CN112643881A - 一种混凝土搅拌站全自动控水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土搅拌站全自动控水系统，主要通过微波含水率传感器进行多频段测量骨料含水率，得出的模拟信号转换为数字信号，并通过计算机的数据模型计算出精准的含水率信息，通过搅拌机控制系统的含水率接入端实时调整混凝土的生产配比，本发明应用于混凝土中骨料的含水率监测，但又独立于混凝土搅拌站控制系统，优化混凝土质量的同时提升了系统运行的稳定性。

Description

一种混凝土搅拌站全自动控水系统

[技术领域]

本发明涉及混凝土搅拌站全自动控制领域，具体地涉及一种混凝土搅拌站全自动控水系统。

[背景技术]

混凝土搅拌站全自动控水系统是基于微波天线测量技术、计算机技术，其能够依据微波天线测量骨料含水率值及混凝土配比，实时精准地控制混凝土用水量、骨料补偿量。

混凝土作为当代最主要的土木工程材料之一被广泛地应用于建筑等领域。然而，根据不同的应用场景，对混凝土的塌落度、水胶比、强度等性能有着不同的技术要求，且一般的混凝土技术配比中没有精准地控制骨料中的含水率，从而在实际生产过程中引起骨料不足、掺水过多的问题，最终导致混凝土塌落度大、水胶比高、强度下降等一系列质量问题。因此，精准控制混凝土的含水率对于提高混凝土的质量就显得至关重要。

目前常用的骨料含水率测量方法有烘干称重法、电阻法、电容法、红外吸收法检测等等。

烘干称重法为标准的测量方法，其检测精度高，但用于大量骨料时取样代表性差、测量速度慢，只能应用于少量的骨料检测，不能应用于快速、实时的检测。

电阻法是最早的水分电测的方法，但由于被测物料中含水的成分不稳定，比如纯水不导电，从而导致检测结果不准确。

电容法将骨料作为电介质，骨料的含水量将显著的影响介电常数的变化，电容法易受骨料温度、品种、密度等因素影响，所得数据比较复杂，需要进行大量标定实验，进行相应的补偿，才能提高检测的精度。

红外吸收法，其理论基础为比尔定律，采用反射式光学结构，通过反射的光强来测定水分的含量，故而很难测得骨料内部的水分。

相比于传统的微波透射法的含水率传感器，其发射和接收天线需要双边安装，对安装角度和距离有严格的要求，装置体积较大。而本发明基于微波反射法采用微带天线单边安装，降低了安装精度，并有效的节省了空间。

综合以上测量方法，凸显了微波反射法检测含水率的优势，应用微波检测骨料的含水率，它能在线实时准确的测量骨料的含水率，结合计算机技术，能够对混凝土生产进行对应的含水量补偿，形成了一套独立于混凝土搅拌站控制系统的闭环全自动控水系统，既提升混凝土的产品质量，又不破坏原有混凝土搅拌系统。

[发明内容]

本发明克服了上述技术的不足，提供了一种混凝土搅拌站全自动控水系统。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：包括有可发射不同频率微波且用于向混凝土骨料周期性地发射单个频率微波的微波信号发生子系统、用于将混凝土骨料入射波和反射波形成的行驻波放大以及整流滤波并根据不同频率行驻波得出的驻波比电压信号转换为数字信号的信号处理与输出子系统、用于根据驻波比电压数字信号计算出混凝土骨料含水率并将计算的混凝土骨料含水率发送到搅拌站调整混凝土骨料与用水配比的上位机、根据混凝土骨料含水量人工检测值对上位机混凝土骨料含水率计算值进行补偿的含水率计算值补偿输入模块。

如上所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：微波信号发生子系统包括有混凝土骨料料仓以及设置于混凝土骨料料仓底部与单片机连接的微波传感器，微波传感器上设有多个用于输出不同频率微波的压控微波振荡器，压控微波振荡器顺次连接有同轴隔离器、电调微波阻抗的衰减器、向混凝土骨料发射微波的发射天线。

如上所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：混凝土骨料检测容器底部在微波传感器与混凝土骨料之间设有可拆卸的陶瓷面板。

如上所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：单片机向微波传感器电源端输入一个1KHZ的方波调制信号。

如上所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：压控微波振荡器的振荡频率范围为0.3MHZ～1.2GHZ。

