專利名稱：分析棉花之類的材料的含水量的系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及分析非均勻可流動(dòng)材料(例如棉花)在加工時(shí)的含水量。
背景技術(shù)：
軋花的目的在于為棉紡廠生產(chǎn)一種高質(zhì)量產(chǎn)品為軋花機(jī)贏利。由軋花機(jī)生產(chǎn)的皮棉質(zhì)量取決于原始籽棉的質(zhì)量和在軋花廠進(jìn)行清花與干燥的型式與程度。清花機(jī)的效率和清花與軋花期間給棉花纖維造成的損傷都受到加工過程中纖維含水量的嚴(yán)重影響(Mangialardi andGriffin；1977；Restoring Moisture to Cotton at Midsouth Gins；USDATechnical Bulletion No 1553(即Mangialardi和Griffin；1977；“在中南部軋花機(jī)上恢復(fù)水分”；美國農(nóng)業(yè)部技術(shù)通報(bào)，1553號(hào)))。Griffin(1977；Cotton Ginners手冊(cè)，USDA手冊(cè)NO.503，pp.13-17(即1977；軋花機(jī)工人手冊(cè)，美國農(nóng)業(yè)部手冊(cè)，503號(hào)，13-17頁))報(bào)道，為了保持最佳的纖維質(zhì)量，皮棉的含水量應(yīng)在百分之6.5至8的范圍內(nèi)。為了將皮棉水分保持在該范圍內(nèi)，干燥設(shè)備需根據(jù)周圍空氣和原始皮棉含水量的變化進(jìn)行調(diào)整。在沒有測(cè)量干燥皮棉含水量時(shí)，干燥系統(tǒng)不能進(jìn)行正確的調(diào)整。
目前，美國年產(chǎn)棉花約一千四百萬包；這些棉花用1600臺(tái)本國產(chǎn)軋花機(jī)進(jìn)行加工。在軋花加工過程中精確地測(cè)定含水量將使每包棉花節(jié)省燃料費(fèi)用0.50美元，同時(shí)由于降低因過量地減少水分而引起的纖維損傷可使每包棉花升值約10美元。
在商用電阻濕度計(jì)中，所有電極陣列是串聯(lián)，并聯(lián)或串并聯(lián)組合聯(lián)接的。每個(gè)單獨(dú)的電極陣列測(cè)量的電阻是比較高的。如果串聯(lián)在一起進(jìn)行這些測(cè)量，電路的總電阻很快變得如此之大，以致電阻不能用現(xiàn)行適用的技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。如果使用要求具有統(tǒng)計(jì)意義的樣品所需電極陣列數(shù)目，那么就不可能以串聯(lián)方式足夠準(zhǔn)確地測(cè)量累積的電阻來求出可靠的溫度讀數(shù)。
如果電阻并聯(lián)，總電阻是所有被測(cè)電阻的一個(gè)非線性表示?？傠娮璞葐为?dú)的電阻小，因而可以準(zhǔn)確地測(cè)量，然而，各個(gè)樣品電阻的非線性組合不成比例地強(qiáng)調(diào)了較小的電阻并使代表性電阻有偏差。
此外，電阻和含水量間的關(guān)系是非線性的。當(dāng)電阻用線性化方程或線性化電子設(shè)備變成含水量時(shí)，在標(biāo)定期間求平均值時(shí)對(duì)較小的電阻會(huì)給予較多的權(quán)值，和并聯(lián)電阻組合的做法一樣，會(huì)使其關(guān)系朝同一方向傾斜，從而使問題加劇。在應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)量和分析中，樣品中自然存在的濕度變化就是這樣處理的，致使結(jié)果被歪曲，導(dǎo)致精度下降。此外，商用傳感器并不對(duì)由傳感器溫度或固體溫度變化所引起的電阻的大量差異進(jìn)行修正。
多年來一直用電阻來測(cè)量農(nóng)業(yè)材料的含水量，而且某些有關(guān)的出版物已經(jīng)出版。Fairchild等在美國專利2,063,840號(hào)上公開了一種以測(cè)量電阻為基礎(chǔ)的、對(duì)各種材料包括棉花的濕度試驗(yàn)裝置。使用多個(gè)在電氣上相同的電極。提供了裝置來壓緊電極周圍的試驗(yàn)材料達(dá)到這種程度，使得逐個(gè)樣品在材料和電極間建立起大而均勻的接觸區(qū)域。已經(jīng)討論過使用樣品溫度補(bǔ)償，壓力指示和確定電阻/濕度關(guān)系式。
Moore等人在美國專利3,005,154號(hào)上公開了基于電阻的濕度測(cè)試系統(tǒng)、并涉及到了基于穿過試驗(yàn)材料的多重電學(xué)通道來確定單個(gè)電阻值所提出的問題。這樣做主要是用來求出多種材料的體內(nèi)或樣品中平均含水量的近似值。
Smith在美國專利3,370,360號(hào)上公開了一種裝置，用來分析材料，包括棉花的含水量，它具有用于測(cè)量電阻的接觸電極?？蓱?yīng)用某些并聯(lián)電極以便接觸材料的大量不規(guī)則的塊狀樣品。一種脈沖發(fā)生器產(chǎn)生由電極間的電阻來控制其頻率的電脈沖。脈沖由電容器的充電和放電產(chǎn)生。
