CN109100396B - 一种在线测量固体含水率的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在线测量固体含水率的装置,包括电极机构、电极驱动机构、水平滑台、固体检测开关和控制系统。电极机构包括相互绝缘的两个电极;电极驱动机构包括电极驱动机构电机、电极驱动旋转变直线运动机构、电极驱动机构导轨、第一滑块、第二滑块、第一滑块连接件、第二滑块连接件、限位柱、电极驱动机构弹簧、电极驱动机构零位开关和压力检测开关;电极机构安装在电极驱动机构上,电极驱动机构安装在水平滑台上,水平滑台通过检测装置支架安装在待检测固体的上方;还涉及一种使用上述在线测量固体含水率的装置的方法。本发明的在线测量固体含水率的装置及方法可实现对生产线上固体的含水率进行在线测量。

Description

一种在线测量固体含水率的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种在线测量固体含水率的装置及方法。
背景技术
固体的含水率会影响其品质和储存,尤其是对于食品一类的物体,如粉丝饼。然而,目前,大批量生产时,只能采用抽检的方式检测固体的含水率,由于生产线上经烘干后的固体的内外含水率不一致,通常只能采用失水测量法,即通过烘干使固体失去水分,用失去的水分的质量除以初始质量得到含水率,测量时间很长,对于产品的质量控制非常不利,生产上迫切需要一种能够在线测量固体含水率的装置和方法。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足,提供一种能够在线检测固体含水率的装置。
本发明的测量原理如下,不同含水率的固体的电阻率不同,对于相同长度和相同截面积的所述固体来说,其电阻也不同,通过对一组含水率在一定范围内的固体进行标定实验确定指定长度和截面积的所述固体的电阻与其含水率的关系。据此,通过测量指定长度和截面积的所述固体的电阻可以测量其含水率。
本发明解决上述问题的技术方案如下:
一种在线测量固体含水率的装置,包括检测装置支架、电极机构、电极驱动机构、水平滑台、固体检测开关和控制系统。
所述固体通过传输机构水平传输。
所述电极机构包括相互绝缘的两个电极:第一电极和第二电极,所述第一电极和第二电极的底面对齐,并且平行于传输机构放置所述固体的平面,所述第一电极和第二电极采用导电材料,如紫铜、不锈钢等,二者均连接到所述控制系统。
所述电极驱动机构包括电极驱动机构电机、电极驱动旋转变直线运动机构、电极驱动机构导轨、第一滑块、第二滑块、第一滑块连接件、第二滑块连接件、限位柱、电极驱动机构弹簧、电极驱动机构零位开关、电极驱动机构底座和压力检测开关。
所述电极驱动机构电机为脉冲信号控制的电机,如步进电机或交流伺服电机,所述电极驱动机构电机通过电机驱动器连接到所述控制系统中的计算机。
所述电极驱动机构电机和所述电极驱动机构导轨固定安装在所述电极驱动机构底座上,所述电极驱动机构导轨的方向垂直于传输机构放置所述固体的平面。
所述电极驱动旋转变直线运动机构包括电极驱动机构联轴器、电极驱动机构丝杠和与其耦合的电极驱动机构螺母,电极驱动机构丝杠通过轴承固定在电极驱动机构底座上,其轴线与电极驱动机构导轨的轴线平行,电极驱动机构丝杠通过电极驱动机构联轴器连接到电极驱动机构电机的输出轴上,电极驱动机构螺母固定在所述第一滑块上,所述第一滑块安装在电极驱动机构导轨上,可沿所述电极驱动机构导轨滑动。
所述电极驱动旋转变直线运动机构将所述电极驱动机构电机的角位移转变为第一滑块沿所述电极驱动机构导轨的直线位移。
所述第二滑块位于第一滑块的下方,也安装在电极驱动机构导轨上,可沿电极驱动机构导轨滑动,在第一滑块和第二滑块上分别固定安装第一滑块连接件和第二滑块连接件,在所述第一滑块连接件和第二滑块连接件之间沿着平行于所述电极驱动机构导轨的方向安装限位柱和电极驱动机构弹簧,所述电极驱动机构弹簧实现了所述第一滑块连接件和第二滑块连接件的柔性连接,其作用是使第二滑块连接件下端所连接的电极机构中的第一电极和第二电极与其下方待检测固体柔性接触,并提供一个持续的压力;所述限位柱用于限定第一滑块连接件和第二滑块连接件之间的最大距离,从而也可以限制所述电极驱动机构弹簧的初始变形量,从而减小第一滑块的工作行程,缩短测量时间;所述第二滑块和第二滑块连接件可在电极驱动机构弹簧和限位柱作用下随第一滑块和第一滑块连接件沿所述电极驱动机构导轨直线运动。
所述电极机构固定安装于所述第二滑块连接件的下侧,可随第二滑块连接件和第二滑块一起沿着所述电极驱动机构导轨移动。
在所述第一滑块或第一滑块连接件和第二滑块或第二滑块连接件之间安装压力检测开关,所述压力检测开关可固定安装在第一滑块、第一滑块连接件、第二滑块和第二滑块连接件任意之一上,用于检测所述第一滑块连接件与第二滑块连接件之间的相对位移量,从而检测所述电极驱动机构弹簧的变形量和弹性力,其安装位置应保证当所述第一电极和第二电极压向所述固体的力达到设定值时,所述压力检测开关的输出状态改变。
所述压力检测开关可以是机械式行程开关、光电开关、电容式接近开关或电感式接近开关。
