CN1763524B - 全自动维卡仪 - Google Patents

Abstract

一种全自动维卡仪，包括机座1、机身6、机头7、转盘12及其移位机构、电源、擦针机构11、保温保湿箱18、控制系统C、显示与打字系统；其特征是：在机头中安装试针10及其升降和位移传感机构，其中试针接地；在转盘上具有电连接采样端，分别与控制系统的信号电压输入端相连，和通过串联电阻与给定电压输入端连接，该电连接采样端在位于转盘12上的金属试模、水泥净浆及试针电导通时获得信号。本发明能模仿人工操作的全过程，操作方便、测试精度高，测试结果自动分析计算，并可以将测试结果打印报出的全自动测定仪；并在此基础上，根据测试的特点，研发可以实现同时进行多组水泥测试的大型维卡仪。

Description

全自动维卡仪

技术领域

本发明涉及一种用于水泥初凝，终凝时间的测试仪器。

技术背景

水泥是现代最重要的建筑材料之一。水泥加水后拌成水泥净浆，由可塑状态转变到具有一定强度的固体状态的过程为水泥的凝结。开始失去可塑性的时间叫初凝时间，全部失去可塑性的时间叫终凝时间。凝结时间是水泥的重要物理性能，各国对水泥的初凝时间、终凝时间都有国家标准的规定。测定凝结时间，世界绝大多数国家(包括中国)都采用“维卡仪法”。我国采用的标准是GB/T 1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》。其中关于凝结时间的测定是如下规定的：直径为1.13mm的试针以自由落体状态插入厚度为40mm的水泥静浆，当沉入净浆距底板4mm±1mm(沉入深度为36mm±1mm)时，水泥达到初凝状态；而当试针沉入试体0.5mm时为终凝状态。由于在实测时，终凝状态的0.5mm这一量值很难准确观测，因此在标准GB/T1346-2001中特别规定，为了准确观测狭小区域试针的沉入状况，终凝时间的测定采用装有环形附件的专用试针，当专用试针沉入试体0.5mm时，这时环形附件不能在试体上留下痕迹，也即是最后一次未出现环形附件痕迹为终凝。同时在标准中规定，初凝时间到达后立即翻转试模，目的是为了测定终凝时净浆表面非常平整，能够准确观测终凝针(即专用试针)上的附件是否留下痕迹。现有的技术状况：

1.手动维卡仪

目前，在国内用于水泥终凝时间测定的维卡仪大多是手动式维卡仪(此仪器外观及主要结构见附图1，其中1为机座，2为滑块，3为松紧螺钉，4为指针，5为标尺)，这是一种有一百多年历史的传统方法，采用手工操作，每隔五分钟或十五分钟操作一次，观察试针自水泥净浆表面自由落体沉入的深度来判定初、终凝时间。

2.自动维卡仪

本世纪五十年代瑞士发明了一种机械式凝结时间测定仪，由于结构复杂，不能保持试体环境湿度而未能推广应用。七十年代以来又有德国、意大利、英国等国家相继研制出以机械——电气控制为主的自动维卡仪，用同一试针进行初凝和终凝测试，测试结果用试笔在特定纸上划痕给出，然后根据划痕分析计算得出初凝和终凝对应的时间。

现有技术的不足：

从手动维卡仪的测试方法可以看出，这种方法费时、费力，每个试样要一个一个地测定，操作人员需要几小时或十几小时地等待，观察终凝时间的到达。而且，由于操作人员的熟练程度与能力不同也影响测定结果的准确性；而采用国外的自动维卡仪进行测试，虽然使测试过程自动化，但是通过纸上划痕得出的结果之后还要人工判定初、终凝时间，最终结果依然不准确，且不适合国内标准。因而对水泥的凝结时间进行全自动地、精确地测定仍然没有完好解决。