Mangialardi等(USDA，ARS Prod.Res，Report NO.128；1971(即，美國農(nóng)業(yè)部，農(nóng)業(yè)研究局，生產(chǎn)研究報(bào)告128號(hào)，1971)描述了和軋輥系統(tǒng)相連的用于連續(xù)測(cè)量棉花濕度的幾種電極構(gòu)型。已發(fā)現(xiàn)，利用大面積電極比單純由于面積的因素導(dǎo)致更大的電阻減少。他們對(duì)這一行為的解釋是，電流尋求電阻最小的通道(即最濕的棉花)。電極面積越大；在測(cè)量中包括濕棉花的機(jī)遇越大。
Anthony在美國專利5,087,120號(hào)中公開了一種用于分析被輸送的固體，如棉花的選定的分組的性質(zhì)，這種分組包括顏色、含雜率、含水量和它們的組合。其中提到了一種轉(zhuǎn)臺(tái)平板形的壓力機(jī)，它可以把待測(cè)物質(zhì)對(duì)著管道內(nèi)表面進(jìn)行壓緊以形成密度均勻的棉花工作面，再用它來分析這些特性。引用了電阻器件作濕度的測(cè)量。
Anthony等人在美國專利5,125,279號(hào)中公開了另外一種與在美國專利5,087,120號(hào)中所示用途相同的系統(tǒng)，用于分析被輸送的固體，如棉花的選定分組的性質(zhì)，這種分組包括顏色、含雜率，含水量和它們的組合。其中講到的壓力機(jī)是可回縮的沖錘，它將待測(cè)的物質(zhì)頂在管道的內(nèi)表面中以形成一種密度均勻的棉花工作面，再用它來分析這些特性。
Nelson等人在美國專利5,218,309號(hào)中公開了用于無損測(cè)量單一的農(nóng)產(chǎn)品含水量的裝置，它利用一種平行板電極組件測(cè)量復(fù)數(shù)阻抗或?qū)Ъ{的至少兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)。
Byler在1992 Proceedings Beltwide Cotton Conference，PP.1389-1391(即1992 Beltwide農(nóng)業(yè)會(huì)議會(huì)議錄1389-1391頁)；及ASAEPaper NO.923032；June 1992(即，美國農(nóng)業(yè)工程師協(xié)會(huì)923032號(hào)論文；1992年6月)中描述了從電阻率測(cè)量中用于確定棉花含水量的方程式。
發(fā)明概述現(xiàn)在我們已經(jīng)開發(fā)了一種用于可流動(dòng)材料(如棉花)的基于電阻率的含水量測(cè)量的改進(jìn)系統(tǒng)。一般地說，本發(fā)明包括用于從產(chǎn)品的子樣品測(cè)量多種電阻的方法和設(shè)備，其中可排除由產(chǎn)品污染物引起的偏離讀數(shù)，這些讀數(shù)散落在預(yù)先設(shè)置的參數(shù)以外，并使用余下參數(shù)的平均值作為測(cè)量含水量的基礎(chǔ)。材料溫度可任選地測(cè)量，并對(duì)其對(duì)電阻的影響進(jìn)行補(bǔ)償。這種過程避免了對(duì)較小樣品進(jìn)行組合，但可將單獨(dú)的濕度讀數(shù)結(jié)合在一起。已發(fā)現(xiàn)電阻濕度測(cè)量的精度和被測(cè)樣品的尺寸有關(guān)，較大樣品產(chǎn)生較精確的讀數(shù)。任何較大的樣品可認(rèn)為由幾種較小的樣品以某種特定方式相互連接組成，并由樣品支架的幾何形狀確定。
本發(fā)明要求將棉花壓縮，以便向濕度測(cè)量系統(tǒng)提供一種棉花密度均勻的工作面。在皮棉或籽棉的情況下，施壓或壓緊程度是這樣的，使得停止住的棉花團(tuán)在團(tuán)的那一部分提供一個(gè)棉花密度均勻的工作面，該面對(duì)著傳感器而被壓緊，其中均勻的密度足以用獨(dú)特的傳感器陣列精確地分析棉花團(tuán)的電阻并轉(zhuǎn)換為含水量。
通常系統(tǒng)在一種斷續(xù)或循環(huán)方式下運(yùn)行，因此每次用一塊不同的但其密度基本相同的棉團(tuán)頂住所述傳感器而被壓緊。壓縮后去掉壓力，移去樣品并用另一樣品置換，或者，在一種管道內(nèi)的傳感器系統(tǒng)的情況下，允許樣品穿過管道而恢復(fù)其通道。
當(dāng)說明書和權(quán)利要求書中所用的“均勻棉花密度的工作面”一詞在涉及對(duì)著所述傳感器被壓的棉團(tuán)時(shí)，指的是對(duì)著表面被壓緊的棉團(tuán)工作面基本上充滿了棉花與雜質(zhì)而沒有空隙。換句話說，樣品被充分壓縮，因此其壓平的工作面基本上被棉花和雜質(zhì)全部占據(jù)。這就使與被壓平的工作面相鄰的傳感器能對(duì)某含水量進(jìn)行分析。
在軋花機(jī)的情況下，棉花可以向上、向下或橫向迅速地通過管道。在這些系統(tǒng)中材科的速度通常為每分鐘1000-5000英尺或更多，但包括涉及自由降落速度或靜態(tài)條件的場合。本設(shè)備可以容納到軋花機(jī)或棉紡廠中的任何輸送管、管道或箱中，或并入摘棉機(jī)，或?qū)嶒?yàn)室中。它也可用做靜態(tài)棉花分析系統(tǒng)的一部分，如有關(guān)美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)銷售局(AMS)使用的大容量儀器分類系統(tǒng)，用來測(cè)量棉花的強(qiáng)度、長度、纖維細(xì)度、均勻性、顏色和雜物。在棉花分類期間含水量的精確測(cè)量將允許美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)銷售局放松對(duì)棉花分類前的修整要求，這將會(huì)降低它們的成本并將提高棉花纖維強(qiáng)度測(cè)量的精度。
