物料懸浮速度測(cè)試裝置的智能化設(shè)計(jì)

連 萌，葛玉萍

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

0 引言

物料的懸浮速度是兩相流中一個(gè)重要原始計(jì)算參數(shù)，它在固體顆粒篩選(收集或分離)、噴霧干燥(或冷卻)、噴霧吸收，以及煙氣的降塵等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。 一般情況下，物料的自由懸浮速度是不一樣的，所以在設(shè)計(jì)制造相關(guān)風(fēng)選和風(fēng)送設(shè)備時(shí)，首先要對(duì)懸浮速度問(wèn)題進(jìn)行研究。

當(dāng)豎直向上的氣流流過(guò)固體顆粒時(shí)，繞流阻力和固體顆粒所受到的浮力使顆粒向上運(yùn)動(dòng)，而顆粒自身的重力則是豎直向下的。 在繞流阻力、浮力和重力的共同作用下，固體顆粒會(huì)處在平衡狀態(tài)，即固體顆粒將處在一個(gè)水平面上，呈波動(dòng)狀態(tài)，既不上升也不下降。 使固體顆粒處于懸浮狀態(tài)下豎直向上的氣流速度被定義為懸浮速度[2]。 懸浮速度是極為重要的參數(shù)，一直是研究者、設(shè)計(jì)者關(guān)心的問(wèn)題[3]。 但是國(guó)內(nèi)外對(duì)物料懸浮速度測(cè)試設(shè)備的研究一直很少，僅僅停留在簡(jiǎn)單的機(jī)械裝備上。存在著操作煩瑣、數(shù)據(jù)誤差大等缺點(diǎn)。 因此，本文認(rèn)為有必要對(duì)現(xiàn)有的物料懸浮速度測(cè)試裝置進(jìn)行智能化、高精度的優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 現(xiàn)有測(cè)試裝置的測(cè)試原理及存在問(wèn)題

1.1 測(cè)試原理

圖1 傳統(tǒng)的物料懸浮速度測(cè)試裝置Fig.1 Traditional material suspension speed detecting devices

傳統(tǒng)的物料懸浮速度測(cè)試裝置由風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、軸流風(fēng)機(jī)、上穩(wěn)流管、錐形觀察筒、下穩(wěn)流管、集流盤(pán)、氣流柵格和物料托盤(pán)組成（如圖1 所示）。 集流盤(pán)的作用是盡量使氣流為層流，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 上穩(wěn)流管和下穩(wěn)流管的內(nèi)壁粗糙度要很小，并有一定的長(zhǎng)度，以減少紊流對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響。 氣流柵格具有穩(wěn)定氣流的作用，使氣流在錐形觀察筒中的分布均勻。 柵格采用蜂窩狀柵格，截面處各點(diǎn)的速度趨于相等。 錐形觀察筒是由有機(jī)玻璃壓制而成的，部分透明，可以從此處隨時(shí)觀察筒內(nèi)物料的位置和情況。 該裝置通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)的風(fēng)量Q。因?yàn)殄F筒上、下穩(wěn)流管的橫截面積S 一定，由Q=V·S，可以得知速度V 與進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)的風(fēng)量成正比。 所以，當(dāng)風(fēng)量增大到一定程度，物料就會(huì)在錐形觀察筒的某一位置上下波動(dòng)，呈懸浮狀態(tài)。 記下物料的懸浮位置和風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置的位置，關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，待物料落下后，取出物料，把風(fēng)速測(cè)試儀放在物料的懸浮位置處，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，待氣流穩(wěn)定后讀出風(fēng)速測(cè)試儀的數(shù)據(jù)，此時(shí)，物料懸浮位置處的風(fēng)速即為物料的懸浮速度。

1.2 存在的問(wèn)題

（1）現(xiàn)行設(shè)備的風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用的是手動(dòng)調(diào)節(jié)，精度低、均勻調(diào)速性能差，而且受外部環(huán)境干擾較大。 由于風(fēng)速的變化率不穩(wěn)定，造成風(fēng)速忽大忽小。 風(fēng)速較小時(shí)，物料可能不會(huì)被吸入錐形觀察筒中，風(fēng)速過(guò)大，又導(dǎo)致物料穿過(guò)扇葉、沖出筒外。 理想的風(fēng)速很難達(dá)到，致使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

