CN109870393B - 基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置及方法，由球床测量段本体、机械振动平台、电容测量系统和控制与数据采集系统组成，球床测量段本体机械的固定在机械振动平台上，由上、下两平行电极板封闭，平行电极板通过固定槽固定，通过引线与电容测量系统相连，控制与数据采集系统可以控制电控开关的不同状态和机械振动平台的振动条件参数，通过采集电容测量放大部件放大的平行电极板的电容信号反映球床的填充状态。本发明测量球床填充状态的装置结构简单、劳动强度低、操作简单便捷，成本低，可应用与不同工况（热载荷、机械载荷等）下的球床填充状态的在线测量。

Description

基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置及方法

技术领域：

本发明涉及球床领域，具体涉及一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置及方法。

背景技术：

颗粒物质广泛应用于化工、制药、能源、航空、土木等领域。球床是颗粒物质堆积形成的一种宏观结构，它的填充状态对球床的宏观性质有非常大的影响。如应用于核聚变领域的氚增殖球床，它是聚变堆固态氚增殖包层内产氚载体，也是包层内实现核能转换成热能的功能区域。依托于国家磁约束核聚变发展研究专项课题，等离子体所开展了面向CFETR候选概念之一水冷陶瓷增殖剂包层概念(WCCB)设计研究，WCCB采用新型的Li2TiO3/Be12Ti混合球床作为产氚载体。这种混合球床的填充状态对球床的有效热导率、有效热扩散系数、吹扫气压降等有非常显著的影响；如应用于核裂变领域的高温气冷堆球床模块，采用化学惰性和热工性能好的氦气为冷却剂，以全陶瓷型包覆颗粒为燃料元件，球床的填充状态直接影响到冷却剂的流动和球床的传热；如粉末冶金领域的粉末颗粒堆积，高堆积密度是提高粉末冶金产品强度的重要途径之一，获得最大堆积密度时的粉末颗粒填充状态是提高粉末装载量的重要手段。

国内通常用变介电常数电容传感器研究燃油等液位的高度变化，如臧宁等(沈阳航空工业学院学报，2007：10(5).)根据电容器两极板间的电介质变化,引起传感器电容量变化,电容信号经过C-V变换电路转换为直流电压信号,数字化后输入微处理器计算后,送飞机终端显示系统显示油量信息。少数研究用电容法研究颗粒堆积特性，如李晓伟等(应用能源技术.2009：11(32).)应用竖直的介质变化型电容传感器研究了河沙容积、密度和输出电压的关系。以上研究存在不足之处：(1)大部分研究都是将电容传感器直接简单的应用于测量液位变化，电容法在球床的填充状态研究领域还没有得到应用；(2)研究颗粒堆积特性时，只是简单的测量了静止状态下、无其他外加工况下的颗粒堆积特性，工况单一且不能实时测量。

目前最直观的方法就是采用一种基于高分辨率工业X射线断层扫描(CT)无损检测的实验方法，利用此技术，物体十分精细的内部结构也能进行精确的成像。它可以测量颗粒大小和形状分布，并检测颗粒内部的孔隙度。用于增材制造的金属原料粉末可以使用它扫描并且在粒度，形状和孔隙率方面进行表征。但是也存在不足之处：(1)CT的成本高昂，约在200-500万元；(2)测量条件较为严苛，无法完成复杂工况下的实时测量。本发明正是基于上述原因而做出的。

发明内容：

本发明目的就是为现有球床填充状态的测量提供一种简易、便捷、直观的测量方式，本发明提出一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置及方法，可用于球床不同振动条件下球床填充状态的测量；有效降低了实验成本和时间，为球床的混合模式研究等提供快速测试手段。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置，其特征在于：包括有球床测量段本体、机械振动平台、电容测量系统和控制与数据采集系统，所述球床测量段本体机械的固定在机械振动平台上，所述球床测量段本体的顶部和底部分别密封固定有上平行电极板、下平行电极板；所述电容测量系统包括恒压电源、电控开关K1、K2、K3和电容测量部件，所述上平行电极板、下平行电极板分别引出一根引线接入电控开关K3的两端，所述恒压电源与电控开关K1串联后与电控开关K3并联，所述电容测量部件与电控开关K2串联后与电控开关K3并联；所述控制与数据采集系统包括机械振动平台的控制系统，电控开关K1、K2、K3的控制系统和信号采集与可视化系统，机械振动平台的控制系统用于控制机械振动平台的启停与运行工况，为球床测量段本体提供一定频率、振幅、振动方向的振动条件；电控开关K1、K2、K3的控制系统用于控制电控开关K1、K2、K3的闭合；信号采集与可视化系统用于将实时采集到的电容信号可视化为曲线图。

