光電式籽棉質(zhì)量流量傳感器的試驗(yàn)研究

梁　錦，馬　蓉，張長(zhǎng)龍，石　翔，謝振偉

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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光電式籽棉質(zhì)量流量傳感器的試驗(yàn)研究

梁錦，馬蓉，張長(zhǎng)龍，石翔，謝振偉

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：針對(duì)籽棉在管道中的輸送過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種光電式籽棉質(zhì)量流量傳感器，以實(shí)現(xiàn)籽棉質(zhì)量流量的檢測(cè)。在籽棉質(zhì)量流量試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)該傳感器進(jìn)行了測(cè)試與研究，確定了籽棉質(zhì)量流量和光電傳感器輸出信號(hào)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者的有非常良好的線性關(guān)系，并對(duì)二者進(jìn)行了線性擬合，擬合度R2= 0.99，表明該傳感器是非常具有潛力的。

關(guān)鍵詞：籽棉；質(zhì)量流量傳感器；光電式

0引言

近年來(lái)，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)大力推廣采棉機(jī)，機(jī)采棉的種植面積越來(lái)越大[1-2]。目前，采棉機(jī)械和棉花加工機(jī)械普遍采用管道氣力輸送方式[3-5]，結(jié)合籽棉自身的物料特性，由此可以確定進(jìn)行在線質(zhì)量流量檢測(cè)的最優(yōu)形式為非接觸式測(cè)量。棉花的氣力輸送過(guò)程屬于典型的氣固兩相流稀相流的研究范疇[6]?，F(xiàn)階段，氣固兩相流的非接觸式檢測(cè)方法主要有光電法、靜電法、超聲波法和電容法等[7-10]。鑒于應(yīng)用場(chǎng)合和成本，籽棉質(zhì)量流量檢測(cè)采用光電法比較合適，即利用光衰減或透射性轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓信號(hào)或頻率信號(hào)等信號(hào)輸出的方法是比較合適的檢測(cè)方法。一些學(xué)者已經(jīng)開展了其他原理的籽棉質(zhì)量流量檢測(cè)方法的研究，如差分式電容法[11]、管路壓差法[12-13]、微波法[14]，但這些方法目前仍處于室內(nèi)研究階段。

本文提出了一種基于光電法檢測(cè)籽棉質(zhì)量流量的方法,并設(shè)計(jì)和搭建了籽棉流量試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)。同時(shí)，本文還對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和和田間試驗(yàn)的一些差別進(jìn)行了討論。

1測(cè)量原理及裝置

1.1籽棉流量的光電轉(zhuǎn)換

光電傳感器基本工作原理如圖1所示。發(fā)射傳感器包括發(fā)射端和接收端兩部分：發(fā)射端發(fā)射出固定波長(zhǎng)的光束，通過(guò)平凸透鏡后成為平行的光束，平行光束在穿過(guò)輸棉管橫截面的后達(dá)到輸棉管另一側(cè)的接收端感光區(qū)；接收端由對(duì)應(yīng)的光電感應(yīng)芯片構(gòu)成，通過(guò)安裝在表面的凸透鏡，將發(fā)射器發(fā)出的到達(dá)感光范圍內(nèi)的平行光分別聚焦到光電感應(yīng)芯片的感光體凸點(diǎn)上。如果沒(méi)有棉花通過(guò)輸棉管時(shí)，傳感器輸出的信號(hào)不會(huì)發(fā)生改變；而如果籽棉在通過(guò)光電式傳感器時(shí)，由于光通量的變化，傳感器輸出的電壓將發(fā)生變化。

圖1　光電檢測(cè)原理圖

當(dāng)籽棉在風(fēng)力作用下流過(guò)輸棉管時(shí)，將會(huì)對(duì)光造成衰減，傳感器接收端的信號(hào)減小并產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)艿贸龉鈴?qiáng)的衰減量與籽棉流量大小的關(guān)系。光衰減率為

式中Vp—沒(méi)有棉花通過(guò)時(shí)接收端的輸出電壓；

Vi—有棉花通過(guò)時(shí)接收端的輸出電壓；

φ—光衰減率。

1.2光電傳感器的設(shè)計(jì)及安裝

安光輝在試驗(yàn)臺(tái)上開展了籽棉纖維對(duì)不同波長(zhǎng)的光源的衰減作用的檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)波長(zhǎng)范圍為400～1 100mn。試驗(yàn)結(jié)果表明：940nm的近紅外光源對(duì)籽棉纖維具有良好的衰減特性，且對(duì)棉花品種和含水率不存在顯著關(guān)系[15]。

傳感器包含發(fā)射端和接收端兩個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?；谝陨侠碚摲治?傳感器發(fā)射端陣列選用5個(gè)Vishay公司的TSAL6400的近紅外LED作為光源，其波長(zhǎng)峰值為940nm，工作電流范圍為 20～100mA，具有較高的輻射強(qiáng)度。發(fā)射端的接線圖如圖3所示。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖3　發(fā)射端電路圖

傳感器接收端陣列選用5個(gè)美國(guó)德州光電儀器公司(TIAO)生產(chǎn)的光電轉(zhuǎn)換器TSL260R，可根據(jù)接收到光強(qiáng)的強(qiáng)弱,線性輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)。每個(gè)TSL260R的信號(hào)線分別接向數(shù)據(jù)采集模塊的對(duì)應(yīng)通道。接收端的接線圖如圖4所示。