发明内容

本发明的目的就针对目前手工测定或近些年相继出现的各种自动维卡仪存在的不足之处，提供一种能模仿人工操作的全过程，操作方便、测试精度高，测试结果自动分析计算，并可以将测试结果打印报出的全自动测定仪；并在此基础上，根据测试的特点，研发可以实现同时进行多组水泥测试的大型维卡仪。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：即这种的全自动维卡仪包括机座、机身、机头、转盘及其移位机构、电源、擦针机构、保温保湿箱、控制系统、显示与打字系统，其中转盘移位机构设置在机座上，其转盘位于保温保湿箱内，试针始终位于转盘的上方，擦针机构的擦针臂位于试针行程的两侧；其特征是：在机头中安装试针及其升降位移传感机构，其中试针接地；在转盘上具有电连接采样端，分别与控制系统的信号电压输入端相连，和通过串联电阻与给定电压输入端连接，该电连接采样端在位于转盘的金属试模、水泥净浆及试针电导通时获得信号。

所述转盘的表面具有绝缘板，使转盘与电连接采样端之间绝缘；转盘移位机构设置在机座中，包括转盘支撑板，两台步进电机，转盘移位包括由所述步进电机驱动的水平转动和移动；为了能够在复位的时候使转盘回到初始位置，在转盘和转盘支撑板之间安置了回位拉力弹簧，而且为了让玻璃板的导电块与顶块充分接触以接收电信号，在转盘支撑板的下部安置了一个片簧，整个转盘的极限位置就由微动开关控制。

试针及其升降和位移传感机构中试针安装在滑块的下端，滑块由步进电机通过异形凸轮驱动实现试针的升降；在滑块及其一侧的动栅板安置块上安装有一对位移传感器。

与现有的技术相比，本发明创造依照国家测试标准，通过单片机实时控制各机构运动，完全模拟人工测试全过程，操作简单，并能精确地、自动地采集数据、分析数据、显示测试结果。

上述装置的工作原理是这样的：

试针的垂直升降运动由步进电机驱动异形凸轮实现；试针的下降距离由分辨率为0.01mm的容栅位移传感器测定，每一次试针的沉入深度由微机记录；装有水泥净浆的试模分别在两个步进电机的驱动下作旋转和平移运动，在试针提升时由擦针机构实现擦针，全部运动程序由电脑控制；测定初凝和终凝时间根据水泥型号的不同，选择不同的时间间隔进行测试，本发明提供5分钟、10分钟、15分钟三种模式。一个试体初、终凝到达后，将根据记录数据分析计算出初凝和终凝时间，由控制面板上的液晶显示屏显示，并由打印机自动打印报出结果。

试针自由落体沉入水泥浆体的深度是判断初、终凝时间的依据，由于试模高度的变化、抹制试体表面高度的变化以及试体凝结过程中表面凸凹化都是不可避免的，但这会对凝结时间的判断造成很大误差。因此为了更为准确测定凝结时间，在国家标准GB/T 1346-2001中，对于终凝的测定时，要求先将试模翻面(为了使测试面平整)，然后改用专用试针进行终凝测试。此标准的改动是在手动操作基础上，将使手动测试时更为准确直观。但是对于自动化测试，将大大增加测试仪器的机构，结构变得复杂，降低了可靠性、同时自动测试完成后，还需要操作人员人工进行分析和计算，对操作人员有一定技术要求。

怎样才能使机构简化，测定又准确呢？这里首先要解决两个难题：1、水泥净浆由于抹制不平以及在凝结过程中收缩产生的凹凸对测试的影响；2、试针沉入水泥净浆深度的准确测定，特别是达到终凝判定值0.5mm的准确测定。在此，我们采用分辨率高的无接触式位移传感器——容栅位移传感器，用它来准确的测定试针每一次下落，即沉入水泥静浆的深度。为了使水泥静浆表面的不平和凹凸不影响试针真实的沉入深度，将试模通以弱电，而装有水泥静浆的试模(与测试仪机体绝缘)则与芯片连接(如图7，10为试针，28为水泥净浆，c为串联电阻，d为单片机的比较信号输入端)，当试针下落并碰到水泥静浆表面时，这时芯片将接收到一个电信号，并自动记录该位置的数值，该值即为初值，当试针沉入水泥静浆并不再下沉时，记录下此刻的数值，即为终值。用终值减去初值得到的就是试针真实的沉入深度。