所述的一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置，其特征在于：所述球床测量段本体内的上部和下部分别设有四个上凸台、四个下凸台，所述三个上凸台中设有凹槽、一个上凸台上设有螺纹孔，所述上平行电极板的边缘卡设在三个上凸台的凹槽中并通过螺钉固定在另一个上凸台的螺纹孔中；所述四个下凸台均开有螺纹孔，下平行电极板置于四个下凸台上并分别通过螺栓螺母固定。

所述的一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置，其特征在于：所述恒压电源用于为上、下平行电极板充电，所述电容测量部件用于测量上、下平行电极板的电容并将信号放大。

所述的一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置，其特征在于：所述控制与数据采集系统可以控制电控开关K1、K2、K3的三种不同状态，并自动的循环切换，三种状态分别是：状态1：电控开关K2、K3打开、K1闭合，恒压电源为上、下平行极板充电；状态2：K1、K3打开、K2闭合，电容测量部件通过连接在上、下平行电极板上的引线测量两平行极板之间的电容，并将采集到的电容信号传递给控制与数据采集系统；状态3：K1、K2打开、K3闭合，上、下平行极板进行放电。

基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：对机械振动平台及球床测量段本体进行静电消除处理；

步骤2：实验前，填充待测球床，安装好上、下平行电极板，并将球床测量段本体机械固定在机械振动平台上，做好密封，准备实验；

步骤3：实验开始时，设置控制与数据采集系统使电控开关K1、K2、K3处于状态3，设置机械振动平台振动条件后，启动机械振动平台；

步骤4：通过控制与数据采集系统控制电控开关K1、K2、K3在状态3、状态1、状态2三种状态中循环切换；

步骤5：控制与数据采集系统实时采集电容信号并可视化；

步骤6：控制与数据采集系统停止电控开关K1、K2、K3的切换，使之停留在状态3，关闭机械振动平台，最后关闭其他设备，断开电源，结束实验。

本发明的优点是：

本发明的测量球床填充状态的装置可以实时测量不同振动条件下的球床的填充状态，可以更直观的反应实时的球床填充程度。

本发明的测量球床填充状态的装置具有结构简单、劳动强度低、操作简单便捷的优点。

本发明的测量球床填充状态的装置相较于X-RAY测量大大节约了实验成本，同时易于改装，可应用与不同工况(热载荷、机械载荷等)下的球床填充状态的在线测量。

附图说明：

图1为本发明的实验原理图；

图2-1为本发明的球床测量段本体的主视图；

图2-2为本发明的球床测量段本体的俯视图；

图2-3为本发明的球床测量段本体的仰视图；

图3位本发明的实验步骤图。

图中：1.引线；2.上平行电极板；3.球床测量段本体；4.下平行电极板；5.机械振动平台；6.电控开关K3；7.电控开关K1；8.电控开关K2；9.电容测量部件；10.控制与数据采集系统；11.恒压电源；3-1.凹槽；3-2.螺钉；3-3.上凸台；3-4.螺栓螺母；3-5.下凸台。

具体实施方式：

参见附图。

下面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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置，它主要由球床测量段本体3、机械振动平台5、电容测量系统和控制与数据采集系统10组成。球床测量段本体3为非导电材料，机械固定在机械振动平台5上。实验球床由上平行电极板2、下平行电极板4密封于球床测量段本体3内，上平行电极板2、下平行电极板4机械固定在球床测量段本体3的顶部和底部。机械振动平台5由控制与数据采集系统10控制，为球床测量段本体3提供一定频率、振幅、振动方向的振动条件。电容测量系统由恒压电源11、电控开关6-8和电容测量部件9组成。上平行电极板2、下平行电极板4分别引出一根引线1接入电控开关6的两端，所述恒压电源11与电控开关7串联后与电控开关6并联，所述电容测量部件9与电控开关8串联后与电控开关6并联。电控开关K2、K3打开、K1闭合(状态1)时，恒压电源11为上、下两平行极板2、4充电；K1、K3打开、K2闭合(状态2)时，电容测量部件9通过连接在平行电极板2、4上的引线1测量两平行极板之间的电容，并将采集到的电容信号传递给控制与数据采集系统10；K1、K2打开、K3闭合(状态3)时，上、下平行极板2、4进行放电。控制与数据采集系统10主要包括机械振动平台5的控制系统，电控开关6-8的控制系统和信号采集与可视化系统。机械振动平台5的控制系统用于控制机械振动平台5的启停与运行工况(频率、振幅、方向等)；电控开关6-8的控制系统用于控制电控开关K1、K2、K3的闭合；信号采集与可视化系统用于将实时采集到的电容信号可视化为曲线图。

