新技術(shù)在氣流儀上的應(yīng)用研究

■ 張明柱 段偉飛

〔陜西省機(jī)械研究院，陜西咸陽712000〕

新技術(shù)在氣流儀上的應(yīng)用研究

■ 張明柱 段偉飛

〔陜西省機(jī)械研究院，陜西咸陽712000〕

棉花纖維細(xì)度的研究從20世紀(jì)60年代就開始探索、研究測定的方法和方式，目前有稱重法測量和氣流法測量。稱重法是測量棉纖維的細(xì)度的好方法，該方法是切取一束定長的一段纖維，稱其重量，計(jì)數(shù)其根數(shù)，從而計(jì)算出棉纖維細(xì)度的平均值。氣流法是通過測試一定管道內(nèi)的棉纖維氣流通過所受的阻力使管道兩端產(chǎn)生壓力來確定其纖維比表面積，從纖維的比表面積與細(xì)度的關(guān)系，間接地求得細(xì)度指標(biāo)，用馬克隆值表示。馬克隆值，就是一定棉纖維在規(guī)定的條件下的透氣性的量度。而棉纖維的比表面與棉纖維的線密度和成熟度的乘積有關(guān)，馬克隆值是棉花成熟度的反映，更能體現(xiàn)棉花的價(jià)值，不是簡單的棉纖維粗細(xì)反映。是棉纖維重要的內(nèi)在質(zhì)量指標(biāo)之一，與棉纖維的使用價(jià)值關(guān)系密切，是很重要的指標(biāo)。研究表明馬克隆值與成紗質(zhì)量和紡紗工藝有關(guān)，可為紡織廠配棉提供準(zhǔn)確依據(jù)，保證紡紗質(zhì)量，對提高和穩(wěn)定紗線質(zhì)量起決定作用。馬克隆值準(zhǔn)確測試，可以減少買賣雙方在質(zhì)量上的糾紛，能有效杜絕以次充好現(xiàn)象，保證棉花優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。馬克隆值的檢測在我國歷來都十分重視，它關(guān)系棉花行業(yè)有關(guān)各方的利益，對棉花收購、加工、儲運(yùn)、交易結(jié)價(jià)意義重大。我國GB1103—1999《棉花細(xì)絨棉》已將馬克隆值列為棉花質(zhì)量考核指標(biāo)，馬克隆值分為A、B、C三級，B級為標(biāo)準(zhǔn)級。由于A級取值范圍為3.7～4.2，品質(zhì)最好；B級取值范圍為3.5～3.6和4.3～4.9；C級取值范圍為3.4及以下和5.0及以上，品質(zhì)最差，因此，提高棉花馬克隆值的檢測精度意義重大。

原有棉花測試馬克隆值的氣流儀研發(fā)于20世紀(jì)70年代。受當(dāng)時(shí)科技水平及國情條件的限制，生產(chǎn)的儀器主要為指針式，后來改進(jìn)為數(shù)字式，幾十年來歷代的氣流儀雖然在采用的機(jī)電技術(shù)方面不斷地有所改進(jìn)，但是其基本型式，特別是數(shù)學(xué)模型一直未做改進(jìn)，導(dǎo)致儀器的測試誤差大。究其原因，筆者發(fā)現(xiàn)主要存在幾個(gè)方面的問題：分度不科學(xué)，非線性問題按線性處理；儀器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)棉校準(zhǔn)操作麻煩，計(jì)算容易出錯(cuò)；高、中、低三段校準(zhǔn)是否合理；采用調(diào)節(jié)氣流、氣壓大小方式，對不同棉樣產(chǎn)生不同影響；以及不同測試手法對測試的影響等。這些問題導(dǎo)致棉花馬克隆測試精度低、誤差大，只有不斷采用先進(jìn)技術(shù)，不斷地研究、實(shí)驗(yàn)，才能解決這些問題，下面就詳細(xì)介紹這方面的內(nèi)容。