本发明采用的容栅位移传感器分辨率为0.01mm，因此每一次测定的值都足够准确。但是又如何保证试针精确得停止在净浆表面呢？本发明又采用了控制步进电机的运转精度，即步进电机的细分技术和凸轮的特殊结构来实现试针位置的准确度。在该凸轮机构(图9)中，凸轮由步进电机驱动，绕O点呈逆时针旋转。凸轮具有一段半径均匀减小的圆弧，当这一段圆弧与滑块接触时，试针以一个稳定的速度向下移动；在此过程中，试针接触水泥表面，产生的电信号使步进电机停止转动，并通过自身的保持转矩使试针停留水泥表面。所以采用了一个两相混合式步进电机，当步进驱动器接受到一个脉冲信号，步进电机旋转1.8°，而圆弧CD对应的凸轮转角是45°，因此可以计算出步进电机移动一步，试针往下移动的距离是：

$H=\frac{1.8}{45}\×4\mathrm{mm}=0.16\mathrm{mm}$

该公式说明，当试针接触到水泥净浆，不在给步进电机脉冲信号，即让步进电机定制旋转，但试针已沉入水泥净浆，这个值介于0和0.16mm之间，0.16mm虽然很小，但对于终凝状态的判定影响还是很大的。因而我们要提高步进电机的运转精度，即减小步进电机的步进角度。本研究将步进电机驱动器的细分数设置为8，当给驱动器一个脉冲，步进电机的转动角度为0.225°，而试针向下移动的距离是：

$H=\frac{0.225}{45}\×4\mathrm{mm}=0.02\mathrm{mm}$

该公式表示，即使出现试针沉入水泥净浆的情况，沉入值也只是介于0到0.02mm之间，对于凝结状态的判定没有影响。这样就解决了以往机构不能准确测定沉入深度的问题。这就是“自动找平”和“精确测距”技术。但是每一个水泥试样体凝结时间是否到达还需经试针多次试扎方能获得。本发明设计中每个试体最多试扎次数为44次，总测试时间为：

(44-1)×15min+30min＝11.25h

可以看出，测试完全满足我国国家标准对初、终凝时间的规定。根据测试标准，试扎一次就在试体表面留下一个测点，试针如果在以后的试扎中重复在此测点上则是不允许的，为此设计了测点分布方案，采用测点在试体表面上散开，各测点中心间距6mm，最外层距试模内壁10mm，无一重合，符合国家标准要求。把测点分布方案编成软件程序控制两个步进电机带动圆盘回转和移动来实现，测试完毕后，测试点呈同心圆状分布。除此以外，试针每试扎后，表面必然沾着一些水泥浆，下次试扎前应将试针擦净，否则同样影响测试的准确性。本发明的自动测试仪模仿人工操作，设置有可自动擦针的擦针机构，它应用一步进电机控制擦针装置，在试针返回提升时，轻轻夹住试针，擦掉试针上边的水泥。

为了达到国家的有关标准，即要求水泥在每次测试后必须放在一个具有一定温度和湿度要求的养护箱中。而从全自动维卡仪的特点可以看出，要实现测试中的水泥处在保养中，依靠传统的方法是不可行的，所以本发明采用喷雾加湿器和温度控制芯片技术配备了一个局部保温保湿箱，实现测试环境符合测试标准。

