本發(fā)明屬于粉體定量加料技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種螺旋加料過程中粉體堆積密度在線檢測傳感器及檢測方法，可應(yīng)用于螺旋定量加料機(jī)粉體堆積密度的檢測。

背景技術(shù)：

在食品、化工、粉末冶金、陶瓷、建材、化肥農(nóng)藥，化工原料及半成品、以及農(nóng)副產(chǎn)品等行業(yè)，需要大量對粉體進(jìn)行不連續(xù)定量配料或者包裝生產(chǎn)。粉體顆粒易吸濕粘結(jié)、吸附和飛濺，物料損耗大，且嚴(yán)重污染工作環(huán)境，容易引起操作工人中毒、塵肺等職業(yè)病。由于螺旋加料機(jī)具有密封性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉、加料量控制方便、便于實現(xiàn)自動化管理等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于粉體的定量配料或者包裝生產(chǎn)。但在螺旋不連續(xù)加料過程中，粉體被壓縮的緊密程度不一樣，這使得粉體的堆積密度發(fā)生改變，從而使得螺旋定量加料的準(zhǔn)確度難以得到保證。因此，及時掌握螺旋輸送管內(nèi)粉體堆積密度是研究解決快速、準(zhǔn)確螺旋定量加料難題的關(guān)鍵之一。

目前，國內(nèi)外針對粉體堆積密度的在線檢測研究較少。在國外，2011年新西蘭的DaviesRobert通過一種準(zhǔn)連續(xù)在線稱重法進(jìn)行了顆粒堆積密度的直接測量。該方法需要轉(zhuǎn)移一些粉體到配有測力傳感器的容器中，然后專門測量粉體堆積密度。但是這種方法局限于在輸送中能取出一部分的流動粉體的堆積密度檢測。并且它需要一個較大的測量時間，同時取出的這部分粉體堆積密度不能完全代表整個粉體的堆積密度。在國內(nèi)，對粉體堆積密度的檢測主要采用手工法對取出的樣品進(jìn)行測試來實現(xiàn)粉體堆積密度的檢測，是離線檢測方法。如2009年常東武通過把充過汞并裝有樣品的樣品管進(jìn)行壓汞測試，得到粉體的孔徑分布數(shù)據(jù)，從而得到粉體的堆積密度。但檢測的時間較長且無法實現(xiàn)在線檢測。2012年程寶軍等人在申請專利一種粉體堆積密度測試裝置及方法(申請?zhí)枺?01210274878.5)中使用機(jī)械壓力法制備干粉壓實體，然后對制備好的壓實體測量質(zhì)量和體積，從而得到堆積密度。但這種方法反復(fù)使用高強(qiáng)度的機(jī)械壓力對粉體壓制，測量范圍小，只適合對堆積密度的振實密度進(jìn)行測量，無法對從松密度到振實密度中間的堆積密度進(jìn)行測量。2015年東南大學(xué)的馬濤等人在申請專利一種粗集料堆積密度及間隙率的測定方法(申請?zhí)枺?01510011999.4)中測定容量筒的質(zhì)量，將粗集料裝入容量筒內(nèi)，按照所需測定粗集料的不同狀態(tài)進(jìn)行操作，稱取容量筒和粗集料的總質(zhì)量，之后通過向容量筒注水，稱取容量筒、粗集料和水的總質(zhì)量。從而根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)和推導(dǎo)的公式計算粗集料的堆積密度。但這種方法主要基于手工法，只適用于粗集料的檢測并且需要取出一些樣品進(jìn)行測定，不利于實現(xiàn)在線檢測。

由于在螺旋加料過程中，從輸送管指定位置取出樣品非常難，所以上述方法并不適用于在螺旋加料過程中粉體堆積密度的在線監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決螺旋加料機(jī)粉體堆積密度在線檢測難題，克服取料不方便、操作復(fù)雜、實時性不高、堆積密度測量范圍小等的不足，本發(fā)明提供一種測量簡單、實時性好、精度較高，且堆積密度測量范圍大的粉體堆積密度在線檢測傳感器及檢測方法。