所述压力检测开关的输出连接到所述控制系统。每次测量时,所述控制系统控制所述电极驱动机构带动所述第一电极和第二电极向下运动,使第一电极和第二电极压到所述固体上,同时检测所述压力检测开关的输出,当压力检测开关的输出状态改变时,停止第一电极和第二电极向下运动,同时,检测第一电极和第二电极间固体的电阻,以此来测量所述固体的含水率,检测完成后,控制第一电极和第二电极向上抬起。
所述压力检测开关的使用实现了对所述第一电极和第二电极压向所述固体的力的检测,简单,可靠,成本低,保证所述第一电极和第二电极与所述固体每次接触情况相同,以减少测量误差。
所述电极驱动机构零位开关用于检测所述第一滑块的直线位移的零位移点,在所述第一滑块从下侧向上移动趋近所述电极驱动机构零位开关并导致所述电极驱动机构零位开关的输出信号发生跳变的时刻,所述第一滑块处于零位移点,所述电极驱动机构零位开关固定安装在电极驱动机构底座上。
所述电极驱动机构零位开关可以是机械式行程开关、光电开关、电容式接近开关或电感式接近开关。
所述水平滑台包括水平滑台电机、水平滑台旋转变直线运动机构、水平滑台导轨、水平滑台滑块、水平滑台零位开关和水平滑台底座。
所述水平滑台电机为速度可控的电机,如步进电机或交流伺服电机或直流伺服电机,所述水平滑台电机通过电机驱动器连接到所述控制系统中的计算机。
所述水平滑台电机和水平滑台导轨均固定安装于水平滑台底座上,所述水平滑台导轨的方向平行于传输机构输送所述固体的方向,所述水平滑台底座固定安装在所述检测装置支架上,位于所述传输机构的上方。
所述水平滑台旋转变直线运动机构包括水平滑台联轴器、水平滑台丝杠和与其耦合的水平滑台螺母,水平滑台丝杠通过轴承固定在水平滑台底座上,其轴线与水平滑台导轨的轴线平行,水平滑台丝杠通过水平滑台联轴器连接到所述水平滑台电机的输出轴上,水平滑台螺母固定在所述水平滑台滑块上,所述水平滑台滑块安装在所述水平滑台导轨上,可沿所述水平滑台导轨滑动。
所述水平滑台旋转变直线运动机构将所述水平滑台电机的角位移转变为水平滑台滑块沿所述水平滑台导轨的直线位移。
所述水平滑台零位开关固定安装于水平滑台底座或检测装置支架上,用于检测所述水平滑台滑块的直线位移的零位移点,在所述水平滑台滑块从所述固体传输方向的前方(所述固体传输的方向为向前)向后移动趋近所述水平滑台零位开关并导致所述水平滑台零位开关的输出信号发生跳变的时刻,所述水平滑台滑块处于零位移点。
所述水平滑台零位开关可以是机械式行程开关、光电开关、电容式接近开关或电感式接近开关。
所述电极驱动机构底座直接或通过电极驱动机构连接板固定安装在所述水平滑台滑块上。
所述检测装置支架安装在测量现场,其位置应保证所述第一电极和第二电极位于所述传输机构所传输的固体的上方,且不测量时不与所述固体接触。
在所述第一电极和第二电极压向所述固体、停止、测量所述固体的电阻和离开所述固体的过程中,水平滑台驱动所述第一电极和第二电极在所述传输机构运动的方向上与被检测所述固体同步运动,从而在不影响所述固体的传输的同时,实现相对静止稳定的测量。
所述固体检测开关固定安装在所述传输机构支架上或检测装置支架上,位于所述第一电极和第二电极的后方,即所述固体先经过固体检测开关,然后才到达所述第一电极和第二电极的下方;在沿所述传输机构的传输方向上,所述固体检测开关与所述第一电极和第二电极的中心的距离略大于所述固体的最大尺寸的一半,所述固体检测开关的安装高度须保证能够检测到所述固体。
所述固体检测开关用于检测传输装置上所述固体的到达和离开,当所述固体到达或离开固体检测开关的检测位置时,固体检测开关的输出状态改变。所述固体检测开关可以是光电开关,包括对射式光电开关和反射式光电开关,也可以是电容式接近开关或电感式接近开关。
所述固体检测开关连接到所述控制系统,所述控制系统接收所述固体检测开关的信号,控制所述第一电极和第二电极准确地压到所述固体上。
所述控制系统包括计算机、电阻测量电路、两个电机驱动器和显示器。所述电阻测量电路包括一个分压电阻和一个跟随器,所述跟随器可由运算放大器实现,所述分压电阻一端接电源,另一端接所述第一电极和跟随器的输入,所述第二电极接地,跟随器的输出接至所述计算机;所述固体检测开关、压力检测开关、水平滑台零位开关、电极驱动机构零位开关均接至所述计算机;两个电机驱动器的控制端均接至所述计算机,另一端分别接电极驱动机构电机和水平滑台电机;所述显示器也连接所述计算机,用于显示测量结果。进一步,所述固体检测开关为激光光电开关,即发光光源为激光的光电开关。由于激光的单色性好,光束细、强度高,尤其适合于检测较小的所述固体,另外,环境光的影响也较小。