附图说明

图1为现有技术中的手动式维卡仪外观结构图；

图2为本发明的结构主视图；

图3为本发明的侧面结构示意图；

图4为试针及其升降和位移传感机构的结构示意图；

图5a和图5b分别为转盘及其移位机构仰视图和主剖视图；

图6为擦针机构结构俯视图；

图7为本发明采用自动找平技术测量的原理图；

图8为自动控制系统方框图；

图9a和图9b分别为试针升降机构实施例中异形凸轮安装和其结构示意图；

图10本发明转盘及其移位机构实施例1的结构示意图；

图11本发明转盘及其移位机构实施例2的结构示意图；

图12本发明转盘及其移位机构实施例3的结构示意图。

参见附图：1-机座，2-滑块，3-松紧螺钉，4-指针，5-标尺；6-机身，7-机头，8-异形凸轮，9-位移传感器，10-试针，11-擦针机构，12-转盘，13-转盘支撑板，14-步进电机I，15-步进电机II，16为步进电机III，17为步进电机IV；18-保温保湿箱，19-温度控制芯片，20-局部喷雾加湿器，21-温、湿度控制面板；22-微动开关，23-回位拉力弹簧，24-片簧；25-导电块，26-绝缘塑料套，27-顶块，28-试模，29-玻璃板，30-钢板，31-尼龙绳，32-传动轮，33-橡胶带；34-支撑板，35-小轴承，36-轴承，37-连接块，38-低位调节器，39-动栅板安置块，40-套筒；41-大盘，42-水泥净浆；43-旋转立柱；44-横向移动步进电机，45-横向导轨，46-横向角位移传感器，47-纵向角位移传感器，48-纵向移动步进电机，49-纵向丝杆，50-纵向导轨，51-横向丝杆。

具体实施例

参见附图2、3、5，图中的装置包括机座1、机身6、机头7、转盘12及其移位机构、电源、擦针机构11、保温保湿箱18、控制系统C、显示与打字系统，其中转盘移位机构设置在机座上，其转盘位于保温保湿箱内，试针始终位于转盘的上方，擦针机构的擦针臂位于试针行程的两侧；其特征是：在机头中安装试针10及其升降位移传感装置，其中试针接地；在转盘上具有电连接采样端，分别通过串联电阻与给定电压端及控制系统的信号输入端相连接，该采样端在金属试模28、水泥净浆42及试针电导通时采集信号。

所述电连接采样端为金属顶块27及其支撑的导电块25，所述转盘12的表面具有绝缘板，使转盘12与试模28之间绝缘，在附图给出的实施例中，采用玻璃板29；转盘移位机构设置在机座中，包括转盘支撑板13，两台步进电机17、16，转盘移位包括由所述步进电机驱动的水平转动和移动，其中步进电机17通过其输出轴传动轮32、橡胶带33与转盘连接实现水平转动；步进电机16通过与转盘支撑板连接的尼龙绳31实现转盘的单向移动，为了能够在复位的时候使转盘回到初始位置，在转盘和转盘支撑板之间安置了一对回位拉力弹簧23，而且为了让玻璃板29的导电块25与顶块27充分接触以接收电信号，在转盘支撑板的下部安置了一个片簧24，整个转盘的极限位置就由微动开关22控制。

参见图3、4，试针及其升降和位移传感机构中试针10安装在滑块2的下端，滑块2由步进电机16通过异形凸轮8驱动实现试针的升降，步进电机14安装在支撑板34上；在滑块及其一侧的动栅板安置块39上分别安装有位移传感器9，所述动栅板安置块39固定在连接块37上，连接块37上安装有四个轴承36，滑块在四个轴承36组成的导轨中升降，连接块37与支撑板之间安装套筒40以决定两者之间的距离。

滑块2通过安装在动栅板安置块39上的低位调节器38和安装在连接块37上的微动开关控制上下移动距离。滑块上下移动的动力来自独立的步进电机1，由它控制异型凸轮的旋转，而滑块的移动规律由异型凸轮的形状实现。在这个机构中，容栅传感器的动栅板安装在动栅板安置块39上，定栅板安装在滑块上，动静栅板之间的相对运动的距离就是滑块下落的距离。

参见附图6，本发明的擦针机构11为四连杆机构，包括一对擦针前臂，一对后臂，其中，两前臂在中间铰接，其后端与后臂的前端铰接，后臂的后端铰接并由步进电机驱动实现四连杆机构的拉伸和收缩，从而完成其擦针前臂的闭合(擦针)和张开(松开)。