本發(fā)明所述的螺旋加料過程中的粉體堆積密度在線檢測傳感器，包括電容傳感器、電容轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制單元、電源模塊；

所述電容傳感器設(shè)置在螺旋輸送管的外部、靠近出料口的位置，包括螺旋激勵電極、螺旋檢測電極、兩個邊緣電極、兩個螺旋徑向電極、屏蔽罩；螺旋激勵電極與螺旋檢測電極按相同方向旋轉(zhuǎn)、均粘貼在螺旋輸送管的外壁上、且兩者之間互不重疊；兩個邊緣電極分別粘貼在螺旋激勵電極兩側(cè)、且與螺旋激勵電極對齊；螺旋檢測電極的軸向長度大于螺旋激勵電極的軸向長度，且螺旋檢測電極的外端與所述邊緣電極的外端位于同一截面上；在螺旋激勵電極和螺旋檢測電極的兩個間隙中間分別粘貼一個螺旋徑向電極，螺旋徑向電極與螺旋激勵電極具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，且兩個螺旋徑向電極兩端對齊；屏蔽罩設(shè)置在螺旋輸送管的外部、兩端與邊緣電極密封連接，并將螺旋激勵電極、螺旋檢測電極、螺旋徑向電極包覆在屏蔽罩與螺旋輸送管之間，螺旋徑向電極與屏蔽罩相連接；

所述電容轉(zhuǎn)換模塊與螺旋激勵電極、螺旋檢測電極相連，用于將螺旋激勵電極和螺旋檢測電極間的微小電容值轉(zhuǎn)化為電壓值；

所述單片機(jī)控制單元與電容轉(zhuǎn)換模塊相連，用于接收電容轉(zhuǎn)換模塊中的一系列電壓值，并將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，從而通過電壓電容換算處理，得到一系列電壓值，再通過粉體堆積密度與電壓值換算處理，最后得到表示粉體堆積密度的數(shù)值，進(jìn)一步地，顯示所得到的粉體堆積密度；

所述電源模塊，用于將外接電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)控制單元以及電容轉(zhuǎn)換模塊的工作電壓，為單片機(jī)控制單元、電容轉(zhuǎn)換模塊供電。

進(jìn)一步地，所述螺旋激勵電極、螺旋檢測電極、螺旋徑向電極、邊緣電極的旋轉(zhuǎn)角度為180°，螺旋激勵電極的軸向長度為一個螺距長。

進(jìn)一步地，螺旋激勵電極和螺旋檢測電極間的距離為螺旋徑向電極厚度的3倍。

進(jìn)一步地，所述螺旋激勵電極與邊緣電極的距離與螺旋激勵電極的厚度相等。

進(jìn)一步地，所述兩個邊緣電極的寬度與螺旋激勵電極的寬度相等，長度為螺旋激勵電極厚度的5倍。

進(jìn)一步地，所述兩個螺旋徑向電極的軸向長度為螺旋檢測電極的長度，厚度為輸送管內(nèi)徑的十分之一，高度為螺旋激勵電極厚度的3倍。

進(jìn)一步地，所述屏蔽罩軸向長度是螺旋檢測電極的1.2倍，厚度為輸送管內(nèi)徑的十分之二。

進(jìn)一步地，所述螺旋激勵電極、螺旋檢測電極、兩個邊緣電極、兩個螺旋徑向電極、屏蔽罩均采用銅箔制成。

進(jìn)一步地，所述粉體堆積密度在線檢測傳感器的粉體堆積密度在線檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，給所述螺旋激勵電極施加激勵電壓，測得螺旋激勵電極和螺旋檢測電極電極之間的電容值c；

第二步，電容轉(zhuǎn)換模塊(2)將電容值c轉(zhuǎn)換為電壓值U＝kc，其中，k為電壓值U與電容值c的轉(zhuǎn)換系數(shù)，由電路的阻值、電容、電感等參數(shù)決定，通過電路定理計算得到；