进一步,所述电极机构还包括一块电极安装板、两根电极导柱、一个电极导柱左支架、一个电极导柱右支架、两个左螺栓形导套、两个右螺栓形导套、两个导套螺母和四个电极机构弹簧,电极导柱左支架和电极导柱右支架固定于电极安装板的两侧,电极导柱固定于电极导柱左支架和电极导柱右支架上,电极导柱的轴线的方向与所述传输机构的运动方向平行;第一电极和第二电极上沿着平行于其底面的方向各设置两个通孔,第一电极和第二电极平行放置,底面对齐,两个导套螺母放置在第一电极和第二电极之间,两个左螺栓形导套的直径小的部分穿过第一电极上的两个通孔与位于第一电极和第二电极之间的两个导套螺母实现螺纹连接,导套螺母上的螺纹孔为通孔,两个右螺栓形导套的直径小的部分穿过第二电极上的两个通孔与位于第一电极和第二电极之间的两个导套螺母实现螺纹连接,两个左螺栓形导套、两个导套螺母和两个右螺栓形导套把第一电极和第二电极固定连接在一起,形成一个电极组合体;导套螺母中间有孔,左螺栓形导套和右螺栓形导套的中间有孔,两根所述电极导柱穿过所述电极组合体上左螺栓形导套、导套螺母和右螺栓形导套上的孔,所述电极组合体可以沿着两根所述电极导柱直线移动,但不能旋转;在电极导柱左支架与两个左螺栓形导套的螺栓头之间放置两个处于压缩状态的电极机构弹簧,所述电极机构弹簧为圆弹簧,套在电极导柱上,在电极导柱右支架与两个右螺栓形导套的螺栓头之间也放置两个处于压缩状态的电极机构弹簧,实现所述电极组合体沿着电极导柱的轴线方向的柔性约束;所述左螺栓形导套、导套螺母和右螺栓形导套使用绝缘材料,所述第一电极和第二电极与电极安装板之间留有间隙,实现所述第一电极与第二电极间的绝缘,优选地,所述绝缘材料为聚四氟乙烯,其优点是摩擦系数小;电极安装板固定安装于所述第二滑块连接件的下侧,工作状态下,第一电极和第二电极位于电极安装板的下方,其底面平行于传输机构放置所述固体的平面。
采用上述进一步技术方案的有益效果是:所述固体在传输装置上向前输送,当所述第一电极和第二电极压到所述固体上时,如果所述第一电极和第二电极与所述固体在所述传输机构运动的方向上速度不一致,在摩擦力作用下,所述第一电极和第二电极可以沿着所述固体传输的方向随所述固体移动一小段距离,从而实现稳定的测量;当所述第一电极和第二电极离开所述固体时,在所述固体传输的方向上,所述第一电极和第二电极在所述电极机构弹簧的作用下自动回到原来的平衡位置。
当所述传输机构采用链传动时,其运动速度存在瞬时波动;或当传输机构随着运行时间加长,运动机构摩擦力改变,导致传输机构运动速度改变。这两种情况下,上述进一步技术方案可以实现稳定的测量。
采用上述技术方案的有益效果是:含水率较低的所述固体呈现出较大的电阻,由于跟随器具有较大的输入阻抗和较低的输出阻抗,可以实现对较大的电阻的精确测量;应用所述控制系统可以实现实时自动化测量。
本发明还涉及一种在线测量固体含水率的方法,采用上述的在线测量固体含水率的装置进行测量。
在开始测量前,首先进行标定实验,获取所述第一电极与第二电极之间的固体的电阻R x 与固体的含水率H的对应关系:H = f(R x )。
测量过程具体包括以下步骤:
步骤1:控制系统循环检测所述固体检测开关的信号,当检测到所述固体检测开关的输出第二次跳变时,经延时,控制所述水平滑台带动安装在其上的电极驱动机构和电极机构开始沿着所述传输机构运动的方向运动,使所述第一电极和第二电极位于被检测所述固体的正上方,且与所述固体在沿传输机构运动的方向上相对静止,同步运动;
步骤2:所述控制系统控制所述电极驱动机构驱动所述第一电极和第二电极向下运动;
步骤3:控制系统循环检测所述压力检测开关的信号,当检测到压力检测开关的输出状态改变时,控制所述电极驱动机构停止驱动所述第一电极和第二电极下降;
步骤4:控制系统检测第一电极和第二电极间固体的电阻R x ,计算所述固体的含水率H = f(R x ),并在显示器上显示测量结果;
步骤5:控制系统控制所述电极驱动机构驱动所述第一电极和第二电极上升,直到所述电极驱动机构零位开关的输出信号产生跳变,控制系统控制所述电极驱动机构停止运动;
步骤6:控制系统控制所述水平滑台停止沿着传输机构运动的方向的运动,改为控制水平滑台沿着传输机构运动的反方向运动,直到所述水平滑台零位开关的输出信号产生跳变,控制系统控制所述水平滑台停止运动。
采用上述技术方案的有益效果是:能够保证所述第一电极和第二电极准确压到所述固体,保证每次测量时第一电极和第二电极对固体的压力相同,保证测量过程不会影响所述固体的传输,保证测量过程的稳定,在此前提下测量第一电极和第二电极间固体的电阻,从而准确测量固体的含水率。
由于测量的是所述第一电极和第二电极间固体的整体的电阻,因此,根据第一电极和第二电极间的电阻测量所得到的固体的含水率是所述固体的整体含水率,包括表层和内部。
附图说明
图1为本发明的实施例1中安装在传输装置上的在线测量固体含水率的装置的总体结构的示意图。
图2和图3为本发明的实施例1中水平滑台的结构的示意图。
图4为本发明的实施例1中电极驱动机构的结构的示意图。
图5为本发明的实施例1中电极驱动机构的局部结构的示意图。
图6为本发明的实施例1中电极机构的结构的示意图。
图7为本发明的实施例1中电阻测量电路的原理图。
图8为本发明的实施例1中控制系统的结构示意图。
图9为本发明的实施例2中电极机构的结构的示意图,为了清楚显示其结构,整体向上翻转了180度。
图10为本发明的实施例2的电极机构中左螺栓形导套、第一电极、导套螺母、第二电极和右螺栓形导套之间的连接关系的示意图。
在附图1-10中,各标号所表示的零部件名称列表如下:1、传输机构,2、检测装置支架,3、水平滑台,4、电极驱动机构,5、电极机构连接柱,6、电极机构,7、固体,8、固体检测开关,9、控制系统。
1-1、传输机构电机,1-2、传输机构支架,1-3、传输机构传送带,1-4、传输机构传送带支撑板。