如上所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：信号处理与输出子系统包括有用于接收混凝土骨料反射微波的接收天线，接收天线顺次连接有用于将混凝土骨料入射微波与混凝土骨料反射微波混合形成行驻波的混频器、用于过滤动态阻抗不匹配行驻波的微波检波器、用于对匹配的动态阻抗行驻波放大并滤波的选频放大器、用于将放大滤波后的行驻波整流的整流滤波器、根据整流滤波器输出的不同频率行驻波得出驻波比电压信号的单片机、将驻波比电压信号转换为数字信号传输到上位机上的A/D转换器。

如上所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：选频放大器为中心频率为1KHZ的滤波放大器。

如上所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：上位机包括有与含水率计算值补偿输入模块连接的数据处理模块，数据处理模块连接有用于采集信号处理与输出子系统输出的驻波比电压数字信号的数据采集模块、用于人工干预是否将计算的混凝土骨料含水率发送到搅拌站的人工干预输入模块。

本发明的有益效果是：

1、本发明用于在线骨料含水率的测量，对于不同的骨料类型由计算机软件来设定微波检测装置的测量模式，然后经单片机处理后发出不同的调制信号，对比使用固定频率的微波检测骨料的含水量，本发明的测量方式的精度要高于固定频率检测装置。

2、本发明处理微波检测装置的测量数据，对比人工检测的数据并进行智能补偿、在线衔接混凝土搅拌系统实时地控制用水量，以提高混凝土产品的质量。

3、微波信号发生子系统中的微波传感器上设有多个微波发射天线与接受天线，周期性的扫频测量，能够有效的避免不同频段之间传感器的相互干扰。

4、微波传感器上的陶瓷面板为可拆卸的，有效的避免与混凝土骨料接触对陶瓷面板造成损伤。

5、单片机接收到骨料仓开门信号，单片机控制微波传感器，周期性进行单个微波源调制与检波，实现多频段降噪检测，所提取的行驻波电压比转换成电压信号输出。

6、由于采集的信号存在噪声干扰，故在计算机软件系统中应有动态抑制噪声模型，抑制数据中的高噪声和周期性的干扰，减少数据的波动，提高数据的准确性，最终得出该批次骨料平均含水率假值。

[附图说明]

图1为本发明系统原理图；

图2为本发明系统结构图。

[具体实施方式]

下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：

如图1-2所示，一种混凝土搅拌站全自动控水系统，包括有可发射不同频率微波且用于向混凝土骨料周期性地发射单个频率微波的微波信号发生子系统1、用于将混凝土骨料入射波和反射波形成的行驻波放大以及整流滤波并根据不同频率行驻波得出的驻波比电压信号转换为数字信号的信号处理与输出子系统2、用于根据驻波比电压数字信号计算出混凝土骨料含水率并将计算的混凝土骨料含水率发送到搅拌站调整混凝土骨料与用水配比的上位机3、根据混凝土骨料含水量人工检测值对上位机3混凝土骨料含水率计算值进行补偿的含水率计算值补偿输入模块4。

优选的，微波信号发生子系统1包括有混凝土骨料料仓51以及设置于混凝土骨料料仓51底部与单片机5连接的微波传感器52，微波传感器52上设有多个用于输出不同频率微波的压控微波振荡器53，压控微波振荡器53顺次连接有同轴隔离器54、电调微波阻抗的衰减器55、向混凝土骨料发射微波的发射天线56，混凝土骨料检测容器底部在微波传感器52与混凝土骨料之间设有可拆卸的陶瓷面板，单片机5向微波传感器52电源端输入一个1KHZ的方波调制信号，可防止电源负载反射信号对微波源产生的信号干扰，压控微波振荡器53的振荡频率范围为0.3MHZ～1.2GHZ。

优选的，信号处理与输出子系统2包括有用于接收混凝土骨料反射微波的接收天线21，接收天线21顺次连接有用于将混凝土骨料入射微波与混凝土骨料反射微波混合形成行驻波的混频器22、用于过滤动态阻抗不匹配行驻波的微波检波器23、用于对匹配的动态阻抗行驻波放大并滤波的选频放大器24、用于将放大滤波后的行驻波整流的整流滤波器25、根据整流滤波器25输出的不同频率行驻波得出驻波比电压信号的单片机5、将驻波比电压信号转换为数字信号传输到上位机3上的A/D转换器26，选频放大器24为中心频率为1KHZ的滤波放大器。

