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顆粒粒度檢測(cè)裝置
**產(chǎn)品研發(fā)背景介紹:
顆粒粒度傳統(tǒng)檢測(cè)方法如下:
1、微波法:利用微波在管內(nèi)與流體顆粒相遇時(shí)所引起鐵氧體元素的自旋效應(yīng),, 造成微波波束的衰減,,測(cè)量其衰減值分析出管道中顆粒的粒度。缺點(diǎn):安裝精度要求高,,管內(nèi)存在死區(qū),。
2、光電檢測(cè)法:用光纖探頭把光束引入測(cè)量區(qū),,測(cè)得運(yùn)動(dòng)微粒對(duì)光的感應(yīng)信號(hào),,將該信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)分析,*終得到微粒的粒度數(shù)據(jù),。缺點(diǎn):準(zhǔn)確性不高,,維護(hù)成本昂貴。
3,、溫度法:在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上,,根據(jù)流場(chǎng)多相混和后混和物的溫度與顆粒質(zhì)量濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)求得相應(yīng)的顆粒濃度。缺點(diǎn):不精確,,是建立在假設(shè)的基礎(chǔ),。
4、摩擦電法:運(yùn)動(dòng)的顆粒與插入流場(chǎng)的金屬電極之間摩擦產(chǎn)生等量符號(hào)相反的靜電荷,,通過(guò)測(cè)量金屬電極對(duì)地的靜電流可以得到顆粒濃度,。缺點(diǎn):對(duì)人身的危害和環(huán)境的污染也比較嚴(yán)重。
5,、能量法:流場(chǎng)混和物的總能量體現(xiàn)于混和物的流動(dòng)動(dòng)能和靜壓力之和,。缺點(diǎn):流場(chǎng)混和過(guò)程中的散熱損失和壓縮性被忽略。
傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足:非接觸式:技術(shù)復(fù)雜,、操作性不好,、設(shè)備精密、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力不強(qiáng),、有時(shí)對(duì)人體還有危害,。接觸式:不能完全滿足氣固兩相流的測(cè)量要求傳統(tǒng)檢測(cè)的局限和不足
第二本裝置簡(jiǎn)介:
1.產(chǎn)品使用原理
該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行主要是應(yīng)用光脈動(dòng)法的原理進(jìn)行計(jì)算,利用函數(shù)表現(xiàn),顆粒通過(guò)光源與接收元件之間引起接收器接收的光強(qiáng)發(fā)生變化,,引起相應(yīng)輸出的電壓變化,,直觀的體現(xiàn)了光源與接收器間的顆粒濃度狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)原理圖光束通過(guò)測(cè)量粒子,,光照強(qiáng)度衰減如圖(I0-入射光強(qiáng)度,、I-通過(guò)光路透射光強(qiáng)度)
2.核心材料——光源
光源是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分,通過(guò)測(cè)試多款光源,,我們發(fā)現(xiàn)激光具有集中度高,、方向性好、亮度高,、單色性好、相干性好等優(yōu)點(diǎn),,是*為理想的光源選擇,。在本產(chǎn)品中利用激光的強(qiáng)穿透性來(lái)分析管道內(nèi)顆粒的流動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比我們選擇半導(dǎo)激光器作為系統(tǒng)光源,。半導(dǎo)激光器具有波長(zhǎng)范圍寬,、效率高、體積較小,、重量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用,。
半導(dǎo)體參數(shù)表
波長(zhǎng):650NM | 功率:5WM |
外形尺寸:直徑8mm,長(zhǎng)度21mm | 光路直徑:3mm |
光斑:點(diǎn)狀 | 輸出波段:可見光 |
工作電壓:2.8-5V | 工作電流:≤70mA |
光學(xué)透鏡:亞克力鏡片 | 工作壽命:8000小時(shí)以上 |
結(jié)構(gòu)特點(diǎn):高品質(zhì)激光二極管+金屬外殼+優(yōu)質(zhì)透鏡+恒定功率電路板+導(dǎo)線 |
半導(dǎo)體激光發(fā)射器
光電接受原件
考慮到激光發(fā)射器的激光是650nm的波長(zhǎng),,選擇光電接收元件時(shí)必須包含此波段,,所以光接收元件可以選用硅光二極管,。光電二極管的設(shè)計(jì)中,,PN結(jié)的面積也十分重要,本實(shí)驗(yàn)需要選擇面積較大的PN結(jié),,這樣有利于接收入射光,。