本發(fā)明的目的之一是提供一種系統(tǒng)，用于在收獲、存儲(chǔ)或加工系統(tǒng)中測(cè)量非均勻可流動(dòng)材料的含水量。
本發(fā)明的另一目的是提供一種系統(tǒng)，用于在摘收、存儲(chǔ)、軋花、分類、紡織加工或織物加工期間測(cè)量棉花的含水量。
還有另一目的是提供一種裝置，它可用于分析固體，如可流動(dòng)顆粒性物質(zhì)，包括種籽、廢物、天然和人造纖維、藥品、木制品等。
還有另一個(gè)目的是提供數(shù)據(jù)以便用于自動(dòng)或人工調(diào)整干燥和清洗的變量，從而改進(jìn)最終的產(chǎn)品。
進(jìn)而，目的之一是提供分析棉花的裝置，當(dāng)棉花在棉紡廠或軋花機(jī)中以低速或高速通過管道時(shí)，無需將棉花從管道中取出就能對(duì)其進(jìn)行分析。
還有一個(gè)進(jìn)一步的目的是提供便攜和易于適配的分析設(shè)備，用于任何軋花機(jī)的構(gòu)型或棉花分析系統(tǒng)。
更進(jìn)一步的目的是在加工棉花時(shí)連續(xù)地提供其含水量。
進(jìn)一步的目的是在紡織加工廠中測(cè)量棉花和合成纖維的混合物的濕度。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)在下述更詳細(xì)的說明中將變得顯而易見。
圖詳述

圖1是本發(fā)明的電極陣列的立視圖。
圖2是圖1中電極陣列的剖面立視圖。
圖3顯示圖5在閉合位置中的旋轉(zhuǎn)板。
圖4顯示圖5在開放位置中的旋轉(zhuǎn)板。
圖5顯示與一種旋轉(zhuǎn)板取樣裝置連接的電極陣列的側(cè)剖視圖。
圖6顯示與可伸縮沖錘取樣設(shè)備連接的電極陣列的側(cè)面剖視圖。
圖7顯示圖6的可伸縮沖錘在閉合位置的情況。
圖8顯示和電極測(cè)量元件一起使用的典型電子電路。
本發(fā)明詳述本發(fā)明可以有利地用于農(nóng)產(chǎn)品，包括棉花及其它非均勻固體的含水量測(cè)量。這種固體是這樣定義的，由于自然變化或污染物質(zhì)的非均勻夾帶，同一材料的不同樣品的電阻測(cè)量可變化1％或更多。對(duì)于像谷物(如玉米、小麥、大米、大麥等)，大豆和花生一類的豆科植物、種子、堅(jiān)果、和纖維質(zhì)產(chǎn)品如木片和棉花等可流動(dòng)農(nóng)產(chǎn)品，這種情況是常見的?？闪鲃?dòng)產(chǎn)品是這樣定義的，它們盡管是固體但具有這樣的一種顆粒性，即由于它們具有總體流動(dòng)特征，可以用連續(xù)方式收獲、運(yùn)輸和加工。由于大規(guī)模收獲的現(xiàn)代技術(shù)，在收獲到的物體中常夾帶顆粒性物質(zhì)，如土壤和不需要的作物部分(如葉、莖、種子外皮等)。本發(fā)明將對(duì)棉花加工作詳細(xì)說明，盡管它也可同樣適用于其它固體。
本發(fā)明利用多種在電學(xué)上獨(dú)立的測(cè)量電極，可任選地共用一種在電氣上公共的參考電位電極，這種測(cè)量電極用于從試驗(yàn)樣品中同時(shí)收集多種獨(dú)立的電阻率量度。電極由高導(dǎo)電材料如銅、鋁或不銹鋼等制成，并具有這樣的物理造型，在試驗(yàn)完成后它們接觸材料的表面不會(huì)夾帶試驗(yàn)材料。預(yù)計(jì)的造型包括埋入表面內(nèi)的電極，使得它們的接觸表面和該表面是連續(xù)的，或使用具有平滑彎曲材料接觸面的電極。用這種設(shè)計(jì)，測(cè)量的材料不會(huì)被電極夾帶，并在各次試驗(yàn)之間不要求人工地清理和清除。電極可以采用多種在電氣上和物理上獨(dú)立的電極對(duì)的形式。然而在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，每對(duì)電極中之一個(gè)電極在電氣上是共同的。在圖1中顯示對(duì)這種電極測(cè)量裝置的優(yōu)選實(shí)施例的平面圖，其中參考號(hào)1表示多個(gè)測(cè)量電極中之一，電極用非導(dǎo)電性墊圈3彼此絕緣隔離，并和公用參考電極2絕緣隔離。圖1的立面剖視圖示于圖2中，其中顯示一種防止測(cè)量電極1的基座和公用參考電位電極2產(chǎn)生電接觸的非導(dǎo)電性墊圈30。測(cè)量電極1和參考電位電極2間的電壓可取足以產(chǎn)生可測(cè)讀數(shù)的任意值。預(yù)計(jì)的范圍為約從3V到100V。電極陣列中的第二種設(shè)計(jì)參數(shù)是參考電極2和測(cè)量電極1之間的間隔距離。這距離應(yīng)足夠大以便提供足夠的樣品尺寸，防止腐蝕和隨后由于污染物的存在而引起淘汰過多的個(gè)別的電阻率讀數(shù)，這種污染物會(huì)橋接或阻塞電極之間的電通道；但又不能大到產(chǎn)生不可測(cè)的大電阻。在測(cè)量棉花的情況下，該距離的范圍應(yīng)在約.05英寸至約0.5英寸之間。對(duì)用于該陣列的測(cè)量電極數(shù)目沒有物理要求方面的上限，但由于位置和成本的限制，典型的電極數(shù)范圍將在大約2至100之間，優(yōu)選地在約3至20之間。對(duì)棉花來說，最好的范圍是大約5個(gè)到9個(gè)測(cè)量電極。盡管圖1和圖2表示的測(cè)量電極是圓形的，它們也可具有如線性的其它幾何形狀。陣列的尺寸不是關(guān)鍵，只需滿足位置的要求(如所需電極數(shù)和放入電極面積的物理限制)。陣列的典型平面尺寸范圍是高度約從2英寸至8英寸，寬度約從4英寸至20英寸。