一、棉纖維馬克隆的特性及測試原理

棉纖維馬克隆值主要采用氣流儀測試。具體測試方法是用氣流儀來測定恒定重量的棉花纖維在被壓成固定體積后的透氣性，并以該刻度數(shù)值表示，數(shù)值越大，表示棉纖維越粗，成熟度越高。它的理論是依據(jù)流體力學(xué)中的層流理論和苛仁納公式，層流通過一定管道內(nèi)的棉纖維所產(chǎn)生的阻力大小，來確定其比表面積，從棉纖維的細(xì)度與比表面積的關(guān)系，間接地求得細(xì)度指標(biāo)。馬克隆值測試儀器根據(jù)基本原理可分為兩大類：一類為定流量測壓差型，另一類為定壓差測流量型。

目前市場上應(yīng)用的便攜式儀器有兩種：一種是指針式氣流儀，它主要由氣壓天平系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，校正塞和調(diào)節(jié)閥組成，對儀器只能進(jìn)行一次校正，不能直接用棉樣校準(zhǔn)。使用時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)棉樣先測試，測試結(jié)果再與標(biāo)準(zhǔn)棉樣上所標(biāo)的值對比，將其差值在實(shí)際測試樣上進(jìn)行增減，人工計(jì)算，測一次比較麻煩，不分高中低，對測試棉樣有一定誤差。另一種是數(shù)字式氣流儀，是十幾年前開發(fā)的175氣流儀，由數(shù)碼管、單片機(jī)、氣壓傳感器、平衡缸、稱重傳感器、氣泵組成。雖然達(dá)到數(shù)字顯示的要求，但是功能簡單，尤其是校準(zhǔn)麻煩，按鍵操作（要把標(biāo)準(zhǔn)棉樣的標(biāo)準(zhǔn)值和儀器的實(shí)際測試該標(biāo)準(zhǔn)棉樣的值，用按鍵加1的方式輸入到儀器中），同時(shí)還要分高、中、低三個(gè)樣，操作相當(dāng)繁瑣、容易出錯(cuò)。因傳感器精度低、分辨率差、數(shù)學(xué)模型不夠精確，導(dǎo)致儀器誤差大。這些問題隨著新技術(shù)應(yīng)用、進(jìn)一步研究會(huì)很快解決。目前市場已推出觸摸屏式氣流儀解決了這些問題，特別是校準(zhǔn)方面，簡單、方便、更加智能化。

二、采用觸摸屏技術(shù)使校準(zhǔn)簡單方便

根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和馬克隆值的測試方法和原理，因?yàn)轳R克隆值對棉纖維細(xì)度并沒有給出具體的值，像長度或細(xì)度直徑多少微米等，所以儀器校準(zhǔn)比較難。國標(biāo)要求，每天測試前必須對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，原有的儀器校準(zhǔn)麻煩，時(shí)間長、環(huán)節(jié)多，搞不好容易出錯(cuò)，在現(xiàn)實(shí)使用中不能嚴(yán)格按國標(biāo)測試要求做，導(dǎo)致測試誤差大，影響了馬克隆儀器的權(quán)威性。采用觸摸屏技術(shù)解決了目前儀器校準(zhǔn)繁瑣，容易出錯(cuò)等問題。該儀器分為兩次校準(zhǔn)。

第一次校準(zhǔn)就是校正整體的氣壓水平和氣壓傳感器，它是一種粗略調(diào)整。儀器在生產(chǎn)過程中選用的電子器件，平衡缸、氣泵、測試筒等機(jī)械加工件有一定的離散性導(dǎo)致儀器一致性差，出現(xiàn)偏差。儀器本身就要校正，我們把這種校正叫一次校正，儀器在出廠前已做好，正常使用時(shí)不需要。儀器維修后，通過測試，如偏差超出范圍，必須進(jìn)行校正。