附图7给出了本发明所依据的自动找平技术测量的工作原理，即当试针10下落并碰到水泥静浆28表面时，这时芯片d将接收到一个电信号，并自动记录该位置的数值，该值即为初值，当试针沉入水泥静浆并不再下沉时，记录下此刻的数值，即为终值。用终值减去初值得到的就是试针真实的沉入深度。但是由于水泥净浆的电阻在不断的发生变化，如何选取产生电信号的比较电压V2和串联电阻c这两个参数的大小呢？

事实上，只要满足水泥在终凝状态下，能产生电信号，这之前的每一次测试都能产生电信号。因此，串联电阻和给定电压V2的大小可根据水泥终凝时的电阻来确定。但是，由于水泥在终凝状态下，电阻很大，很难准确测定，而且不同型号的水泥在终凝状态的电阻也不尽相同，因此只能通过实验来确定串联电阻和给定电压V2的大小。为了保证信号产生的稳定性，总的原则是串联电阻设定得大一些，给定电压V2小一点(如果设定较大，则会因为电源电压的波动造成误判)。最终，所确定的串联电阻为0.5-1.5MΩ，比较电压V2为0.5-1.5v。

参见图8：图中A为控制面板，B为显示电路，C为C8051F020控制器，D为分辨率为0.01mm的容栅位移传感器，E为电路电源，F为4个带有驱动的步进电机14～17，G为试针及其升降位移传感装置，H为擦针机构，I为转盘移位机构。参见图9(A)、(B)：在该异形凸轮机构中，凸轮由步进电机驱动，绕O点呈逆时针旋转。从图中可以看出，OC的长度是55mm，OD的长度是51mm，CD是一段半径均匀减小的圆弧，因此当这一段圆弧与滑块接触时，试针以一个稳定的速度向下移动；在此过程中，试针接触水泥表面，产生的电信号使步进电机停止转动，并通过自身的保持转矩使试针停留水泥表面。

由于水泥凝结时间的测定具有时间长的特点，而单台全自动维卡仪在很长的时间内只能进行一个水泥试样的测试，这对于检测站、大型水泥厂等用户来说，它们一天要进行很多水泥试样的测试，一台全自动维卡仪是远远不够的。所以，针对这部分用户的实际需要，在上述单测量点的维卡仪的基础上，还可以派生出以下三个实施例：

参见附图10，在该转盘及其移位机构实施例中，若干转盘12圆周均匀排列在旋转的大盘41上，旋转的大盘水平旋转，而每个转盘12自转并向心移动，机头上的试针在旋转的大盘过程中始终位于某个转盘12的上方。所以安装试针的机头的位置是相对不动的。通过大盘绕中心的公转和配合转盘12适时的自转及向心移动实现测试；所有旋转的角度和方向由专用软件程序控制，机械运动由步进电机驱动。

参见附图11，在本发明转盘及其移位机构实施例中，所述转盘及其移位机构包括若干转盘12圆周排列在固定的大盘41上，机头7绕中心转动，通过机头带动试针10旋转，通过转盘12的自转和向心移动实现测试；机头和转盘的运动顺序、旋转角度和方向均由专用软件程序控制，机械运动由步进电机驱动。

参见附图12，参见附图11，在本发明转盘及其移位机构实施例中，机头7安装在横向丝杆51，由横向移动步进电机44带动沿横向丝杆51移动；所述横向丝杆51的两端的立柱分别安装在纵向导轨50中，在纵向移动步进电机48的带动下，机头又可以沿纵向导轨纵向移动。为了保证机头走位的准确，在横向丝杆和纵向导轨的另一端分别安装角度位移传感器46、47；在机头位移下方的大盘41上纵横整齐排列若干固定的转盘12。

上述转盘转动机构均可以位于保温保湿箱内，实现测试环境符合测试标准。

上述装置能够同时进行多组水泥试样的测试，全部机械运动通过专用软件程序控制，步进电机驱动；与此同时，将装置与PC机相连，能实现多种功能。比如能储存更多数据、能自动生成各水泥试样的凝结曲线图、能自动生成试验文件并可打印等。

Claims (8)