材料電阻率的一致和重復(fù)的測(cè)量，要求把試驗(yàn)材料密度均勻的工作面和電極陣列相接觸。為了充分地壓縮棉花以便提供一種密度均勻的棉花工作面，在電極陣列表面上加大約1至6psi(每平方英寸磅)的壓力是適當(dāng)?shù)?。在這些實(shí)例中，棉團(tuán)工作面典型地承受約2psi的壓力；而棉團(tuán)通常被壓縮到約0.5英寸厚。
壓縮樣品的特定裝置不是關(guān)鍵。如Anthony在美國專利5,087,120號(hào)和Anthony等人在美國專利5,125,279號(hào)中講述的，電極陣列可用于和已知的捕捉和壓縮已知樣品的裝置連接；這些專利的教導(dǎo)都在此收入作參考。這些專利是針對(duì)在棉花加工廠的材料流程中操作的設(shè)備的，目的在于供應(yīng)能提供頂著測(cè)量表面的密度均勻的棉花工作面，用于分析包括含水量在內(nèi)的特性，可用其它的包括人工的手段來完成樣品壓縮。
本發(fā)明的一種實(shí)施方案示于圖5，其中參考號(hào)4指的是在一種軋花系統(tǒng)中典型的矩形輸送管，其中的棉花向上運(yùn)動(dòng)趨向例如飛花清潔器。通常棉花以大約每分鐘1000至5000英尺的速度快速移動(dòng)，對(duì)皮棉來說典型的速度為大約每分鐘1500英尺，而對(duì)籽棉來說大約每分鐘4500英尺。
參考號(hào)5和6指的是輸送管4的前、后壁。在那里彼此間的距離或管道深度在皮棉輸送管的情況下典型地約為4-8英寸；而全尺寸的典型寬度約為48-96英寸。對(duì)籽棉，通常使用圓管，其直徑約12-24英寸。
在壁5上具有凹槽7。在凹槽背面那里具有電極陣列9的表面8。位于凹槽中的是由旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置部件11驅(qū)動(dòng)的可轉(zhuǎn)動(dòng)軸10。板或隔板12與軸10牢固地連接或連成一體，在圖5中它定位在其固體捕捉或停止方式中，即隔板橫向插在輸送管中。圖3和4分別顯示板12的壓緊和回縮位置方式。在后面這些位置中，板12全部定位在凹槽7中，從而不致在壓緊與回縮期間阻礙棉花通過輸送管。從圖3和4均可看出，在捕獲和壓縮階段，像棉花這種大量可流動(dòng)固體，可以傍路通過板12而不停地通過輸送管。和全部通過輸送管4的棉花相比，通常只有一小部分棉花被阻擋、移位和頂著電極陣列9被擠壓。在許多實(shí)例中，90％以上的棉花不經(jīng)分析就通過輸送管。
板12的典型尺寸是高約6英寸，寬約10英寸，與管道寬度無關(guān)。對(duì)這種板的尺寸，軸10的典型直徑至少是1英寸，并將延伸至管的全部寬度。對(duì)于寬度為60英寸的輸送管，直徑為11/2英寸的軸是適用的。為確保壓縮的棉花全部覆蓋電極陣列9，陣列應(yīng)比板稍小，以便使板超復(fù)陣列邊界約1英寸。板可為實(shí)心或穿孔的，可使用任何適當(dāng)材料，包括金屬如不銹鋼或鋁制成。
一般地說，液壓裝置、氣動(dòng)裝置或電動(dòng)機(jī)可用于動(dòng)作旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置組件11，氣動(dòng)裝置是優(yōu)選的。在多數(shù)實(shí)例中，約1至6psi的壓力足以壓縮棉花從而在電極陣列9處提供一種密度均勻的棉花工作面。在這種壓力下，棉團(tuán)工作面將承受約2psi的典型壓力；而通常棉團(tuán)將被壓縮至約0.5英寸厚。
常規(guī)的能在最大250psi壓力下操作的重載旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置空氣汽缸適于完成這種壓縮。適當(dāng)?shù)臍鈩?dòng)硬件，包括氣控閥門、螺線管以及氣源和有關(guān)設(shè)備對(duì)那些熟練人員來說是顯而易見的。
至于旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置組件11的細(xì)節(jié)，可包括常規(guī)品種的硬件。典型的作法是，傳動(dòng)裝置將液壓汽缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成高扭矩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣壓加到一組與齒條有內(nèi)部連接的汽缸上，使齒條前后移動(dòng)。齒條和一個(gè)齒輪嚙合，它又依次使齒輪輸出軸組件按預(yù)定的旋轉(zhuǎn)增量轉(zhuǎn)動(dòng)，目前的情況是轉(zhuǎn)動(dòng)180°。以整體的流動(dòng)控制來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。在應(yīng)用11/2英寸的中孔軸時(shí)大約60-80psi的入口氣壓相應(yīng)地提供84-112磅的輸出轉(zhuǎn)矩。Dayton“Speedaire”2A121型是一種示范的氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置。