（2）測(cè)量程序煩瑣。 每次測(cè)量都要先記下物料懸浮的具體位置，關(guān)掉風(fēng)機(jī)，再安裝風(fēng)速測(cè)試儀，讀出物料的懸浮速度。 另外，由于管子中橫截面上各點(diǎn)的風(fēng)速不一致，以及農(nóng)業(yè)物料的外形尺寸不規(guī)則，致使物料在垂直管道中上下翻滾，不易穩(wěn)定在某一位置，并且上下波動(dòng)的幅度比較大，所以難以準(zhǔn)確測(cè)定物料的具體懸浮位置。

2 智能化測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有測(cè)試裝置存在著操作煩瑣、數(shù)據(jù)誤差大等缺點(diǎn)，所以有必要對(duì)現(xiàn)有的物料懸浮速度測(cè)試裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)。 即，在機(jī)械機(jī)構(gòu)控制測(cè)試懸浮速度裝置的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟硬件進(jìn)行改進(jìn)：增加智能測(cè)試裝置（包括光源、光學(xué)成像透鏡、光電圖像傳感器）和信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（包括單片機(jī)、輸入輸出設(shè)備等），并用步進(jìn)電機(jī)來(lái)代替普通電機(jī)作為測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)力輸出設(shè)備[4]。

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該智能物料懸浮速度測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 其工作流程為：開(kāi)啟設(shè)備，把待測(cè)物料放入集流罩下面的托盤(pán)上，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使其由小逐漸變大。 因此，風(fēng)速也由小逐漸變大，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，即物料受到的向上吸引力大于本身重量時(shí)，物料開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入錐形觀察筒。 在設(shè)備開(kāi)啟后，錐形觀察筒中的傳感器一直掃描觀察筒中是否有物料通過(guò)。 如果沒(méi)有物料通過(guò)，則通過(guò)步進(jìn)電機(jī)，再次加大其轉(zhuǎn)動(dòng)速度；如果有物料通過(guò)，則確定物料的具體懸浮位置。 此時(shí)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，可以確定出錐口的風(fēng)速，再根據(jù)物料的懸浮高度，由單片機(jī)自動(dòng)計(jì)算物料的懸浮速度，并通過(guò)液晶顯示器顯示，或者通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件是一個(gè)小型的分布式數(shù)據(jù)采集與輸入、輸出控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 該硬件系統(tǒng)主要由CCD 圖像傳感器采集物料懸浮位置，通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)感應(yīng)到物料時(shí)，再根據(jù)懸浮高度計(jì)算懸浮速度。 另外，還有鍵盤(pán)、液晶顯示器和輸出打印設(shè)備等。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System hardware structure

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 自動(dòng)測(cè)試模塊的工作流程

系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)用戶的按鍵選擇，進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試模塊。 進(jìn)入此模塊后，按鍵處于無(wú)效狀態(tài)，直至系統(tǒng)完成此次任務(wù)，也就確定了物料和懸浮位置。 然后，提醒用戶進(jìn)行計(jì)算，或者通過(guò)串行通信把此數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)保存數(shù)據(jù)，并進(jìn)行更進(jìn)一步的運(yùn)算。

在自動(dòng)測(cè)試模塊中，首先是啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，其次是進(jìn)入傳感器模塊，來(lái)檢測(cè)物料的通過(guò)狀態(tài)，并把此信息傳給單片機(jī)。 單片機(jī)在接收到傳感器傳送來(lái)的信息后，判斷物料是否達(dá)到懸浮位置。 如果沒(méi)有物料通過(guò)，則步進(jìn)電機(jī)加速，重復(fù)上面的過(guò)程，直至有物料通過(guò)。 系統(tǒng)則提示用戶按鍵進(jìn)行計(jì)算物料的懸浮速度，或把數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。 其程序流程如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)測(cè)試模塊流程圖Fig.4 Automatic testing module flow-process

2.3.2 懸浮速度的測(cè)試原理

錐形觀察筒的形狀尺寸如圖5 所示。 假設(shè)下底面（錐口）的半徑為r，斜邊與上底面的夾角為θ，物料懸浮的相對(duì)高度為h，懸浮物料所在位置的半徑為R，則由三角形相似原理可得

由式（1）可知懸浮物料所在位置的半徑為

假設(shè)物料在錐形觀察筒錐口的速度為V0，在相對(duì)懸浮高度h 處的速度為Vh。 根據(jù)質(zhì)量守恒定律[5]，單位時(shí)間內(nèi)流入錐口斷面的流體質(zhì)量應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)流出斷面的流體質(zhì)量，即