3-1、水平滑台电机,3-2、水平滑台丝杠,3-3、水平滑台滑块,3-4、水平滑台导轨,3-5、电极驱动机构连接板、3-6、水平滑台零位开关,3-7、水平滑台底座,3-8、水平滑台联轴器,3-9、水平滑台螺母,3-10、水平滑台零位开关支架。
3-7-1、水平滑台底座底板,3-7-2、水平滑台底座左侧板,3-7-3、水平滑台底座中间板,3-7-4、水平滑台底座右侧板。
4-1、电极驱动机构电机,4-2、电极驱动机构联轴器,4-3、电极驱动机构丝杠,4-4、电极驱动机构螺母,4-5、第一滑块,4-6、电极驱动机构导轨,4-7、电极驱动机构底座,4-8、电极驱动机构零位开关,4-9、电极驱动机构零位开关支架,4-10、第一滑块连接件,4-11、第二滑块,4-12、第二滑块连接件,4-13、限位柱,4-14、电极驱动机构弹簧,4-15、压力检测开关,4-16、压力检测开关支架。
4-7-1、电极驱动机构底座底板,4-7-2、电极驱动机构底座上侧板,4-7-3、电极驱动机构底座中间板,4-7-4、电极驱动机构底座下侧板。
4-10-1、第一滑块连接件第一侧板,4-10-2、第一滑块连接件第二侧板。
4-12-1、第二滑块连接件槽底,4-12-2、第二滑块连接件上槽壁,4-12-3、第二滑块连接件下槽壁。
6-1、第一电极,6-2、第二电极,6-3、电极安装板。
6a、电极机构,其中,6a-1、第一电极,6a-2、第二电极,6a-3、电极安装板,6a-4、电极导柱左支架,6a-5、电极导柱,6a-6、电极机构弹簧,6a-7、左螺栓形导套,6a-8、导套螺母,6a-9、右螺栓形导套,6a-10、电极导柱右支架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。本例中方向解释说明:固体7传输的方向为向前,与传输方向相反的方向为后;并且,附图1-10中根据图中装置位置,所述的左右为自左向右的方向。实施例1:
如图1-图8所示,本发明的在线测量固体含水率的装置包括检测装置支架2、电极机构6、电极驱动机构4、水平滑台3、电极机构连接柱5、固体检测开关8和控制系统9。
如图1所示,待检测固体7(本实施例中为粉丝饼)通过传输机构1水平传输,传输机构1包括传输机构电机1-1、传输机构支架1-2、传输机构传送带1-3和传输机构传送带支撑板1-4,传输机构电机1-1驱动传输机构传送带1-3沿着图1所示的箭头方向运动,传输机构传送带支撑板1-4从传输机构传送带1-3的下方对其提供支撑。
如图1和图6所示,电极机构6包括第一电极6-1、第二电极6-2和电极安装板6-3,第一电极6-1和第二电极6-2呈长方体形状,底面对齐,并且平行于传输机构传送带1-3的上表面,第一电极6-1和第二电极6-2的上部各制有两个竖直方向的螺纹孔,通过螺钉将第一电极6-1和第二电极6-2固定在电极安装板6-3的下侧,第一电极6-1的侧面和第二电极6-2的侧面相互平行,电极安装板6-3上还制有竖直方向的安装孔,通过电极机构连接柱5将电极机构6固定在电极驱动机构4上。
第一电极6-1和第二电极6-2均使用导电材料制成,如紫铜和不锈钢等;电极安装板6-3使用电木板(酚醛塑料层压板),实现第一电极6-1和第二电极6-2之间的电气绝缘。
如图4和图5所示,电极驱动机构4包括电极驱动机构电机4-1、电极驱动旋转变直线运动机构、电极驱动机构导轨4-6、第一滑块4-5、第二滑块4-11、第一滑块连接件4-10、第二滑块连接件4-12、限位柱4-13、电极驱动机构弹簧4-14、电极驱动机构零位开关4-8、电极驱动机构底座4-7和压力检测开关4-15。
电极驱动机构电机4-1为步进电机。
电极驱动机构底座4-7包括一块长边竖直放置的电极驱动机构底座底板4-7-1,还包括水平安装的电极驱动机构底座上侧板4-7-2和电极驱动机构底座下侧板4-7-4,还包括一块角形的电极驱动机构底座中间板4-7-3,电极驱动机构底座上侧板4-7-2和电极驱动机构底座下侧板4-7-4分别固定在电极驱动机构底座底板4-7-1的上下两端,电极驱动机构底座中间板4-7-3通过其侧板固定在电极驱动机构底座底板4-7-1上,靠近电极驱动机构底座底板4-7-1的上端,其另一侧板处在水平方向。
电极驱动机构电机4-1固定在电极驱动机构底座上侧板4-7-2的上方,其输出轴竖直穿过电极驱动机构底座上侧板4-7-2中间的孔,圆柱形电极驱动机构导轨4-6固定在电极驱动机构底座上侧板4-7-2和电极驱动机构底座下侧板4-7-4上,电极驱动机构导轨4-6的方向垂直于传输机构传送带1-3的上表面。
所述电极驱动旋转变直线运动机构包括电极驱动机构联轴器4-2、电极驱动机构丝杠4-3和与其耦合的电极驱动机构螺母4-4,电极驱动机构丝杠4-3通过两个轴承固定在电极驱动机构底座中间板4-7-3的较大的侧板和电极驱动机构底座下侧板4-7-4上的孔中,并通过电极驱动机构联轴器4-2连接到电极驱动机构电机4-1的输出轴上,电极驱动机构联轴器4-2位于电极驱动机构底座上侧板4-7-2和电极驱动机构底座中间板4-7-3的较大的侧板之间,电极驱动机构螺母4-4固定在长方体形第一滑块4-5上沿竖直方向贯串第一滑块4-5的中间的孔中,第一滑块4-5通过其上沿竖直方向贯串第一滑块4-5的两侧的孔和两个直线轴承安装在电极驱动机构导轨4-6上,可沿电极驱动机构导轨4-6滑动,电极驱动机构电机4-1带动电极驱动机构丝杠4-3旋转,进而带动与电极驱动机构丝杠4-3耦合的电极驱动机构螺母4-4和第一滑块4-5上下直线移动。