优选的，上位机3包括有与含水率计算值补偿输入模块4连接的数据处理模块31，数据处理模块31连接有用于采集信号处理与输出子系统2输出的驻波比电压数字信号的数据采集模块32、用于人工干预是否将计算的混凝土骨料含水率发送到搅拌站的人工干预输入模块33。

当单片机5接到到混凝土骨料料仓开仓信号，骨料落料覆盖高度为d后，微波传感器52输出多个不同频率微波信号周期性单个检测同批次的骨料，并将骨料的入射波与反射波在混频器22汇总混合形成行驻波。

信号处理与输出部分，由信号发生部分经骨料混合形成的微弱的微波信号，经低电平的微波检波器23，检测微波动态匹配阻抗是否匹配，选频放大器实质为滤波放大电路，由于微波信号源经1KHZ的方波调制后，对微波检波器24输出的是经过调制的方波信号，故而选中心频率为1KHZ的带通滤波器，对检波器输出的信号进行滤波，并进行适当的倍数放大，以保证检出有效信号，提高测量精度。整流滤波器25是将选频放大器24输出的1KHZ交流正弦信号整流为标准的直流电压并使之与A/D转换器26的输入范围相适应，以提高精度。多个微波源差时分别得出的驻波比电压信号通过AD芯片放大输出至计算机软件中的上位机3。

上位机3中计算骨料含水率为使用接触式微波空间反射法，使用多个发射天线56，其中单天线既做发射天线又做入射波接收天线，骨料与微波传感器52接触部位采用低介电常数的陶瓷板封装，所检测的骨料含水量信息体现在反射波的振幅以及频率的变化量中。

针对常见骨料成分中的介电常数，如：矿石25、干燥的砂2.5、花岗岩8.3、大理石6.2、云母8、金刚石2.8、砂岩6、石灰岩4-18、玄武岩8-9等等及针对水在不同频率下的介电常数的表现由下列式可得出，本发明可供模式选择的微波频率在0.3MHZ～1.2GHZ之间。

ε＝ε′-jε″＝ε_∞+(ε_χ-ε_∞)/(1+jωτ)

ε′＝ε_∞+(ε_χ-ε_∞)/(1+ω²τ²)

ε″＝(ε_χ-ε_∞)ωτ/(1+ω²τ²)

其中ε_χ是水的直流介电常数；ε_∞是介电常数；τ是弛豫时间；ω是微波角频率。

在自由空间内，当入射波Ei垂直入射到厚度为D的测量骨料的表面时，一部分微波被骨料放射形成反射波Er，另外一步分透过材料形成透射波Et那么反射波和入射波相叠加形成行驻波，由下式结合计算机的计算模型可以求得含水率Y。

式中Ec为行驻波；Ei0为入射波幅值；Γ为微波的反射系数；ω为入射波的角频率；t为时间；x为微波在横轴的坐标，k为行驻波的波数。

优选的，Γ依赖于骨料的介电特性，同时又于骨料的含水率、密度、成分等特性有关，后期通过标定实验来确定反射系数。

优选的，行驻波Ec的最大值和最小值的比为行波电压比Sc，通过不同的骨料的相对磁导率，计算Sc。

优选的，相对介电常数ε′，式中φ为放射波的相移、C为光速、f为反射波频率。ε′计算方式如下：

优选的，在标定实验中发现，使用高效的数学测量技术，G和骨料的含水率Y呈线性关系。可以得出：

G＝mY+n

式中a为该线性关系的曲线，与骨料的类型有关；n为补偿系数，其通过数字测量技术与标定实验拟合而得。

由上述综合可得含水率Y为：

对上位机中骨料含水率计算值补偿方位为：通过以上步骤得出微波骨料含水量检测装置的驻波比，以下步骤为计算机模型标定过程：

步骤一，充分烘干适量骨料；将烘干后的骨料配制成含水率分别为0.0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％、6.0％、6.5％、7.0％、7.5％、8.0％、8.5％、9.0％、9.5％、10.0％的骨料，并搅拌均匀；