光電二極管結(jié)構(gòu)圖半導(dǎo)體參數(shù)表
Item | Symbol | Conditions | Min | Typ | Max | Unit |
Open circuitvoltage | VOC | EV=100Lx 2856K | 0.3 | V | ||
Short circuitcurrent | ISC | 8 | μA | |||
Dark current | Id | VR=-1V | 1 | nA | ||
TerminalCapacitance | Ct | V=0V,f=10KHz | 100 | pF | ||
Spectralsensitivity | λ | 550 | 750 | nm | ||
Peakwavelength | λp | 650 | nm |
放大電路
由于我們所采用的硅光電二極管輸出的信號(hào)是NA級(jí)的電流信號(hào),,不方便采集,,因此我們需要對(duì)它進(jìn)行放大處理使其方便我們進(jìn)行測(cè)量和采集,并對(duì)其進(jìn)行降噪處理以降低其他因素造成的干擾光電傳感器在應(yīng)用時(shí)必須配備合適的電路,,通過(guò)Multism設(shè)計(jì)并模擬電路運(yùn)行,,成功將難以測(cè)量的NA級(jí)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方便測(cè)量的V級(jí)電壓信號(hào),并附帶降噪功能以減少干擾,。
放大電路電路實(shí)物圖
對(duì)數(shù)電路
光脈動(dòng)的公式I/I0=exp(-π/2LND2)可以通過(guò)變形發(fā)現(xiàn)濃度N與接收光強(qiáng)I為對(duì)數(shù)關(guān)系,。成功設(shè)計(jì)出一個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖不使用對(duì)數(shù)電路信號(hào)使用對(duì)數(shù)電路信號(hào)
實(shí)物
產(chǎn)品分為桌面式儀器和便攜式儀器兩類,。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)漏斗形成的顆粒流場(chǎng),,使用振動(dòng)給料機(jī)輸送,,形成顆粒“瀑布”流場(chǎng),產(chǎn)品在流場(chǎng)發(fā)生區(qū)采用雙路激光測(cè)量,,通過(guò)對(duì)數(shù)電路返回電流或電壓信號(hào),,通過(guò)單片機(jī)輸出。
裝置工作圖裝置實(shí)物圖
第二類為便攜式,,基于現(xiàn)有基礎(chǔ),,進(jìn)一步縮小了其尺寸,即設(shè)計(jì)為一個(gè)便攜式裝置,,用于測(cè)量時(shí)可直接打開開關(guān)將其置于流場(chǎng)處,,即可得到數(shù)據(jù)。
1-便攜式顆粒粒度檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖2-便攜式顆粒粒度檢測(cè)儀零件示意圖3-便攜式裝置實(shí)物圖
第三裝置特點(diǎn):
1,、流場(chǎng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)均勻,,能使物料連續(xù)流動(dòng);振動(dòng)頻率穩(wěn)定,,物料振散均勻
2,、激光傳感器集中度高、亮度高,、方向性好,、并且是單色光。效率高,、體積較小,、重量輕、波長(zhǎng)范圍寬
3,、電路選用低溫漂型放大器,;降噪功能以減少干擾;低復(fù)雜度提高穩(wěn)定性
4,、顯示和采集單片機(jī):體積小可模塊化應(yīng)用,;集成度高 ;低能耗顯示器:體積小可顯示文字圖像,;引腳對(duì)應(yīng)單片機(jī)引腳
第四產(chǎn)品性能檢測(cè)(以0.55mm石英砂為例)
1.濃度
首先在采樣頻率1000Hz的條件下測(cè)得0.15,、0.20、0.25,、1nm粒徑情況下電壓信號(hào),,并根據(jù)電壓和電流的正比例方程U=0.505I ,以及電流和光強(qiáng)的方程關(guān)系 I=1.01171i-1.6929作出圖一(各粒徑接收光強(qiáng)的變化)
粒徑(mm) | I(cd) | Irms(cd) | I'0(cd) | Error% |
無(wú)顆粒 | 11.11709257 | 0 | 11.11709257 | 0 |
0.15 | 11.08045073 | 6.94 | 11.11 | 0.063 |
0.2 | 11.0756422 | 8.01 | 11.123 | 0.63 |
0.25 | 11.07159449 | 8.95 | 11.062 | 0.49 |
1 | 11.1046324 | 17.963 | / | / |