长方体形状的第二滑块4-11位于第一滑块4-5的下方,在其中间位置制有竖直方向通孔供电极驱动机构丝杠4-3自由穿过,第二滑块4-11也通过其上沿竖直方向贯串第二滑块4-11的两侧的孔和两个直线轴承安装在电极驱动机构导轨4-6上,可沿电极驱动机构导轨4-6滑动,角形第一滑块连接件4-10通过第一滑块连接件第一侧板4-10-1固定在第一滑块4-5上,第一滑块连接件第二侧板4-10-2所在平面与电极驱动机构导轨4-6的方向垂直,其上有圆孔,槽形第二滑块连接件4-12通过第二滑块连接件槽底4-12-1固定在第二滑块4-11上,第二滑块连接件上槽壁4-12-2和第二滑块连接件下槽壁4-12-3所在的平面与电极驱动机构导轨4-6的方向垂直,第二滑块连接件上槽壁4-12-2上也有圆孔,限位柱4-13的下端用两个螺母固定在第二滑块连接件上槽壁4-12-2上的圆孔中,限位柱4-13向上穿过第一滑块连接件第二侧板4-10-2上的圆孔,可在该圆孔中上下滑动,其上端为尺寸比第一滑块连接件第二侧板4-10-2上的圆孔大的六角头,起到限制第一滑块连接件4-10和第二滑块连接件4-12之间的最大距离的作用,限位柱4-13的轴线平行于电极驱动机构导轨4-6的轴线,电极驱动机构弹簧4-14套在限位柱4-13上,位于第一滑块连接件第二侧板4-10-2和第二滑块连接件上槽壁4-12-2之间。
如图1和图4所示,电极机构6通过电极机构连接柱5固定于第二滑块连接件下槽壁4-12-3上的孔中,位于第二滑块连接件4-12的下侧,可随第二滑块连接件4-12和第二滑块4-11一起沿着电极驱动机构导轨4-6上下移动。
如图4和图5所示,在第一滑块连接件第二侧板4-10-2和第二滑块连接件上槽壁4-12-2之间安装压力检测开关4-15,压力检测开关4-15为机械式行程开关,通过角形压力检测开关支架4-16固定在第一滑块连接件第二侧板4-10-2上,用于检测第一滑块连接件4-10与第二滑块连接件4-12之间的相对位移量,从而检测电极驱动机构弹簧4-14的变形量和弹性力,其安装位置应保证当第一电极6-1和第二电极6-2压向固体7的力达到设定值时,压力检测开关4-15的输出状态改变。
如图4所示,电极驱动机构零位开关4-8为电感式接近开关,用于检测第一滑块4-5的直线位移的零位移点,在第一滑块4-5从下侧向上移动趋近电极驱动机构零位开关4-8并导致其输出信号发生跳变的时刻,第一滑块4-5处于零位移点,电极驱动机构零位开关4-8通过电极驱动机构零位开关支架4-9固定安装在电极驱动机构底座4-7上。
如图2和图3所示,水平滑台3包括水平滑台电机3-1、水平滑台旋转变直线运动机构、水平滑台导轨3-4、水平滑台滑块3-3、水平滑台零位开关3-6和水平滑台底座3-7。
水平滑台电机3-1为步进电机;
水平滑台底座3-7包括一块长边水平放置的水平滑台底座底板3-7-1,,还包括竖直放置的水平滑台底座左侧板3-7-2和水平滑台底座右侧板3-7-4,还包括一块角形的水平滑台底座中间板3-7-3,水平滑台底座左侧板3-7-2和水平滑台底座右侧板3-7-4分别固定在水平滑台底座底板3-7-1的左右两端,水平滑台底座中间板3-7-3通过其较小的侧板固定在水平滑台底座底板3-7-1上,靠近水平滑台底座底板3-7-1的左端,其较大的侧板处在竖直方向。
水平滑台电机3-1固定在水平滑台底座左侧板3-7-2的左侧,其输出轴水平穿过水平滑台底座左侧板3-7-2中间的孔,圆柱形水平滑台导轨3-4固定在水平滑台底座左侧板3-7-2和水平滑台底座右侧板3-7-4上,水平滑台导轨3-4的方向平行于传输机构1运动的方向,水平滑台底座3-7固定安装在检测装置支架2上,位于传输机构1的上方。
所述水平滑台旋转变直线运动机构包括水平滑台联轴器3-8、水平滑台丝杠3-2和与其耦合的水平滑台螺母3-9,水平滑台丝杠3-2通过两个轴承固定在水平滑台底座中间板3-7-3的较大的侧板和水平滑台底座右侧板3-7-4上的孔中,并通过水平滑台联轴器3-8连接到水平滑台电机3-1的输出轴上,水平滑台联轴器3-8位于水平滑台底座左侧板3-7-2和水平滑台底座中间板3-7-3的较大的侧板之间,水平滑台螺母3-9固定在长方体形水平滑台滑块3-3上沿水平方向贯串水平滑台滑块3-3的中间的孔中,水平滑台滑块3-3通过其上沿水平方向贯串水平滑台滑块3-3的两侧的孔和两个直线轴承安装在水平滑台导轨3-4上,可沿水平滑台导轨3-4滑动,水平滑台电机3-1带动水平滑台丝杠3-2旋转,进而带动与水平滑台丝杠3-2耦合的水平滑台螺母3-9和水平滑台滑块3-3直线移动。
水平滑台零位开关3-6为电感式接近开关,通过水平滑台零位开关支架3-10固定安装于水平滑台底座3-7上,用于检测水平滑台滑块3-3的直线位移的零位移点,在水平滑台滑块3-3从固体7传输方向的前方(固体7传输的方向为向前)向后移动趋近水平滑台零位开关3-6并导致其输出信号发生跳变的时刻,水平滑台滑块3-3处于零位移点。