在操作期間，在每個(gè)電極陣列9處被分析的棉團(tuán)被迫停留一個(gè)短時(shí)間以進(jìn)行分析，典型的作法是不到兩秒鐘，然后穿過輸送管恢復(fù)其行程。
用多種電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極是以基本上同時(shí)的方式進(jìn)行材料測(cè)量的，從而在同一期限內(nèi)產(chǎn)生和收集每個(gè)電極上的基本信號(hào)，這個(gè)時(shí)間期限不大于5秒，優(yōu)選地約1秒或更少一點(diǎn)。
在另一種實(shí)施方案中電極陣列可位于板12上，從而允許將另外的傳感器(如顏色或雜物傳感器)裝在輸送管凹槽中。可裝置一種壓力傳感器13用于當(dāng)達(dá)到足夠的密度時(shí)進(jìn)行指示，以保證正確的電阻讀數(shù)。
本發(fā)明使用一種可壓縮沖錘的另一實(shí)施方案示于圖6和圖7中。
在圖6中，參考數(shù)14指的是一種在軋花系統(tǒng)中典型的保持溜槽或料斗，其中溜槽將散裝棉花送到例如給料裝置15處。棉花通常以每分鐘幾英尺的速度向下移過溜槽，典型的速度是每分3-5英尺。在“給料控制”保持溜槽的情況下，溜槽的典型尺寸采用4-6英尺高，4-12英尺寬，1-4英尺深。其它保持溜槽，如用于一種抽提送料器的料斗，可采用下列尺寸1-4英尺高，4-12英尺寬，1-3英尺深。類似的溜槽也用于棉紡廠中。
參考數(shù)16和17指的是溜槽的第一和第二個(gè)相對(duì)的壁或表面，最好是溜槽的前后壁，在給料控制保持溜槽的情況下，彼此間的距離可取1-4英尺，典型地為大約2英尺。壁16可包括電極陣列18，或?qū)㈦姌O陣列裝在壓縮汽缸工作面上的29處。
與壁17相鄰的在開口17a直接面對(duì)電極陣列18的地方是由壓力源20供給液壓的常規(guī)活塞汽缸組件，其參考數(shù)為19，它固定到一個(gè)構(gòu)架件上(未示出)。組件連接到?jīng)_錘21上，該錘斷續(xù)地或循環(huán)地將棉花從其向下面的輸送管移動(dòng)，并將移動(dòng)的棉花頂著電極陣列18進(jìn)行壓縮。
組件19的長度必需足以允許沖錘21基本上跨越壁16和17間的距離，以便在充分伸展時(shí)推動(dòng)一小團(tuán)棉花頂住電極陣列18，如圖6所示。
可由空心金屬圓柱制成的沖錘21具有大于壁16和17間距離的長度。這就保證沖錘即使在充分伸展時(shí)至少其一部分仍停留在開口17a處。這樣，在回縮行程期間，棉花不會(huì)在沖錘后面被擋住。此外，在整個(gè)操作期間，由于至少?zèng)_錘的一部分保持在開口17a內(nèi)，可對(duì)沖錘提供連續(xù)的支持。
液壓裝置或氣動(dòng)裝置可用來驅(qū)動(dòng)組件19，優(yōu)選地采用氣動(dòng)裝置。在多數(shù)實(shí)例中，大約75至150psi的氣動(dòng)壓力是適用的，足以壓縮棉花以便在電極陣列18處提供密度均勻的棉花工作面。在這種壓力下，棉團(tuán)的工作面典型地將承受約2psi的壓力；而團(tuán)通常將壓縮到約2英寸厚。
能在最大250psi操作的常規(guī)重載雙動(dòng)汽缸適于完成這種壓縮。適當(dāng)?shù)臍鈩?dòng)硬件，包括氣控閥門，螺線管，供氣系統(tǒng)和有關(guān)設(shè)備對(duì)熟練人員來說是顯而易見的。
至于尺寸，對(duì)于由直徑為11/2英寸的氣動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)的沖錘21來說，大約6-8英寸的直徑是適用的，從而和通過溜槽14的棉花總量相比，被移動(dòng)并頂著電極陣列18而被壓縮的棉花只是一小團(tuán)。
在操作期間，在電極陣列18處被分析的每個(gè)棉團(tuán)在通過保持溜槽14恢復(fù)其向下的通道之前被迫停留一個(gè)極短的時(shí)間，典型的作法是少于兩秒，以便在電極陣列18處進(jìn)行分析。經(jīng)過溜槽的大量棉花，例如至少30％沒有移向分析器，也未經(jīng)壓縮或分析就通過溜槽。在許多實(shí)例中，90％以上的棉花未經(jīng)分析就通過保持段。
濕度測(cè)量可在一種便攜式裝置中進(jìn)行，其中傳感器裝在一塊板上，而像棉花這種材料樣品用手工提供。只要加上足夠壓力，樣品壓縮可不借助于氣動(dòng)裝置、液壓裝置或機(jī)械作用來完成。