第二次校準(zhǔn)就是用國家標(biāo)準(zhǔn)棉樣校準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)際測試，用戶在使用前必須校準(zhǔn)。目前校準(zhǔn)方法是通過國家標(biāo)準(zhǔn)馬克隆棉樣在儀器進(jìn)行實(shí)際測試來校準(zhǔn)該儀器。國標(biāo)規(guī)定對氣流儀校準(zhǔn)，需選用高、中、低三個(gè)國標(biāo)馬克隆值棉樣進(jìn)行測試，通過對標(biāo)準(zhǔn)棉樣高、中、低三個(gè)樣實(shí)際測試結(jié)果與其標(biāo)準(zhǔn)值對比，進(jìn)行其校準(zhǔn)。例如：標(biāo)準(zhǔn)棉樣馬克隆值是4.2，儀器測試為4.0，要調(diào)整儀器氣流參數(shù)或電參數(shù)將測試值到4.2即可。

新型氣流儀采用觸摸屏技術(shù)解決了這一問題，校準(zhǔn)操作簡單。操作畫面如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)樣值輸入框，輸入該樣標(biāo)準(zhǔn)（通過觸摸鍵可增減），實(shí)際測試值框，測試結(jié)果自動(dòng)顯示，按“確認(rèn)鍵”確認(rèn)，分高、中、低區(qū)，測試值與標(biāo)準(zhǔn)值一目了然、操作方便。

圖1 新型氣流儀操作界面

三、采用電動(dòng)加壓技術(shù)的應(yīng)用

采用直線電機(jī)技術(shù)，對試樣筒棉樣平穩(wěn)自動(dòng)加壓，測試一次完成，減少人為操作帶來的誤差，減輕對密封膠圈的損傷，降低了人的勞動(dòng)強(qiáng)度，手動(dòng)操作的儀器要求人手不斷地操作旋塞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加壓用力，對手傷害很大，不能進(jìn)行大量測試。電動(dòng)加壓重復(fù)定位精度高，重復(fù)測試一致性好，減少測試手法對測試結(jié)果的影響。

四、采用高精度微壓傳感器

采用新型進(jìn)口高精度微壓傳感器，分辨率提高，使測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，這是壓力差氣流儀關(guān)鍵所在。通過大量數(shù)據(jù)試驗(yàn)，建立了馬克隆值與氣壓的新型關(guān)系方程式，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，同一個(gè)樣測試數(shù)據(jù)相差不大于0.06。

五、采用高精度電子天平

采用高精度電子天平，使分辨率達(dá)0.01g，精度高、穩(wěn)定性好、校準(zhǔn)方便，測試數(shù)據(jù)送入電腦，對標(biāo)準(zhǔn)重量與實(shí)時(shí)稱的重量的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，對要求標(biāo)準(zhǔn)重量與測試重量的一致性不高，節(jié)約了試樣的稱重時(shí)間，達(dá)到了快速測試的目的。天平設(shè)置有過壓保護(hù)，有效保護(hù)電子天平不易損壞。

圖2 電子稱校準(zhǔn)示意圖

六、存儲技術(shù)

利用智能卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存取、將儀器測得的數(shù)據(jù)結(jié)果送入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理、歸納、存檔非常方便，對系統(tǒng)研究棉花收購質(zhì)量、加工質(zhì)量、存儲質(zhì)量分析提供了依據(jù)和方法。既突破了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用領(lǐng)域，也可在儀器上應(yīng)用WIFI技術(shù)、手機(jī)技術(shù)將測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺上，利用局域網(wǎng)可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊庸S結(jié)算中心，大大提高了工作效率。

綜上所述，新技術(shù)的應(yīng)用提高了儀器的性能，增加了儀器的功能，智能化的控制減少了出錯(cuò)的幾率，降低了人為因素的影響，使儀器儀表更加完善，服務(wù)于社會(huì)?！?/p>