如图1-图3所示,电极驱动机构底座4-7通过电极驱动机构连接板3-5固定安装在水平滑台滑块3-3上。
如图1所示,检测装置支架2安装在测量现场,其位置应保证第一电极6-1和第二电极6-2位于传输机构1所传输的固体7的上方,且不测量时不与固体7接触。
如图1所示,固体检测开关8为对射式激光光电开关,它包括发射和接收两部分,分别固定安装在传输机构传送带1-3两侧的传输机构支架1-2上,位于第一电极6-1和第二电极6-2的后方,即固体7先经过固体检测开关8,然后才到达第一电极6-1和第二电极6-2的下方;在沿传输机构1的传输方向上,固体检测开关8与第一电极6-1和第二电极6-2的中心的距离略大于固体7的最大尺寸的一半,固体检测开关8的安装高度须保证能够检测到固体7,当固体7到达或离开固体检测开关8的检测位置时,固体检测开关8的输出状态改变。
如图7和图8所示,控制系统9包括计算机、电阻测量电路、两个电机驱动器和显示器。所述电阻测量电路包括一个分压电阻R 0和一个跟随器,分压电阻R 0一端接电源V m ,另一端接第一电极6-1和跟随器的输入,第二电极6-2接地,跟随器的输出接至所述计算机;固体检测开关8、压力检测开关4-15、水平滑台零位开关3-6、电极驱动机构零位开关4-8均接至所述计算机;两个电机驱动器的控制端均接至所述计算机,另一端分别接电极驱动机构电机4-1和水平滑台电机3-1;所述显示器也连接所述计算机。
本实施例中,电源V m 为5V,分压电阻R 0的阻值为10MΩ,所述跟随器用CA3140运算放大器实现,设跟随器的输出电压为V 1,则固体7的电阻R x =V 1 R 0/(V m -V 1)。
所述计算机采用STM32F407ZET6微控制器,它具有多达7个I/O端口,具有16通道12位ADC(模数转换器),所述计算机各采用一个方向信号和一个脉冲信号通过两个电机驱动器控制电极驱动机构电机4-1和水平滑台电机3-1,显示器选用LCD1602,通过并行接口与所述计算机连接。
本发明还涉及一种在线测量固体含水率的方法,采用上述的在线测量固体含水率的装置进行测量。
在开始测量前,首先进行标定实验,获取所述第一电极6-1与第二电极6-2之间的固体的电阻R x 与固体的含水率H的对应关系。例如对于本例中含水率在9%-15%之间的粉丝饼,实验发现R x H之间存在线性关系,取四个样品,实验测得其(R x , H)数据分别为(7.22,9.77%)、(5.96, 10.97%)、(5.21, 11.52%)和(4.57, 12.16%),拟合得到R x H之间的关系:H=k 1*R x +b 1,式中k 1b 1为标定系数,k 1=-0.0090,b 1=0.1627,R x 的单位为MΩ。
测量过程具体包括以下步骤:
步骤1:控制系统9循环检测固体检测开关8的信号,当检测到固体检测开关8的输出第二次跳变时,经延时,控制水平滑台3带动安装在其上的电极驱动机构4和电极机构6开始沿着传输机构1运动的方向运动,使第一电极6-1和第二电极6-2位于被检测固体7的正上方,且与固体7在沿传输机构1运动的方向上相对静止,同步运动,延时时间取决于固体检测开关8的位置、第一电极6-1和第二电极6-2的位置、所述固体的尺寸、传输机构传送带1-3的速度和水平滑台3的加速度和最终速度,本例中的延时时间取值为1.6秒;
步骤2:控制系统9控制电极驱动机构4驱动第一电极6-1和第二电极6-2向下运动;
步骤3:控制系统9循环检测压力检测开关4-15的信号,当检测到压力检测开关4-15的输出状态改变时,控制电极驱动机构4停止驱动第一电极6-1和第二电极6-2下降;
步骤4:控制系统9检测第一电极6-1和第二电极6-2间固体的电阻R x ,计算固体7的含水率H=k 1*R x +b 1,并在显示器上显示测量结果;
步骤5:控制系统9控制电极驱动机构4驱动第一电极6-1和第二电极6-2上升,直到电极驱动机构零位开关4-8的输出信号产生跳变,控制系统9控制电极驱动机构4停止运动;
步骤6:控制系统9控制水平滑台3停止沿着传输机构1运动的方向的运动,改为控制水平滑台3沿着传输机构1运动的反方向运动,直到水平滑台零位开关3-6的输出信号产生跳变,控制系统9控制水平滑台3停止运动。
取5个含水率在9%-15%之间的粉丝饼,对每一个粉丝饼,首先使用本例的装置和检测方法进行含水率检测,得到结果H 1,然后采用失水测量法进行含水率检测,得到结果H 2,五个样品的(H 1, H 2)测量结果如下:(9.62, 9.56)、(10.84, 10.82)、(11.22, 11.33)、(12.35, 12.43)、(13.83, 13.68),最大偏差为0.16,符合食品工业的测量精度要求,本发明的装置在保证测量精度的同时可以进行实时在线测量含水率。
实施例2:
与实施例1相比,本实施例的不同之处在于用图9和图10所示改进的电极机构6a替换图6所示的电极机构6,第一电极6a-1替换第一电极6-1,第二电极6a-2替换第二电极6-2。
