膨潤土膨脹性能自動檢測設(shè)備的研發(fā)

王志強(qiáng)

（中國非金屬礦工業(yè)有限公司，北京 100142）

1 引言

我國非金屬礦品種多，但性能地區(qū)差異大，設(shè)備水平相對落后，常用檢測指標(biāo)以人工操作為主，檢測人員很大精力消耗在重復(fù)簡單的勞動中。此外，同種產(chǎn)品由于檢測人員操作習(xí)慣不同，測試結(jié)果可能有很大差異，也經(jīng)常出現(xiàn)由此產(chǎn)生的爭議。

這一點在膨潤土關(guān)鍵指標(biāo)(膨脹指數(shù)和耐久性)的測試中表現(xiàn)尤為突出，JG/T 193-2006鈉基膨潤土防水毯[1]中關(guān)于該指標(biāo)是這樣描述的：稱取2.00g干燥過200目篩的膨潤土試樣，分多次放入已加有90mL去離子水的量筒內(nèi)，每次在大約30s內(nèi)緩慢加入≤0.1g的膨潤土，待膨潤土沉至量筒底部后再次添加膨潤土，相鄰兩次時間間隔不少于10min，直至2.00g膨潤土完全加入到量筒中，補(bǔ)水至100mL靜置24h后讀數(shù)。

由標(biāo)準(zhǔn)可知，該檢測操作并不復(fù)雜，但每次檢測時間起碼3h以上，期間實驗人員每10min左右就要把小于0.1g的膨潤土在大約30s內(nèi)加入，很考驗人員的耐心，也很影響其他工作；此外，標(biāo)準(zhǔn)中要求膨潤土沉至量筒底部后再次添加膨潤土，據(jù)筆者了解曾有一個檢測人員遇到一個難下沉的樣品，一個測試操作了一整晚，非常辛苦。

問題不僅僅反映在檢測時間過長等問題，更多細(xì)節(jié)問題在實際操作中會出現(xiàn)。首先，20次以上的加樣除非每次都用天平稱重，才能保證每次加樣基本相同，但這會非常繁雜；其次由于標(biāo)準(zhǔn)語言含糊，即使都在標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍內(nèi)加樣品操作也會導(dǎo)致測試結(jié)果偏差，這種爭議很難調(diào)和。

以上種種情況都說明該檢測簡單中存在繁雜，不適合人力操作。為了解決上述問題，筆者研制了一種自動檢測設(shè)備。

2 自動檢測設(shè)備原理

2.1 已有設(shè)備

目前，國內(nèi)外微量粉體加樣設(shè)備主要有重量、體積兩種方法。重量法采用檢重天平為核心原件，這種設(shè)備精確、穩(wěn)定、自動化程度高，但是高昂的價格讓很多用戶望而生畏。體積法送料方式主要有螺旋送料、盤式給料、振動給料，但經(jīng)調(diào)查和實際使用發(fā)現(xiàn)，普遍存在加樣不勻、存料的問題，而且這些設(shè)備基本用于長時間穩(wěn)定供料，并不適應(yīng)膨潤土指標(biāo)的檢測。同時，由于粉體密度有0.6～0.9mL/g的變化范圍，盡管采用此法每次加樣的粉體體積大體相同，不同粉體還是會有5～10次的加樣差異，加樣時間也會有1～2h的差異，不利于統(tǒng)一讀數(shù)和判斷完成時間。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

筆者研制的BS-2型膨脹性自動檢測設(shè)備是在已成型BS-1型設(shè)備基礎(chǔ)上改進(jìn)的，已申請專利。原理是采用可以精確控制轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電機(jī)通過絲杠、活塞緩慢推動預(yù)裝在料筒中的粉體，設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 自動檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)

設(shè)備采用的步進(jìn)電機(jī)為BS42HB33-01型，步進(jìn)角度為1.8°，保持轉(zhuǎn)矩0.16N·m，額定電流0.95A；驅(qū)動器為AM-2H型，可以將轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行細(xì)分為1、2、4、8°，具有脈沖、方向、脫機(jī)等控制功能；雙頭絲杠，螺距4mm；51單片機(jī)控制系統(tǒng)，可以在0.01s～99h之間任意調(diào)節(jié)工作、停止時間，同時可以控制脈沖信號頻率從而控制步進(jìn)電機(jī)。

為保證設(shè)備實用性，該設(shè)備配置了1#、2#、3#、4#四個料筒。

多次試驗證明，該設(shè)備具有以下特點：加樣準(zhǔn)確、加料穩(wěn)定、多因素可調(diào)、無噪音震動，特殊的光控系統(tǒng)可以在加樣完畢之后報警并自動計時，到點提醒讀數(shù)。