只有當(dāng)棉團(tuán)的壓縮達(dá)到其極大值時(shí)，才可用成品的電子延時(shí)繼電器來觸發(fā)分析儀器進(jìn)行讀數(shù)。例如，定時(shí)范圍為0.1至1.0秒的繼電器可命令壓縮循環(huán)進(jìn)行起動(dòng)。定時(shí)器可發(fā)電信號(hào)給定向螺線管氣閥，氣閥進(jìn)而向氣動(dòng)汽缸發(fā)信號(hào)以便起動(dòng)。繼電器幾乎和活塞指向伸展的同時(shí)發(fā)一個(gè)電信號(hào)給計(jì)算機(jī)以便確定使計(jì)算機(jī)讀數(shù)的精確時(shí)間。在定時(shí)器命令汽缸返回前，有足夠的時(shí)間允許活塞完全伸展。這種時(shí)間典型地是1秒，用于延遲分析器的計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀數(shù)直到發(fā)生全伸展為止。如果發(fā)生了在預(yù)先設(shè)置的延時(shí)前活塞未完成全伸展，如當(dāng)保持溜槽內(nèi)充滿了棉花的情況時(shí)，在允許活塞回縮前的全部時(shí)間內(nèi)它保持半伸展?fàn)顟B(tài)以便進(jìn)行分析。
獨(dú)立的電阻測(cè)量是從每個(gè)測(cè)量電極收集的，并將信號(hào)交給像計(jì)算機(jī)這樣的信號(hào)處理裝置。用于計(jì)算樣品含水量的樣品電阻可由任何適用的技術(shù)測(cè)量，包括測(cè)量使電容器通過樣品而放電所需的時(shí)間從而將電阻轉(zhuǎn)換成時(shí)域，并將時(shí)間轉(zhuǎn)換為基于標(biāo)定數(shù)據(jù)的含水量。對(duì)電容性放電的時(shí)間測(cè)量需要四個(gè)主要部件。具有未知電阻的樣品、電容器、電容器放電電路、和測(cè)量放電時(shí)間的電路。用于這一要求的一種典型電路示于圖8中，它由被微處理器27控制的集成電路28組成。在A處的電壓升高使電容器23充電，然后放電電路處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。電容器的充電可用多種類似方式實(shí)現(xiàn)，只要它能充電至可重復(fù)的電壓且放電電路隨即變?yōu)榈碗娏髀╇娡ǖ馈ｋ娙萜鞣烹姴粦?yīng)通過傳感放大器25(它需要高輸入阻抗使這種放電減到最小)而是應(yīng)通過測(cè)量的電阻24、就是其濕度要被傳感的樣品。施密特觸發(fā)電路26確定什么時(shí)候放電電壓降低到預(yù)定的電平。高輸入阻抗電壓跟隨器25，和電平檢測(cè)器26，可由任何高輸入阻抗的電壓電平檢測(cè)電路代替。
在充電電路變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)后，電壓B變?yōu)楦邏旱臅r(shí)間長度和電阻24成正比。這種延時(shí)由定時(shí)器27測(cè)量，它可以是啟動(dòng)這一順序的同一微處理器或其它定時(shí)電路。然后時(shí)間可根據(jù)標(biāo)定過的方程轉(zhuǎn)換成含水量。
僅當(dāng)棉花被壓縮至其極大值時(shí)，成品的電子延時(shí)繼電器才用來觸發(fā)分析儀器以進(jìn)行讀數(shù)。定時(shí)器可通過電子線路對(duì)一種定向螺線管氣閥發(fā)信號(hào)，氣閥進(jìn)而發(fā)信號(hào)動(dòng)作氣動(dòng)傳動(dòng)裝置。在一個(gè)接近開關(guān)動(dòng)作后，允許延時(shí)繼電器發(fā)生一個(gè)可變時(shí)間的暫停，典型的時(shí)間是1秒，以保證在組件開始返回前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收一個(gè)穩(wěn)定的讀數(shù)。
用于觸發(fā)分析器計(jì)算機(jī)的一種優(yōu)選裝置可由在電極陣列9或者任意選定在板12上的壓力或力變換器13提供，如圖5所示，當(dāng)足夠的壓力保證以均勻的表面密度作用在樣品上時(shí)，它可向計(jì)算機(jī)發(fā)信號(hào)以便進(jìn)行讀數(shù)。
用定時(shí)器27測(cè)量的與樣品電阻成正比的延時(shí)，借助于在本項(xiàng)技術(shù)中已經(jīng)開發(fā)的標(biāo)定方程轉(zhuǎn)換成含水量，這例如是Byler所述的那些方程(American Society of Agricultural Engineers，Paper No.923032(美國農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會(huì)，第923032號(hào)論文)；和1992 Proceedings BeltwideCotton Conference pp.1389-1391(1992年Beltwide棉花會(huì)議會(huì)議錄，1389-1391頁)；這里并入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)之中)。
利用方程Mn＝An*In*(tn)+Bn(1)可完成含水量(M)的計(jì)算，其中Mn是在通道n內(nèi)測(cè)量的含水量，tn是在通道n上測(cè)量的電容放電時(shí)間，及An，Bn是由回歸確定的系數(shù)。
對(duì)于在材料溫度不定的地方應(yīng)用時(shí)，一個(gè)材料溫度傳感器可與濕度測(cè)量裝置結(jié)合，而且這里的讀數(shù)供給信號(hào)處理裝置來調(diào)整由任何溫度影響產(chǎn)生的電阻讀數(shù)。