如图9和图10所示,电极机构6a包括第一电极6a-1、第二电极6a-2、电极安装板6a-3、两根电极导柱6a-5、电极导柱左支架6a-4、电极导柱右支架6a-10、两个左螺栓形导套6a-7、两个右螺栓形导套6a-9、两个导套螺母6a-8和四个电极机构弹簧6a-6。
角形电极导柱左支架6a-4和电极导柱右支架6a-10固定于电极安装板6a-3的两侧,电极导柱6a-5在一端用六角头另一端用螺母固定在电极导柱左支架6a-4和电极导柱右支架6a-10上,电极导柱6a-5的轴线的方向与传输机构1的运动方向平行。
长方体形状的第一电极6a-1和第二电极6a-2上沿着平行于其底面的方向各设置两个通孔,第一电极6a-1和第二电极6a-2平行放置,底面对齐,两个导套螺母6a-8放置在第一电极6a-1和第二电极6a-2之间,两个左螺栓形导套6a-7的直径小的部分穿过第一电极6a-1上的两个通孔与位于第一电极6a-1和第二电极6a-2之间的两个导套螺母6a-8实现螺纹连接,导套螺母6a-8上的螺纹孔为通孔,其外形为六棱柱,两个右螺栓形导套6a-9的直径小的部分穿过第二电极6a-2上的两个通孔与位于第一电极6a-1和第二电极6a-2之间的两个导套螺母6a-8实现螺纹连接,两个左螺栓形导套6a-7、两个导套螺母6a-8和两个右螺栓形导套6a-9把第一电极6a-1和第二电极6a-2固定连接在一起,形成一个电极组合体;导套螺母6a-8中间有孔,左螺栓形导套6a-7和右螺栓形导套6a-9的中间有孔,两根电极导柱6a-5穿过所述电极组合体上左螺栓形导套6a-7、导套螺母6a-8和右螺栓形导套6a-9上的孔,所述电极组合体可以沿着两根电极导柱6a-5直线移动,但不能旋转。
在电极导柱左支架6a-4与两个左螺栓形导套6a-7的螺栓头之间放置两个处于压缩状态的电极机构弹簧6a-6,电极机构弹簧6a-6为圆弹簧,套在电极导柱6a-5上,在电极导柱右支架6a-10与两个右螺栓形导套6a-9的螺栓头之间也放置两个处于压缩状态的电极机构弹簧6a-6,实现所述电极组合体沿着电极导柱6a-5的轴线方向的柔性约束。
左螺栓形导套6a-7、导套螺母6a-8和右螺栓形导套6a-9选用绝缘材料聚四氟乙烯,第一电极6a-1和第二电极6a-2与电极安装板6a-3之间留有间隙,实现第一电极6a-1与第二电极6a-2间的绝缘。
电极安装板6a-3通过电极机构连接柱5固定安装于第二滑块连接件4-12的下侧,工作状态下,第一电极6a-1和第二电极6a-2位于电极安装板6a-3的下方,其底面平行于传输机构传送带1-3的上表面。
与实施例1相比,本实施例在含水率的测量精度类似,其优点是,当传输机构的传输速度轻微变化(如变化10%)时,本实施例能够避免所传输的固体与传输机构传送带的相对位移和滑动摩擦,保护传输机构传送带和所传输的固体,尤其是当所述固体是放在固定于传输机构上的托盘中进行传输时更是如此。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在线测量固体含水率的装置,包括检测装置支架,所述检测装置支架安装在测量现场,其位置应保证下述电极机构位于传输机构所传输的固体的上方,且不测量时不与所述固体接触;
其特征在于,还包括电极机构、电极驱动机构、水平滑台、固体检测开关和控制系统;
所述电极机构包括相互绝缘的第一电极和第二电极,所述第一电极和第二电极的底面对齐,并且平行于传输机构放置所述固体的平面,所述第一电极和第二电极均连接到所述控制系统;并且,所述电极机构还包括一块电极安装板、两根电极导柱、一个电极导柱左支架、一个电极导柱右支架、两个左螺栓形导套、两个右螺栓形导套、两个导套螺母和四个电极机构弹簧,电极导柱左支架和电极导柱右支架固定于电极安装板的两侧,电极导柱固定于电极导柱左支架和电极导柱右支架上,电极导柱的轴线的方向与所述传输机构的运动方向平行;第一电极和第二电极上沿着平行于其底面的方向各设置两个通孔,第一电极和第二电极平行放置,底面对齐,两个导套螺母放置在第一电极和第二电极之间,两个左螺栓形导套的直径小的部分穿过第一电极上的两个通孔与位于第一电极和第二电极之间的两个导套螺母实现螺纹连接,导套螺母上的螺纹孔为通孔,两个右螺栓形导套的直径小的部分穿过第二电极上的两个通孔与位于第一电极和第二电极之间的两个导套螺母实现螺纹连接,两个左螺栓形导套、两个导套螺母和两个右螺栓形导套把第一电极和第二电极固定连接在一起,形成一个电极组合体;导套螺母中间有孔,左螺栓形导套和右螺栓形导套的中间有孔,两根所述电极导柱穿过所述电极组合体上左螺栓形导套、导套螺母和右螺栓形导套上的孔,所述电极组合体可以沿着两根所述电极导柱直线移动;在电极导柱左支架与两个左螺栓形导套的螺栓头之间放置两个处于压缩状态的电极机构弹簧,所述电极机构弹簧为圆弹簧,套在电极导柱上,在电极导柱右支架与两个右螺栓形导套的螺栓头之间也放置两个处于压缩状态的电极机构弹簧,实现所述电极组合体沿着电极导柱的轴线方向的柔性约束;所述左螺栓形导套、导套螺母和右螺栓形导套使用绝缘材料,所述第一电极和第二电极与电极安装板之间留有间隙,实现所述第一电极与第二电极间的绝缘;