2.3 設(shè)備原理

該設(shè)備料筒內(nèi)徑12mm，2g粉料由于堆積密度不同，會導(dǎo)致裝入其中的料柱長度的差異。因此，需要在加樣前期，通過壓力將不同料柱均勻壓縮到20mm，每毫米料柱長度對應(yīng)0.1g物料?？梢杂嬎悖竭M(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動360°，絲桿推動4mm、出料0.4g。轉(zhuǎn)動與出料關(guān)系見表1。

表1 轉(zhuǎn)動與出料量關(guān)系

由表1可以很容易發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動與出料量的關(guān)系，由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動是靠脈沖信號引發(fā)的，表中總步進(jìn)數(shù)即為脈沖信號數(shù)，而脈沖信號頻率等很容易在51單片機(jī)系統(tǒng)中實現(xiàn)，因此，設(shè)備出料量便和脈沖信號緊密聯(lián)系。以細(xì)分?jǐn)?shù)1為例，每一次脈沖信號，通過步進(jìn)電機(jī)和絲杠精確對應(yīng)出料0.002g，按照標(biāo)準(zhǔn)≤0.1g出料，則單次工作時間脈沖信號數(shù)量≤50次即可。

3 試驗結(jié)果

3.1 穩(wěn)定性試驗

為驗證設(shè)備的穩(wěn)定性和重復(fù)性，進(jìn)行了多次試驗，設(shè)置步進(jìn)角度1.8°(細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為1)，脈沖信號發(fā)射頻率2Hz，工作時間分別設(shè)置為25s(20次)、20s(25次)、16.67s(30次)、12.5s(40次)，停止時間10min，測試單次加樣重量的波動。

圖2 20次加樣穩(wěn)定性試驗

圖3 25次加樣穩(wěn)定性試驗

圖4 30次加樣穩(wěn)定性試驗

圖5 40次加樣穩(wěn)定性試驗

圖6 人工加樣穩(wěn)定性試驗

為驗證結(jié)果，采用人工估計加料法(大多數(shù)實驗員的操作方法)比對研究，數(shù)據(jù)見圖2至圖6。通過試驗可以看到設(shè)備穩(wěn)定、精確，各種情況下單次加樣量基本相同，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工估計的精度。

3.2 指標(biāo)檢測

試驗進(jìn)一步研究了人工和自動檢測設(shè)備在同一料筒(1#)不同加樣次數(shù)的測試結(jié)果，對Ca-HB、Na-HB樣品的測試結(jié)果列于表2。

表2 人工和設(shè)備自動檢測結(jié)果比較

由表2數(shù)據(jù)可以看出對于該樣品，人工加樣和設(shè)備加樣的指標(biāo)結(jié)果數(shù)據(jù)基本相同(1mL在誤差范圍之內(nèi))，證明設(shè)備數(shù)據(jù)可采用。

綜合測試要求和時間長短，試驗選擇25次加樣，對編號為Ca-HB、Na-HB、Na-XZJ、Ca-LN、Na-LN等5個樣品，測試人工、設(shè)備加樣之后的指標(biāo)，結(jié)果見表3。

由結(jié)果可以看出，同一樣品采用人工與設(shè)備不同料筒測試數(shù)據(jù)基本相同，數(shù)據(jù)證明設(shè)備檢測結(jié)果可信。

表3 人工及設(shè)備檢測結(jié)果比較

4 結(jié)語

BS-2型膨潤土膨脹性自動檢測設(shè)備是在早期設(shè)備基礎(chǔ)上研發(fā)出的，經(jīng)多次試驗證明該設(shè)備完全可以取代人工實現(xiàn)自動加樣，同時加樣準(zhǔn)確、加料穩(wěn)定、多因素可調(diào)、無噪音震動、料?？梢詧缶嫊r。目前已在我公司內(nèi)部使用，設(shè)備可以將實驗員從枯燥乏味的檢測工作中解放出來，用更多精力進(jìn)行研發(fā)，該設(shè)備適用于膨潤土企業(yè)、相關(guān)科研院所和高校。

經(jīng)過一段時間的使用，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備依然存在缺陷和需要改進(jìn)的地方，主要表現(xiàn)在：①加料完畢應(yīng)該能實現(xiàn)自動讀數(shù)；②裝料過程略顯繁瑣，應(yīng)更加簡便易行。目前筆者正在進(jìn)行BS-3型設(shè)備的研究，以期解決以上問題。同時也在研究其他行業(yè)微量粉體的均勻加樣廉價的解決方式。

[1]中華人民共和國建設(shè)部.JG/T 193-2006 鈉基膨潤土防水毯[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,20 07.

[2]弭洪濤,曲萍萍,張秀菊.步進(jìn)電機(jī)在高精度位置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003(3):252-254.

[3]吳文英.基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)[J].電子世界,2012(7):55-57.