第三步，單片機(jī)控制單元根據(jù)電壓值U計算得到粉體堆積密度并實時將計算得到的ρ_b送于單片機(jī)的液晶顯示屏進(jìn)行顯示；

其中，ρ_p為真實密度，D₀為粉體中固體物質(zhì)體積占包括空隙在內(nèi)的整個粉體總體積的比例；ε_氣為空氣的介電常數(shù)；ε_粉為粉體的介電常數(shù)；K為特征參數(shù)，由所述傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，由COMSOL軟件依據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)通過高斯定理計算得到。

進(jìn)一步地，所述的粉體堆積密度在線檢測方法，其特征在于，還包括以下步驟：

第四步，重復(fù)第一步、第二步和第三步，對在單位時間內(nèi)得到的多次測量數(shù)據(jù)ρ_b1,ρ_b2,ρ_b3,…,ρ_bn取平均值得到ρ_{b_avg}；單片機(jī)控制單元實時將ρ_{b_avg}送于單片機(jī)的液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

本發(fā)明所述的粉體堆積密度在線檢測傳感器及檢測方法具有如下優(yōu)點：

1)螺旋激勵電極和螺旋檢測電極使檢測場發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，其檢測場的均勻性明顯高于直極板電容傳感器；

2)螺旋激勵電極和螺旋檢測電極與兩個邊緣電極的布置方式有效地避免了測量電極陣列兩側(cè)的邊緣效應(yīng)，提高了測量電極電場分布的均勻性，進(jìn)而改善了傳感器的靈敏度和精度；

3)螺旋徑向電極用于隔離螺旋激勵電極和螺旋檢測電極，提高了傳感器的檢測精度；

本發(fā)明所述的粉體堆積密度在線檢測方法克服了目前離線檢測方法取料不方便、操作復(fù)雜、堆積密度測量范圍小等不足，實現(xiàn)了螺旋加料過程中粉體堆積密度的在線檢測，實時性高，能有效提高定量生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，并且有利于對加料情況的監(jiān)控，有巨大實際應(yīng)用價值和推廣前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的螺旋加料過程中粉體堆積密度在線檢測傳感器檢測系統(tǒng)示意圖。

圖2是本發(fā)明的去螺旋輸送軸的螺旋輸送管及電容傳感器示意圖。

圖3是本發(fā)明的螺旋輸送管及電容傳感器截面示意圖。

圖4是本發(fā)明的螺旋輸送管剖面圖。

圖中，1—單片機(jī)控制單元，2—電容轉(zhuǎn)換模塊，3—電容傳感器，4—電源模塊，5—螺旋輸送管出料口，6—螺旋輸送管進(jìn)料口，7—螺旋輸送管，8—螺旋輸送軸，301—螺旋激勵電極，302—螺旋檢測電極，303—邊緣電極，304—螺旋徑向電極，305—屏蔽罩。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示，本發(fā)明所述的螺旋加料過程中的粉體堆積密度在線檢測傳感器，包括電容傳感器3、電容轉(zhuǎn)換模塊2、單片機(jī)控制單元1、電源模塊4；

如圖2、圖3所示，所述電容傳感器3包括螺旋激勵電極301、螺旋檢測電極302、兩個邊緣電極303、兩個螺旋徑向電極304、屏蔽罩305。其中，所述螺旋激勵電極301、螺旋檢測電極302、兩個邊緣電極303、兩個螺旋徑向電極304、屏蔽罩305均采用銅箔制成。螺旋激勵電極301和螺旋檢測電極302按相同方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為180°，寬度為72.5毫米。螺旋激勵電極301和螺旋檢測電極302均粘貼在螺旋輸送管7的外壁上、且兩者之間互不重疊。螺旋激勵電極301和螺旋檢測電極302間的距離為6毫米。兩個邊緣電極303分別粘貼在螺旋激勵電極301兩側(cè)、且與螺旋激勵電極301對齊，螺旋激勵電極301與邊緣電極303的距離為1毫米。螺旋激勵電極301的軸向長度為40毫米。；螺旋檢測電極302的軸向長度大于螺旋激勵電極301的軸向長度，螺旋檢測電極302的兩端與邊緣電極303的外端對齊，螺旋檢測電極302的軸向長度為52毫米。所述兩個邊緣電極303的寬度為72.5毫米，旋轉(zhuǎn)角度為180°，長度為5毫米。所述兩個螺旋徑向電極304的軸向長度為螺旋檢測電極302的長度，按相同方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為45°，且兩端對齊粘貼，厚度為2毫米，高度為6毫米，與屏蔽罩305相連接且指向圓心。所述屏蔽罩軸向長度是60毫米，厚度為4毫米；