所述电极驱动机构包括电极驱动机构电机、电极驱动旋转变直线运动机构、电极驱动机构导轨、第一滑块、第二滑块、第一滑块连接件、第二滑块连接件、限位柱、电极驱动机构弹簧、电极驱动机构零位开关、电极驱动机构底座和压力检测开关,所述电极驱动机构电机为脉冲信号控制的电机,所述电极驱动机构电机和所述电极驱动机构导轨固定安装在所述电极驱动机构底座上,所述电极驱动机构导轨的方向垂直于传输机构放置所述固体的平面,所述第一滑块和第二滑块都安装在所述电极驱动机构导轨上,可沿所述电极驱动机构导轨直线运动,第二滑块位于第一滑块的下方,所述电极驱动旋转变直线运动机构连接电极驱动机构电机和第一滑块,将电极驱动机构电机的旋转运动转变为第一滑块沿电极驱动机构导轨的直线运动,在第一滑块和第二滑块上分别固定安装第一滑块连接件和第二滑块连接件,在所述第一滑块连接件和第二滑块连接件之间沿着平行于所述电极驱动机构导轨的方向安装限位柱和电极驱动机构弹簧,所述限位柱的一端与第二滑块连接件固定,另一端限位套装于第一滑块连接件上并使得所述限位柱能够相对第一滑块连接件上下滑动,所述限位柱用于限定第一滑块连接件和第二滑块连接件之间的最大距离,电极驱动机构弹簧套装于所述限位柱上,在所述第一滑块与第二滑块之间安装压力检测开关,或在第一滑块连接件和第二滑块连接件之间安装压力检测开关,所述压力检测开关固定安装在第一滑块、第一滑块连接件、第二滑块和第二滑块连接件任意之一上,其安装位置应保证当所述第一电极和第二电极压向所述固体的力达到设定值时,所述压力检测开关的输出状态改变,所述压力检测开关的输出连接到所述控制系统,所述电极驱动机构零位开关固定安装在电极驱动机构底座上,用于检测所述第一滑块的直线位移的零位移点,其输出连接所述控制系统;
所述电极机构固定安装于所述第二滑块连接件的下侧;电极安装板固定安装于所述第二滑块连接件的下方,工作状态下,第一电极和第二电极位于电极安装板的下方,其底面平行于传输机构放置所述固体的平面;
所述水平滑台包括水平滑台电机、水平滑台旋转变直线运动机构、水平滑台导轨、水平滑台滑块、水平滑台零位开关和水平滑台底座,所述水平滑台电机和水平滑台导轨均固定安装于水平滑台底座,所述水平滑台导轨的方向平行于所述传输机构输送所述固体的方向,所述水平滑台电机为速度可控的电机,其输出轴与水平滑台旋转变直线运动机构连接,并通过水平滑台旋转变直线运动机构驱动水平滑台滑块沿着水平滑台导轨直线运动,所述水平滑台零位开关固定安装于水平滑台底座或检测装置支架上,用于检测所述水平滑台滑块的直线位移的零位移点,其输出连接所述控制系统;
所述电极驱动机构底座固定安装在所述水平滑台滑块上;
所述水平滑台底座固定安装在所述检测装置支架上,位于所述传输机构的上方;
所述固体检测开关固定安装在所述传输机构的支架上或检测装置支架上,位于所述第一电极和第二电极的后方,即所述固体先经过固体检测开关,然后才到达所述第一电极和第二电极的下方;所述固体检测开关的安装高度须保证能够检测到所述固体,其输出连接控制系统;
所述控制系统包括计算机、显示器、电阻测量电路和两个电机驱动器;所述电阻测量电路包括一个分压电阻和一个跟随器,所述跟随器由运算放大器实现,所述分压电阻一端接电源,另一端接一个所述电极和跟随器的输入,另一个所述电极接地,跟随器的输出接至所述计算机;所述固体检测开关、压力检测开关、水平滑台零位开关、电极驱动机构零位开关均接至所述计算机;两个电机驱动器的控制端均接至所述计算机,另一端分别接电极驱动机构电机和水平滑台电机;
上述表述中,所述前后是指所述固体传输的方向为向前,传输的反方向为后。
2.根据权利要求1所述的一种在线测量固体含水率的装置,其特征在于,所述固体检测开关为激光光电开关。
3.一种在线测量固体含水率的方法,其特征在于,采用权利要求1或2所述的一种在线测量固体含水率的装置对固体的含水率进行测量。
4.根据权利要求3所述的在线测量固体含水率的方法,其特征在于,开始测量前,首先进行标定实验,获取所述第一电极与第二电极之间的固体的电阻R x 与固体的含水率H的对应关系:H = f(R x ),测量过程包括以下步骤;
步骤1:控制系统循环检测所述固体检测开关的信号,当检测到所述固体检测开关的输出第二次跳变时,经延时,控制所述水平滑台带动安装在其上的电极驱动机构和电极机构开始沿着所述传输机构运动的方向运动,使所述第一电极和第二电极位于被检测所述固体的正上方,且与所述固体在沿传输机构运动的方向上相对静止,同步运动;
步骤2:所述控制系统控制所述电极驱动机构驱动所述第一电极和第二电极向下运动;
步骤3:控制系统循环检测所述压力检测开关的信号,当检测到压力检测开关的输出状态改变时,控制所述电极驱动机构停止驱动所述第一电极和第二电极下降;
步骤4:控制系统检测第一电极和第二电极间固体的电阻R x ,计算所述固体的含水率H =f(R x ),并在显示器上显示测量结果;
步骤5:控制系统控制所述电极驱动机构驱动所述第一电极和第二电极上升,直到所述电极驱动机构零位开关的输出信号产生跳变,控制系统控制所述电极驱动机构停止运动;
步骤6:控制系统控制所述水平滑台停止沿着传输机构运动的方向的运动,改为控制水平滑台沿着传输机构运动的反方向运动,直到所述水平滑台零位开关的输出信号产生跳变,控制系统控制所述水平滑台停止运动。
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