缩；

4)所述超声振子停止向下压缩生物质并开始计时，所述超声压缩控制器计时到t₁时，所述超声压缩控制器通过所述超声波发生器控制所述超声振子停止进行超声压缩，所述超声振子底端向上移动至初始位置S₀；若所述超声压缩控制器未能计时到t₁，所述超声压缩控制器重新计时到t₁。

本发明技术方案采用具有多谐振频率的单振子超声振子对纤维素生物质进行超声压缩，可根据压缩块的致密性进行相应调整。当纤维素生物质比较疏松时采用低频进行超声振动压缩，而纤维素生物质比较致密时则采用高频进行超声振动压缩，根据压缩块的致密性进行调整，以保证超声波的穿透性。

本发明技术方案通过改进超声电源控制策略，运用脉宽调整的方法进行功率调节，使得占空比越大，输出的超声功率越大。通过检测超声振子的电流大小以改变占空比，使得震动系统工作在恒功率输出模式，以保证超声压缩的质量。

本发明技术方案针对纤维素生物质不同压缩阶段，分别采用恒振幅和恒功率的控制方式，在最初振动系统工作在恒振幅模式，使得生物质快速成型，当检测到振子电流开始变小时，切换到恒功率输出模式。上述工作方式可适用于不同的生物质压缩过程的不同阶段，以满足不同工作需求。

相对于现有技术，本发明技术方案采用多个谐振频率，简化超声压缩装置，可针对生物质的致密度智能切换不同的超声频率，保证超声波震动效果，提高超声波的穿透力。同时超声电源的控制策略，能够有效提高生物质的压缩质量和效率，可应用于其他动态负载的超声加工场合，具有极为广泛应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置的结构示意图；

图2为本发明多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置的工作过程图；

图3为本发明多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置的控制流程图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	电机	5	生物质
2	压缩筒	6	压力传感器
				3	超声振子	7	电机驱动器
31	超声振子工作端	8	超声压缩控制器
				4	压缩模具	9	超声波发生器

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置。

请参见图1，本发明实施例的多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置，包括设有开口且中空的压缩模具4，压缩模具4上方设有超声振子3，超声振子3顶部设有压缩筒2与超声振子3外周面相连，压缩筒3顶部设有电机1，电机1的动力输出端向下且推动压缩筒2和超声振子3上下运动，超声振子工作端31底端与压缩筒2内壁间隙配合移动；超声压缩装置还包括传感器、电机驱动器7、超声波发生器9以及超声压缩控制器8，电机驱动器7同时与电机1以及超声压缩控制器8电连接，超声波发生器9同时与超声振子3以及超声压缩控制器8电连接，超声压缩控制器8还与设置于压缩模具4内底面的传感器电连接。

本实施例中，传感器为压力传感器6。

本实施例中，超声压缩装置设有位移传感器与超声压缩控制器8电连接。

请参见图2和图3，本发明还提出一种使用上述多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置的控制方法，包括以下步骤：

1)超声振子3底端面从初始高度S₀下降至生物质5顶面的初始高度S₁，位移传感器检测超声振子工作端31底端面未到达生物质5顶面初始高度S₁，超声振子工作端底端面继续向下移动至生物质顶面初始高度S₁；

2)若位移传感器检测超声振子3底端面向继续下移动至高度S₂时，超声压缩控制器8通过超声波发生器9控制超声振子3对生物质5进行恒振幅向下压缩；若位移传感器未检测超声振子3底端面移动至高度S₂时，超声振子工作端31底端面继续向下移动，压力传感器6检测生物质5受到压力达到F₁时，超声压缩控制器8通过超声波发生器9控制超声振子3对生物质5进行恒功率向下压缩，而压力传感器6检测生物质受到压力未达到F₁时，超声振子工作端31底端面继续向下移动至高度S₂；

3)超声振子3对生物质5进行恒振幅向下压缩至高度S₃时，超声振子3对生物质5以恒功率向下压缩至压力传感器6检测生物质5受到压力达到F₂时，超声振子3停止向下压缩生物质并开始计时；若位移传感器检测超声振子3对生物质5进行恒振幅向下压缩未至高度S₃，则超声振子3继续向下压缩生物质，当压力传感器6检测生物质5受到压力达到F₂时，超声振子3停止向下压缩生物质5并开始计时，而压力传感器6检测生物质5受到压力未达到F₂，则超声振子3以恒振幅对生物质5继续向下压缩；

4)超声振子3停止向下压缩生物质5并开始计时，超声压缩控制器8计时到t₁时，超声压缩控制器8通过超声波发生器9控制超声振子3停止进行超声压缩，超声振子工作端31底端向上移动至初始位置S₀；若超声压缩控制器8未能计时到t₁，超声压缩控制器8重新计时到t₁。

请参见图1至图3，本发明实施例多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置在工作时，首先通过位移传感器检测超声振子工作端31底端面的初始高度并向超声压缩控制器8发送对应信号，以作为相应标记初始高度S₀。

设置于超声振子3上方的电机1向下输出动力，电机1通过压缩筒2使得超声振子3向下移动。位移传感器检测超声振子工作端31底端面是否已经达到生物质5顶面初始高度S₁，若超声振子工作端31底端面高度尚未到达生物质5顶面的初始高度S₁时，则电机1继续向下驱动，从而使得超声振子工作端31底端面继续向下移动并移动至生物质5顶面初始高度S₁。