可使用的另一種方程是Mn＝An+(Bn-Cn/tn)/tn-Dntn(2)其中，Mn是由通道n測(cè)量的含水量，tn是在通道n上測(cè)量的電容放電時(shí)間，而An，Bn，Cn，Dn是由回歸確定的系數(shù)。
當(dāng)每個(gè)通道的含水量由(1)或(2)式確定后，在通道內(nèi)的含水量經(jīng)檢查后看它是否要保留作進(jìn)一步的分析。
然后單個(gè)的基于電極的濕度各讀數(shù)由信號(hào)處理器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而那些偏離預(yù)置參數(shù)的濕度值被淘汰。這些值很容易用本技術(shù)中的一種普通技巧確定，并將隨被測(cè)材料和對(duì)它處理的裝置而改變。一種方法是將所有讀數(shù)保持在某個(gè)范圍內(nèi)(如在6.0％到9.0％之間的那些讀數(shù))或保留預(yù)期平均值的某一范圍內(nèi)的所有讀數(shù)(如，7.5±1.5％)。另外一種方法是當(dāng)機(jī)器分析數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)所有樣品來說，保留在不同通道中的對(duì)各單個(gè)樣品的濕度讀數(shù)的均方值的分組平均值。對(duì)該樣品來說，在讀數(shù)平均值估計(jì)的三種標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)的所有各點(diǎn)均將保留，其余被排除。然后取剩余數(shù)據(jù)的平均值并用做樣品含水量的估計(jì)值。
用于測(cè)量棉花的本發(fā)明，允許棉花基于電阻的濕度測(cè)量達(dá)到老化恒溫箱值的±0.3％以內(nèi)。應(yīng)該理解前面的詳述僅是作為說明而給出的，而且在那里在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出各種改變。例如，單個(gè)的電極可成對(duì)或成組地串聯(lián)或并聯(lián)來產(chǎn)生不同的測(cè)量配置，它們可用于由于濕度太低而使單個(gè)樣品的電阻太高的場合。此外，熟悉本技術(shù)的人員能認(rèn)識(shí)到除了在這里的方程和公式外，其它方程也可用來從測(cè)量的參數(shù)中確定含水量。
權(quán)利要求
1.一種用于分析可流動(dòng)的非均勻農(nóng)業(yè)固態(tài)物的含水量的設(shè)備，包括a.基于電阻率的濕度測(cè)量裝置，包括多個(gè)電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極，它們共用一個(gè)有公共電氣參考電位的電極，并具有不會(huì)引起夾帶的接觸表面；b.用于對(duì)所述可流動(dòng)固體施壓、并頂著所述測(cè)量的表面以形成均勻固體密度的工作面的裝置；及c.用于在對(duì)受壓固體測(cè)量完畢后從其上去掉對(duì)它的壓力、并允許移去該受壓固體的裝置。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于它包括施壓前在導(dǎo)管中阻止和移動(dòng)一團(tuán)可流動(dòng)固體使其趨向所述測(cè)量裝置的裝置。
3.權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于其中所述用來阻止所述固體的裝置包括用于間歇地阻止固體移過所述導(dǎo)管、而在阻止期間允許其它固體不受阻擋地通過該導(dǎo)管的裝置。
4.權(quán)利要求3的設(shè)備，其特征在于其中所述阻止、移動(dòng)和壓縮的裝置包括在導(dǎo)管中的一種可移動(dòng)的擋板、及用于旋轉(zhuǎn)所述擋板的裝置。
5.權(quán)利要求4的設(shè)備，其特征在于，其中所述旋轉(zhuǎn)裝置包括連接在擋板邊緣的一根軸、及用于圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)該軸的裝置。
6.權(quán)利要求5的設(shè)備，其特征在于，其中所述導(dǎo)管內(nèi)表面的一部分相對(duì)于該導(dǎo)管的總體內(nèi)部造型來說是凹進(jìn)的；其中所述的軸定位在所述凹槽中；而且其中所述擋板可完全可定位于該凹槽中。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于其中所述施壓工具包括一個(gè)沖錘，還優(yōu)選地包括具有裝著該沖錘的活塞桿的活塞汽缸組件。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于其中可流動(dòng)固體是棉花。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于其中所述測(cè)量裝置還至少包括溫度傳感器和壓力傳感器中之一。
10.權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于其中所述測(cè)量裝置包括大約3個(gè)至大約20個(gè)測(cè)量電極，優(yōu)選為大約5個(gè)至大約9個(gè)測(cè)量電極。