步骤二，实验中将微波传感器放入一个圆柱型的容器内，此时连同RS485链路，由计算机下达标定模式信号，分别倒入不同含水量的骨料进行传感器的测量，将含水率信息与不同频率驻波比真值进行二次拟合，得出0.0～10.0％的对应线性曲线。若该骨料的保水性大于10％，应按此步骤进行更高含水率的标定；

步骤三，检测微波含水率传感器的出厂精度，取若干烘干的骨料，任意的加入不同量的水分，并搅拌均匀。将不同含水量的骨料倒入圆柱形的标定桶内，记录此时计算机系统得出的含水率信息，后取标定桶的骨料若干，采用烘干法得出含水率真实值，与计算机系统得出的含水率绝对误差在±0.05％以内则满足进度要求；

步骤四，由计算机软件系统，下载该传感器的标定信息，并储存到单片机内。

实际应用时，将标定好的微波传感器安装到不同类型料仓下方，使得骨料在落料时充分覆盖高度为d的区域，并使用减震橡胶垫应用于联接部位，减小震动对传感器的干扰。微波源的电源信号由料仓开仓信号触发单片机后触发，对该批次的骨料进行扫频测量驻波比，与标定实验中建立的模型，对应出含水率信息，当料仓门关闭后，计算机软件系统将实时的含水率信息求出平均值。并弹出含水量信息确认窗口，由人工判断数据是否自动接入混凝土搅拌系统中，若无人操作则5s数据自动确认，再由计算机软件系统中的辅助脚本模块，对含水量信息链入，减少最终该批次的混凝土的用水量、增加骨料。

Claims (8)

1.一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：包括有可发射不同频率微波且用于向混凝土骨料周期性地发射单个频率微波的微波信号发生子系统(1)、用于将混凝土骨料入射波和反射波形成的行驻波放大以及整流滤波并根据不同频率行驻波得出的驻波比电压信号转换为数字信号的信号处理与输出子系统(2)、用于根据驻波比电压数字信号计算出混凝土骨料含水率并将计算的混凝土骨料含水率发送到搅拌站调整混凝土骨料与用水配比的上位机(3)、根据混凝土骨料含水量人工检测值对上位机(3)混凝土骨料含水率计算值进行补偿的含水率计算值补偿输入模块(4)。

2.根据权利要求1所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：微波信号发生子系统(1)包括有混凝土骨料料仓(51)以及设置于混凝土骨料料仓(51)底部与单片机(5)连接的微波传感器(52)，微波传感器(52)上设有多个用于输出不同频率微波的压控微波振荡器(53)，压控微波振荡器(53)顺次连接有同轴隔离器(54)、电调微波阻抗的衰减器(55)、向混凝土骨料发射微波的发射天线(56)。

3.根据权利要求2所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：混凝土骨料检测容器底部在微波传感器(52)与混凝土骨料之间设有可拆卸的陶瓷面板。

4.根据权利要求2所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：单片机(5)向微波传感器(52)电源端输入一个1KHZ的方波调制信号。

5.根据权利要求2所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：压控微波振荡器(53)的振荡频率范围为0.3MHZ～1.2GHZ。

6.根据权利要求1所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：信号处理与输出子系统(2)包括有用于接收混凝土骨料反射微波的接收天线(21)，接收天线(21)顺次连接有用于将混凝土骨料入射微波与混凝土骨料反射微波混合形成行驻波的混频器(22)、用于过滤动态阻抗不匹配行驻波的微波检波器(23)、用于对匹配的动态阻抗行驻波放大并滤波的选频放大器(24)、用于将放大滤波后的行驻波整流的整流滤波器(25)、根据整流滤波器(25)输出的不同频率行驻波得出驻波比电压信号的单片机(5)、将驻波比电压信号转换为数字信号传输到上位机(3)上的A/D转换器(26)。

7.根据权利要求6所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：选频放大器(24)为中心频率为1KHZ的滤波放大器。

8.根据权利要求1所述一种混凝土搅拌站全自动控水系统，其特征在于：上位机(3)包括有与含水率计算值补偿输入模块(4)连接的数据处理模块(31)，数据处理模块(31)连接有用于采集信号处理与输出子系统(2)输出的驻波比电压数字信号的数据采集模块(32)、用于人工干预是否将计算的混凝土骨料含水率发送到搅拌站的人工干预输入模块(33)。

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