如圖4所示，在螺旋輸送管7的一端有螺旋輸送管出料口5，另一端有螺旋輸送管進(jìn)料口7。同時，在螺旋輸送管5的內(nèi)部安裝有螺旋輸送軸8，螺距為40毫米。

所述電容轉(zhuǎn)換模塊，采用高度集成化的通用微小電容檢測芯片MS3110，將極板間的微小電容值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值，對被測電容只進(jìn)行一次充放電，即可完成對電容的測量。通用微小電容讀取芯片MS3110，它是一個基于電荷放大原理的電容測量電路，通過對MS3110內(nèi)部各寄存器的編程實現(xiàn)對電容的測量，把MS3110的CS2IN引腳連至激勵切換部分的輸出，把MS3110的CSCOM引腳連至檢測切換部分的輸出，MS3110的輸出值是直流信號。

所述單片機(jī)控制單元是整個測量系統(tǒng)的核心，采用臺灣凌陽科技有限公司生產(chǎn)的16位SPCE061A單片機(jī)作為控制核心，給電容轉(zhuǎn)換模塊提供控制信號，接收電容轉(zhuǎn)換模塊中的一系列電壓值，并將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，按照所述的粉體堆積密度檢測方法計算處理得到粉體堆積密度，并把所得到的粉體堆積密度送于顯示屏進(jìn)行實時顯示。

所述電源模塊，由穩(wěn)壓電源給單片機(jī)控制單元、電容轉(zhuǎn)換模塊提供5v的電壓，并經(jīng)過1117穩(wěn)壓芯片降壓至2.5v，最終分壓至2.25v給電容轉(zhuǎn)換模塊提供參考電壓。

本發(fā)明所述的螺旋加料過程中的粉體堆積密度檢測方法，包括以下步驟：

第一步，給螺旋激勵電極施加激勵電壓，測得螺旋激勵電極和螺旋檢測電極之間的電容值c，該電容值反映了待測位置的粉體堆積密度ρ_b。

堆積密度的計算公式為：ρ_b＝ρ_p·D₀ (1)

式(1)中，ρ_p為真實密度，D₀為粉體中固體物質(zhì)體積占包括空隙在內(nèi)的整個粉體總體積的比例。

管道內(nèi)粉體的等效介電常數(shù)ε_eff為：

ε_eff＝(1-D₀)ε_氣+D₀ε_粉 (2)

式(2)中，ε_氣為空氣的介電常數(shù)，ε_粉為粉體的介電常數(shù)。

螺旋激勵電極和螺旋檢測電極之間的電容值為：

c＝K·ε_eff (3)

式(3)中，K為特征參數(shù)，由傳感器結(jié)構(gòu)決定。

由式(1)，式(2)，式(3)可得到電容值c與粉體堆積密度ρ_b的關(guān)系為：

第二步，電容轉(zhuǎn)換模塊將電容值c轉(zhuǎn)換為電壓值U。

U＝kc (5)

其中，k為電壓值U與電容值c的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

第三步，單片機(jī)控制單元根據(jù)電壓值U計算得到粉體堆積密度ρ_b

第四步，根據(jù)實際需要，重復(fù)第一步、第二步和第三步，對每秒內(nèi)得到的60次測量數(shù)據(jù)ρ_b1,ρ_b2,ρ_b3,…,ρ_b60取平均值：

${\mathrm{\ρ}}_{b\_avg}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{b1}+{\mathrm{\ρ}}_{b2}+{\mathrm{\ρ}}_{b3}+...+{\mathrm{\ρ}}_{b60}}{60}---\left(7\right)$

第五步，單片機(jī)控制單元實時將ρ_{b_avg}送于單片機(jī)的液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。