图2显示了本发明球床测量段本体3的各个视图。

如图2-1所示，球床测量段本体内的上部和下部分别设有四个上凸台、四个下凸台，所述三个上凸台中设有凹槽、一个上凸台上设有螺纹孔，所述上平行电极板的边缘卡设在三个上凸台的凹槽中并通过螺钉固定在另一个上凸台的螺纹孔中；所述四个下凸台均开有螺纹孔，下平行电极板置于四个下凸台上并分别通过螺栓螺母固定。上平行电极板2开有一个螺纹孔，下平行电极板4开有4个螺纹孔，如俯视图2-2所示，上凸台3-3对称布置在球床测量段本体3的上部，靠近凹槽3-1侧的上凸台3-3有螺钉孔，通过螺钉3-2将上平行电极板2固定在球床测量段本体3的上部。如仰视图2-3所示，下凸台3-5对称布置在球床测量段本体3的下部，每个下凸台3-5都开有螺纹孔，通过螺栓螺母3-4将下电极板4固定在球床测量段本体3的下部。

图3显示了本发明具体实验方法和步骤，具体阐述如下：

步骤1：对机械振动平台5及球床测量段本体3进行静电消除处理(静电消除剂等)。

步骤2：实验前，依据本发明图2所示填充待测球床，安装好上下平行电极板2、4，并将球床测量段本体3机械固定在机械振动平台5上，做好密封，准备实验；

步骤3：实验开始时，设置控制与数据采集系统10使电控开关处于状态3，设置机械振动平台5振动条件(振幅、频率、方向等)后，启动机械振动平台5。

步骤4：通过控制与数据采集系统10控制电控开关6-8在状态3、状态1、状态2三种状态中循环切换。

步骤5：控制与数据采集系统10实时采集电容信号并可视化。

步骤6：控制与数据采集系统10停止电控开关6-8的切换，使之停留在状态3，关闭机械振动平台5。最后关闭其他设备，断开电源，结束实验。

本发明未详细陈述的部分，属于本领域公知技术。

尽管以上内容对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求和本发明确定的精神和范围内，这些变化是显而易见的，均在本发明保护之列。

Claims (4)

1.一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置，其特征在于：包括有球床测量段本体、机械振动平台、电容测量系统和控制与数据采集系统，所述球床测量段本体机械的固定在机械振动平台上，所述球床测量段本体的顶部和底部分别密封固定有上平行电极板、下平行电极板；所述电容测量系统包括恒压电源、电控开关K1、K2、K3和电容测量部件，所述上平行电极板、下平行电极板分别引出一根引线接入电控开关K3的两端，所述恒压电源与电控开关K1串联后与电控开关K3并联，所述电容测量部件与电控开关K2串联后与电控开关K3并联；所述控制与数据采集系统包括机械振动平台的控制系统，电控开关K1、K2、K3的控制系统和信号采集与可视化系统，机械振动平台的控制系统用于控制机械振动平台的启停与运行工况，为球床测量段本体提供一定频率、振幅、振动方向的振动条件；电控开关K1、K2、K3的控制系统用于控制电控开关K1、K2、K3的闭合；信号采集与可视化系统用于将实时采集到的电容信号可视化为曲线图；

所述控制与数据采集系统可以控制电控开关K1、K2、K3的三种不同状态，并自动的循环切换，三种状态分别是：状态1：电控开关K2、K3打开、K1闭合，恒压电源为上、下平行极板充电；状态2：K1、K3打开、K2闭合，电容测量部件通过连接在上、下平行电极板上的引线测量两平行极板之间的电容，并将采集到的电容信号传递给控制与数据采集系统；状态3：K1、K2打开、K3闭合，上、下平行极板进行放电。

2.根据权利要求1所述的一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置，其特征在于：所述球床测量段本体内的上部设有四个上凸台，下部设有四个下凸台，三个上凸台中设有凹槽、一个上凸台上设有螺纹孔，所述上平行电极板的边缘卡设在三个上凸台的凹槽中并通过螺钉固定在另一个上凸台的螺纹孔中；所述四个下凸台均开有螺纹孔，下平行电极板置于四个下凸台上并分别通过螺栓螺母固定。

3.根据权利要求1所述的一种基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置，其特征在于：所述恒压电源用于为上、下平行电极板充电，所述电容测量部件用于测量上、下平行电极板的电容并将信号放大。

4.根据权利要求1所述的基于平行板电容器测量振动球床填充状态的装置的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤（1）：对机械振动平台及球床测量段本体进行静电消除处理；

步骤（2）：实验前，填充待测球床，安装好上、下平行电极板，并将球床测量段本体机械固定在机械振动平台上，做好密封，准备实验；

步骤（3）：实验开始时，设置控制与数据采集系统使电控开关K1、K2、K3处于状态3，设置机械振动平台振动条件后，启动机械振动平台；

步骤（4）：通过控制与数据采集系统控制电控开关K1、K2、K3在状态3、状态1、状态2三种状态中循环切换；

步骤（5）：控制与数据采集系统实时采集电容信号并可视化；

步骤（6）：控制与数据采集系统停止电控开关K1、K2、K3的切换，使之停留在状态3，关闭机械振动平台，最后关闭其他设备，断开电源，结束实验。

Images