消去π 和dt 后，便可得出不同斷面上反映兩斷面間質(zhì)量平衡的連續(xù)性方程（即可壓縮流體的連續(xù)性方程），即

式（4）說(shuō)明：相對(duì)錐口高度h 處的平均流速Vh與錐口風(fēng)速V0、高度h、錐口半徑r 及母線與底面的夾角θ 有關(guān)。

當(dāng)檢測(cè)裝置的硬件機(jī)械部分確定下來(lái)之后，錐口半徑r 及母線與底面的夾角θ 也隨之確定下來(lái)，它們的值就成了一個(gè)常數(shù)。 因?yàn)殄F口風(fēng)速的大小與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，因此我們可以建立電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與錐口風(fēng)速的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 從而可以得到相對(duì)錐口高度h 處的平均流速與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和高度h 之間的關(guān)系式。

因?yàn)橥N農(nóng)業(yè)物料的形狀、水分含量和運(yùn)動(dòng)時(shí)的方位差別很大，每次所測(cè)試的懸浮速度都是介于某一范圍，而不是某一精確值，但其誤差一般不超過(guò)1m/s。 所以，從理論上說(shuō)，為了提高測(cè)試的精度，錐形觀察筒的高度應(yīng)足夠高、θ 值應(yīng)足夠大。

2.3.3 計(jì)算模塊程序設(shè)計(jì)[6]

整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的程序共分為7 個(gè)模塊，即主程序模塊、自動(dòng)測(cè)試模塊、手動(dòng)測(cè)試模塊、傳感器模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算程序模塊。 每個(gè)模塊都具有其特定的功能，各模塊間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。 有的模塊還包含一些子模塊，高級(jí)模塊可以調(diào)用低級(jí)模塊。 這里只對(duì)計(jì)算模塊進(jìn)行介紹。

系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)測(cè)試模塊或手動(dòng)測(cè)試模塊完成了對(duì)物料懸浮狀態(tài)的掃描定位，并通過(guò)傳感器把物料的懸浮位置信息傳送給單片機(jī)。 在本檢測(cè)系統(tǒng)中，采用數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)此信息。因?yàn)門(mén)CD1001P 共有128個(gè)光敏單元，故定義了local[127]數(shù)組分別來(lái)存儲(chǔ)物料的懸浮狀態(tài)。 local[0]存儲(chǔ)第1 個(gè)光敏單元的位置狀態(tài)，local[1]存儲(chǔ)第2 個(gè)光敏單元的位置狀態(tài)，local[2]存儲(chǔ)第3 個(gè)光敏單元的位置狀態(tài)，……，local[127]存儲(chǔ)第128 個(gè)光敏單元的位置狀態(tài)。 在本檢測(cè)裝置中，對(duì)物料的具體形態(tài)不作規(guī)定，主要檢測(cè)在某一位置是否有物料懸浮。 本系統(tǒng)通過(guò)光敏單元的閥值比較可達(dá)到這一目的。 首先，確定一個(gè)光敏單元的流值，當(dāng)檢測(cè)到的光敏單元的流值大于這個(gè)值時(shí)，表示在此位置無(wú)物料懸?。恍∮诨虻扔谶@個(gè)值時(shí)，表示有物料在此位置懸浮。 可設(shè)1 和0 分別表示物料的有無(wú)。 如果在測(cè)試范圍的最低位置有物料懸浮，則local[0]=1；如果沒(méi)有物料懸浮，則local[0]=0。

按此算法計(jì)算下去，如果在位置i 上有物料懸浮，則local[0]=1，如果沒(méi)有物料懸浮，則local[0]=0。 對(duì)local[i]=1 的數(shù)組，其平均值即為物料懸浮的平均位置。 根據(jù)此時(shí)PWM 的占空比，計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。 最后根據(jù)公式（4），即可得到物料的懸浮速度。 其程序流程如圖6 所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將懸浮速度機(jī)械測(cè)試裝置與電子信息技術(shù)結(jié)合起來(lái)，采用單片機(jī)控制，利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、光電傳感器、液晶顯示器、鍵盤(pán)、A/D 轉(zhuǎn)換等器件設(shè)計(jì)成了智能化快速式物料懸浮速度測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)門(mén)大小自動(dòng)調(diào)控和確定物料懸浮位置的智能化，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的操作。

圖6 懸浮速度計(jì)算模塊流程圖Fig.6 Suspension speed computed flow-process

本課題的難點(diǎn)問(wèn)題在于利用光電傳感器來(lái)確定物料的具體位置。 由于物料形狀的不規(guī)則和質(zhì)量不均勻性，導(dǎo)致物料在錐形觀察筒中上下浮動(dòng)，使得難以得到物料的具體位置，增加了測(cè)量的難度。

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