粒徑 (mm) | I(cd) | I0(cd) | 單位測(cè)量體積顆粒數(shù) | L(cm) | V(顆粒所占體積) | 實(shí)驗(yàn)濃度(/mm^3/s) | 質(zhì)量流量 (g/mm) | 計(jì)算濃度 (/mm^3/s) |
0 | 11.11709257 | 11.11709257 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0.15 | 11.08045073 | 11.117 | 6614130 | 5 | 25477.7 | 1685128.199 | 0.004231 | 1640931.145 |
0.2 | 11.0756422 | 11.117 | 6975880 | 5 | 10748.4 | 749795.4859 | 0.004078 | 667252.733 |
0.25 | 11.07159449 | 11.117 | 6365260 | 5 | 5503.2 | 350292.9883 | 0.003929 | 329107.4457 |
通過(guò)縱向?qū)Ρ?,不同粒徑的顆粒所得到的濃度大不相同,。橫向?qū)Ρ龋瑢?shí)驗(yàn)濃度為本裝置實(shí)驗(yàn)所得濃度,后面的計(jì)算濃度,,則是通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)算所得出,。二者差值較小,說(shuō)明本裝置實(shí)用可靠,,可以做到測(cè)量出不同粒徑的顆粒濃度,。
2.粒徑
通過(guò)質(zhì)量流量Q=G*[(3.14*D3/6)*1.46*10-6]計(jì)算質(zhì)量流量Q,則可通過(guò)此來(lái)列方程得到顆粒粒徑D,,經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證兩道光的顆粒粒徑二者差值較小,,都為0.55。如下表:
粒徑 | N | v | 濃度G | 質(zhì)量流量Q | 濃度(/mm^3/s) |
0.55 | 2681969.2 | 943.62 | 25307.59777 | 0.003101041 | 25307.59777 |
0.55 | 2653040.8 | 944.62 | 25061.154 | 0.003185814 | 25061.154 |
平均粒徑為0.55mm的石英砂的粒徑
由圖可以看出,,用于檢測(cè)的石英砂大部分粒徑在0.45-0.55mm之間,。又從顆粒粒徑占比圖4.23中可以看出,所有顆粒粒徑都在0.3-1.2mm的范圍內(nèi),,80%的顆粒粒徑在0.3-0.6mm,,其中大部分在0.5mm左右??梢钥闯霰狙b置可以正確測(cè)量得到顆粒粒徑信息。
石英砂的粒徑堆積圖顆粒粒徑占比圖
由粒徑堆積圖可以看出,,用于檢測(cè)的石英砂大部分粒徑在0.45-0.55mm之間,。又從顆粒粒徑占比圖4.23中可以看出,所有顆粒粒徑都在0.3-1.2mm的范圍內(nèi),,80%的顆粒粒徑在0.3-0.6mm,,其中大部分在0.5mm左右??梢钥闯霰狙b置可以正確測(cè)量得到顆粒粒徑信息,。
3.質(zhì)量流量
由上述Q=G*[(3.14*D3/6)*1.46*10-6]可得到流量曲線:
粒徑 | N | v | 濃度G | 流量Q (mm^3/s) | 濃度(g/mm^3) | |
0.55 | 石英砂 | 2681969.2 | 943.62 | 25307.59777 | 0.003101041 | 25307.59777 |
0.55 | 2653040.8 | 944.62 | 25061.154 | 0.003185814 | 25061.154 | |
0.3 | 鹽 | 5445005.3 | 3184.7 | 173407.0838 | 0.00378286 | 173407.0838 |
0.3 | 5439232.1 | 3185.7 | 173277.617 | 0.003574683 | 173277.617 | |
1.1 | 小米 | 10396287.3 | 64.6 | 6716.001596 | 0.001876493 | 6716.001596 |
1.1 | 4822339.23 | 64.6 | 3115.231143 | 0.003168105 | 3115.231143 | |
1.25 | 玉米粒 | 9792486 | 44.02 | 4310.652337 | 0.001604593 | 4310.652337 |
1.25 | 4643585 | 44.02 | 2044.106117 | 0.003050456 | 2044.106117 |
粒徑為0.55mm的石英砂所得到流量曲線顆粒特性信息表
由上述分析可知,通過(guò)消光法可以同時(shí)測(cè)得顆粒的濃度,、粒徑,、質(zhì)量流量。同理可得其他顆粒的特性信息
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