1.一种全自动维卡仪，包括机座(1)、机身(6)、机头(7)、转盘(12)、及转盘移位机构、电源、擦针机构(11)、保温保湿箱(18)、控制系统(C)、显示与打字系统，其中转盘移位机构设置在机座上，转盘位于保温保湿箱内，试针(10)始终位于转盘(12)的上方，擦针机构(11)的擦针臂位于试针(10)行程的两侧；其特征是：在机头中安装试针(10)及试针(10)的升降和试针(10)的位移传感机构，其中试针(10)接地，所述试针(10)安装在滑块(2)的下端，滑块由第一步进电机(14)通过异形凸轮(8)驱动实现试针(10)的升降；在滑块及其一侧的动栅板安装块(39)上安装有一对容栅位移传感器；在转盘(12)上具有电连接采样端，分别与控制系统的信号电压输入端和给定电压输入端(V2)相连，其中，所述电连接采样端通过0.5-1.5MΩ的串联电阻与电压为0.5-1.5v的所述给定电压输入端(V2)相连；所述电连接采样端在位于转盘(12)上的金属试模、水泥净浆及试针(10)电导通时获得信号。

2.根据权利要求1所述的全自动维卡仪，其特征是：所述第一步进电机(14)安装在支撑板(34)上；所述动栅板安置块(39)固定在连接块(37)上，连接块(37)上安装有四个轴承(36)，滑块在四个轴承(36)组成的导轨中升降；在连接块(37)与支撑板之间安装套筒(40)。

3.根据权利要求1所述的全自动维卡仪，其特征是：所述电连接采样端为金属顶块(27)及其支撑的导电块(25)，所述转盘(12)的表面具有绝缘板(29)，使转盘(12)与试模(28)之间绝缘。

4.根据权利要求1所述的全自动维卡仪，其特征是：所述擦针机构(11)为四连杆机构，包括一对擦针前臂，一对后臂，其中，两前臂在中间铰接，其后端与后臂的前端铰接，后臂的后端铰接并由第二步进电机驱动实现四连杆机构的拉伸和收缩，从而控制擦针前臂的闭合和张开。

5.根据权利要求1所述的全自动维卡仪，其特征是：转盘移位机构设置在机座中，包括转盘支撑板(13)，第三步进电机(16)和第四步进电机(17)，转盘移位包括由第三步进电机(16)和第四步进电机(17)驱动的水平转动和移动，其中第四步进电机(17)通过其输出轴传动轮(32)、橡胶带(33)与转盘连接实现转盘水平转动；第三步进电机(16)通过与转盘支撑板连接的尼龙绳(31)实现转盘的单向移动，在转盘和转盘支撑板之间安置了一对回位拉力弹簧(23)；在转盘支撑板的下部安置了一个片簧(24)。

6.根据权利要求1所述的全自动维卡仪，其特征是：所述转盘及转盘移位机构包括若干转盘(12)圆周均匀排列在旋转的大盘(41)上，大盘水平旋转，而每个转盘(12)自转并向心移动，机头(7)上的试针(10)在大盘旋转过程中始终位于某个转盘(12)的上方，通过大盘绕中心的公转和配合转盘(12)适时的自转及向心移动实现测试。

7.根据权利要求1所述的全自动维卡仪，其特征是：所述转盘及转盘移位机构包括若干转盘(12)圆周排列在固定的大盘(41)上，机头(7)绕中心转动，通过机头带动试针(10)旋转，通过转盘(12)的自转和向心移动实现测试。

8.根据权利要求1所述的全自动维卡仪，其特征是：机头(7)安装在横向丝杆(51)上，由横向移动步进电机(44)带动沿横向丝杆(51)移动；所述横向丝杆(51)的两端的立柱分别安装在纵向导轨(50)中，在纵向移动步进电机(48)的带动下，机头又可以沿纵向导轨纵向移动；在横向丝杆的一端安装横向角位移传感器(46)，在横向角位移传感器(46)这一侧的纵向导轨的远离该横向角位移传感器(46)的一端安装纵向角度位移传感器(47)；在机头位移下方的大盘(41)上纵横整齐排列若干固定的转盘(12)。

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