若位移传感器检测到超声振子工作端31底端面继续向下移动至高度S₂时，超声压缩控制器8通过超声波发生器9控制超声振子3对生物质5进行恒振幅向下压缩；若位移传感器未检测到超声振子工作端31底端面移动至高度S₂时，超声振子底端面31继续向下移动，并且在超声振子3继续向下移动的过程中，若设置于生物质5下方的压力传感器6检测到生物质5所受到的压力达到F₁时，超声压缩控制器8通过超声波发生器9控制超声振子对生物质5进行恒功率向下压缩；而压力传感器6检测到生物质受到的压力未到达F₁时，超声振子3底端面继续向下移动至高度S₂。

超声振子3以恒振幅方式对生物质5进行压缩并直至高度S₃时，超声振子3接着对生物质5以恒功率向下压缩至压力传感器6检测到生物质5受到压力达到F₂时，超声振子工作端31停止向下压缩生物质5并开始进行计时。若位移传感器检测到超声振子3对生物质5进行恒振幅向下压缩未至高度S₃时，则超声振子工作端31底端面继续向下压缩生物质5，当压力传感器6检测生物质5受到的压力值达到F₂时，超声振子3停止向下压缩生物质并开始计时，而压力传感器6检测到生物质5受到的压力未达到F₂时，则超声振子3以恒振幅对生物质5继续向下压缩。

超声振子3停止向下压缩生物质并开始计时后，超声压缩控制器8计时到t₁时，超声压缩控制器8通过超声波发生器控制超声振子3停止进行超声压缩，超声振子3底端向上移动至初始位置S₀；若超声压缩控制器8未能计时到t₁，超声压缩控制器8重新计时到t₁。

本发明采用具有多谐振频率的单振子超声振子3对生物质5进行超声压缩，可根据压缩块的致密性进行相应调整。当纤维素生物质比较疏松时采用低频进行超声振动压缩，而纤维素生物质比较致密时则采用高频进行超声振动压缩，根据压缩块的致密性进行调整，以保证超声波的穿透性。

本发明技术方案通过改进超声电源控制策略，运用脉宽调整的方法进行功率调节，使得占空比越大，输出的超声功率越大。通过检测超声振子的电流大小以改变占空比，使得震动系统工作在恒功率输出模式，以保证超声压缩的质量。

本发明技术方案针对纤维素生物质不同压缩阶段，分别采用恒振幅和恒功率的控制方式，在最初振动系统工作在恒振幅模式，使得生物质5快速成型，当检测到振子电流开始变小时，切换到恒功率输出模式。上述工作方式可适用于不同的生物质压缩过程的不同阶段，以满足不同工作需求。

相对于现有技术，本发明技术方案采用多个谐振频率，简化超声压缩装置，可针对生物质5的致密度智能切换不同的超声频率，保证超声波震动效果，提高超声波的穿透力。同时超声电源的控制策略，能够有效提高生物质的压缩质量和效率，可应用于其他动态负载的超声加工场合，具有极为广泛应用场景。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置的控制方法，所述控制方法使用的多模多频调制纤维素生物质超声压缩装置包括顶部设有开口且中空的压缩模具，所述压缩模具上方设有超声振子，所述超声振子顶部设有压缩筒与所述超声振子外周面相连，所述压缩筒顶部设有电机，所述电机的动力输出端向下且推动所述压缩筒和所述超声振子上下运动，所述超声振子底端与所述压缩筒内壁间隙配合移动；所述超声压缩装置还包括传感器、电机驱动器、超声波发生器以及超声压缩控制器，所述电机驱动器同时与所述电机以及所述超声压缩控制器电连接，所述超声波发生器同时与所述超声振子以及所述超声压缩控制器电连接，所述超声压缩控制器还与设置于所述压缩模具内底面的所述传感器电连接；所述传感器为压力传感器，所述超声压缩装置设有位移传感器与所述超声压缩控制器电连接，其特征在于，包括以下步骤：

1)超声振子底端面从初始高度S₀下降至生物质顶面的初始高度S₁，位移传感器检测所述超声振子底端面未到达生物质顶面初始高度S₁，所述超声振子底端面继续向下移动至生物质顶面初始高度S₁；

2)若所述位移传感器检测所述超声振子底端面继续向下移动至高度S₂时，超声压缩控制器通过所述超声波发生器控制所述超声振子对生物质进行恒振幅向下压缩；若所述位移传感器未检测所述超声振子底端面移动至高度S₂时，所述超声振子底端面继续向下移动，压力传感器检测生物质受到压力达到F₁时，所述超声压缩控制器通过所述超声波发生器控制所述超声振子对生物质进行恒功率向下压缩，而所述压力传感器检测生物质受到压力未达到F₁时，所述超声振子底端面继续向下移动至高度S₂；

3)所述超声振子对生物质进行恒振幅向下压缩至高度S₃时，所述超声振子对生物质以恒功率向下压缩至所述压力传感器检测生物质受到压力达到F₂时，所述超声振子停止向下压缩生物质并开始计时；若所述位移传感器检测所述超声振子对生物质进行恒振幅向下压缩未至高度S₃，则所述超声振子继续向下压缩生物质，当所述压力传感器检测生物质受到压力达到F₂时，所述超声振子停止向下压缩生物质并开始计时，而所述压力传感器检测生物质受到压力未达到F₂，则所述超声振子以恒振幅对生物质继续向下压缩；

4)所述超声振子停止向下压缩生物质并开始计时，所述超声压缩控制器计时到t₁时，所述超声压缩控制器通过所述超声波发生器控制所述超声振子停止进行超声压缩，所述超声振子底端向上移动至初始位置S₀；若所述超声压缩控制器未能计时到t₁，所述超声压缩控制器重新计时到t₁。