11.一種用于非均勻材料的基于電阻率的濕度測(cè)量裝置包括a.多個(gè)電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極，共用一個(gè)電氣上有公共參考電位的電極，并具有非夾帶性接觸表面；及b.信號(hào)處理裝置，用于獨(dú)立地檢查每個(gè)基于電極的電阻測(cè)量，淘汰那些散落在預(yù)定參數(shù)以外的測(cè)量，對(duì)其余測(cè)量的信號(hào)加權(quán)、積分及數(shù)學(xué)組分、并從所述的平均值確定總含水量并顯示所述結(jié)果。
12.權(quán)利要求11的裝置，其特征在于還包括一種材料溫度傳感器，它發(fā)出一個(gè)由該處理裝置在確定所述總的含水量中所使用的信號(hào)。
13.權(quán)利要求11的裝置，其特征在于還包括一個(gè)壓力傳感器。
14.權(quán)利要求11的裝置，其特征在于其中所述信號(hào)處理裝置包括用于將電阻轉(zhuǎn)換成時(shí)間脈沖的阻容電路和高阻抗運(yùn)算放大器；一臺(tái)基于微處理器的計(jì)算機(jī)和軟件，用于測(cè)量時(shí)間并將每個(gè)電極通道的時(shí)間脈沖轉(zhuǎn)換成每個(gè)通道的濕度；一臺(tái)基于微處理器的計(jì)算機(jī)和軟件，用于淘汰不需要的讀數(shù)；一臺(tái)基于微處理器的計(jì)算機(jī)和軟件，用各獨(dú)立的通道各自的讀數(shù)來計(jì)算總的含水量；以及一臺(tái)基于微處理器的計(jì)算機(jī)，用于利用總的含水量來控制和顯示總的含水量，或?qū)⑺c其它控制器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。
15.權(quán)利要求11的裝置，其特征在于它包括從大約3個(gè)到大約20個(gè)電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極，最好是大約5個(gè)到大約9個(gè)電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極。
16.權(quán)利要求11的裝置，其特征在于其中的測(cè)量時(shí)間范圍為大約0.1到大約5秒，而且優(yōu)選地大約為1秒。
17.權(quán)利要求11的裝置，其特征在于其中待測(cè)材料是一種農(nóng)產(chǎn)品，優(yōu)選地是棉花。
18.一種用于分析可流動(dòng)非均勻固體含水量的方法，包括(a)從多種電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極上收集多個(gè)基本上同時(shí)的電阻量度；(b)獨(dú)立計(jì)算每種基于電極的電阻量度、含水量量度、并淘汰背離預(yù)定參數(shù)的那些量度；以及(c)通過加權(quán)、積分和數(shù)學(xué)組合其余的量度確定所述固體的含水量。
19.權(quán)利要求18的方法，其特征在于還包括在收集所述電阻量度時(shí)獲取固體的溫度量度，并在確定該固體的含水量前用這些量度調(diào)整受溫度影響的電阻量度。
20.權(quán)利要求19的方法，其特征在于還包括獲取所述固體的壓力量度來確定用于收集電阻測(cè)量的適當(dāng)時(shí)間。
21.權(quán)利要求19的方法，其特征在于其中待測(cè)材料是棉花。
22.權(quán)利要求19的方法，其特征在于其中測(cè)量時(shí)間的范圍從大約0.1到大約5秒，優(yōu)選地大約為1秒。
23.權(quán)利要求19的方法，其特征在于，包括使用大約3個(gè)到大約20個(gè)電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極、優(yōu)選地用大約5個(gè)到大約9個(gè)電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極來收集電阻的量度。
24.權(quán)利要求19的方法，其特征在于其中所述可流動(dòng)固體通過人工或使用機(jī)器人的方法來使之與傳感器接觸。
全文摘要
一種用于分析散裝棉花(22)或其它非均勻可流動(dòng)固體基質(zhì)含水量的系統(tǒng)(4)，包括由多個(gè)電氣上獨(dú)立的測(cè)量電極(1和2)組成的電傳感器(18)，其中每個(gè)電極獨(dú)立測(cè)量樣品(22)不同部分的含水量；用于對(duì)著傳感器(18)表面壓緊物質(zhì)(22)的裝置(12)，以便使在對(duì)著傳感器(18)受壓的那部分物質(zhì)(22)形成均勻基質(zhì)密度的工作面；用于分析這種工作面含水量的裝置(圖8)；和放松加在已停止住的物質(zhì)(22)上的壓力讓它恢復(fù)運(yùn)動(dòng)的裝置。
文檔編號(hào)G01N27/04GK1159226SQ95194893
公開日1997年9月10日 申請(qǐng)日期1995年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月11日
發(fā)明者R·K·拜勒, W·S·安東尼 申請(qǐng)人:美國政府農(nóng)業(yè)部