為了便于傳感器安裝，在輸棉管中部位置的上表面和下表面開了4個(gè)133mm×51mm的槽，安裝的位置如圖6所示。在本次試驗(yàn)中，輸棉管上安裝了兩套傳感器，分別為傳感器1和傳感器2。

圖4　接收端電路圖

1.3電壓信號(hào)的采集及軟件

試驗(yàn)中，電壓信號(hào)的采集使用的是USB7325A型高速光電隔離型模入數(shù)據(jù)采集模塊(北京中泰研創(chuàng)有限公司)，可進(jìn)行多路信號(hào)采集，采集的電壓范圍為0～4V、0～5V、0～10V、±3V、±5V、±10V，可采集16組數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)中選擇的范圍是0～10V。傳感器1接收端和數(shù)據(jù)采集模塊的3～7通道相連，傳感器2接收端和8～12通道相連。數(shù)據(jù)采集軟件的采用的是LabView軟件，主要包括通訊參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線圖及數(shù)據(jù)保存等功能，數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示。

圖5　時(shí)性數(shù)據(jù)采集界面

2籽棉流量檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

籽棉流量試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。該試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)盡量和現(xiàn)有的采棉機(jī)上氣力輸送部分保持一致。試驗(yàn)臺(tái)主要由風(fēng)機(jī)、喂棉箱、輸棉管道、流量控制器、儲(chǔ)棉箱和高精度電子秤組等組成。風(fēng)機(jī)選用的是5-29-350型離心風(fēng)機(jī)(新疆永通風(fēng)機(jī)廠，380V)，額定轉(zhuǎn)速3 150r/min，流量為3 876m3/h，全壓3 555Pa。與之配套的電機(jī)采用的是西安西瑪電機(jī)有限公司的Y100M2-2型電機(jī)，額定功率為15kW。經(jīng)過(guò)測(cè)定，出口的風(fēng)速為35m/s，和采棉機(jī)上的風(fēng)速大致接近。

喂棉箱中包含兩個(gè)喂花輥，其旋轉(zhuǎn)方向相反，能將籽棉比較均勻地喂入到輸棉管中。喂花輥驅(qū)動(dòng)由1001-6型(凱利達(dá)防爆電機(jī)，380V)可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)，經(jīng)過(guò)變速后與鏈輪同軸的喂花輥?zhàn)畲筠D(zhuǎn)速為34r/min。變頻器與該電機(jī)相連，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器上的旋鈕來(lái)調(diào)整喂花輥的轉(zhuǎn)速，從而控制籽棉流量。

圖6　試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1試驗(yàn)方法及步驟

先后打開風(fēng)機(jī)電機(jī)開關(guān)和喂棉電機(jī)開關(guān)，等棉花流量比較均勻時(shí)開始測(cè)量并采集數(shù)據(jù)。籽棉通過(guò)輸棉管，傳感器采集到信號(hào)，籽棉最后進(jìn)入儲(chǔ)棉箱中。儲(chǔ)棉箱的下方安裝有高精度的電子秤，用來(lái)稱量?jī)?chǔ)棉箱中籽棉的質(zhì)量。調(diào)節(jié)變頻器來(lái)改變籽棉流量的大小。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，每次測(cè)量的時(shí)間分為30、60、90、120、150、180s。每個(gè)時(shí)間段的試驗(yàn)重復(fù)4～5次，每次重復(fù)試驗(yàn)時(shí)都會(huì)對(duì)流經(jīng)管道的棉花進(jìn)行稱重。

輸棉管的截面是保持固定的，棉花的質(zhì)量流量按每次試驗(yàn)的棉花總質(zhì)量除以時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為

式中m—每次試驗(yàn)時(shí)通過(guò)；

t—每次進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)間；

Q—籽棉的質(zhì)量流量。

其它籽棉流量的大小的標(biāo)定也按照這種方法進(jìn)行。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

在正常情況下，試驗(yàn)臺(tái)的總體運(yùn)行情況良好?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)變頻器實(shí)線籽棉流量的改變，滿足籽棉流量室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)的要求。然而，當(dāng)變頻器的數(shù)值為5或者更高時(shí)，籽棉有時(shí)候會(huì)堵塞在輸棉管的入口處，則需要一臺(tái)更大容量的風(fēng)機(jī)來(lái)測(cè)量更大的籽棉流量。當(dāng)變頻器的數(shù)值為3.0時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)每分鐘能輸送3.94kg籽棉；變頻器數(shù)值為4.0和4.5時(shí)，每分鐘分別能輸送籽棉的質(zhì)量為8.43kg和9.48kg。變頻器的數(shù)值分別設(shè)置為3.0、4.0、4.5時(shí)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。通過(guò)分析這3組試驗(yàn)結(jié)果可知：試驗(yàn)時(shí)間和籽棉的質(zhì)量有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。

圖7　試驗(yàn)時(shí)間與通過(guò)籽棉的質(zhì)量(1)

圖8　試驗(yàn)時(shí)間與通過(guò)籽棉的質(zhì)量(2)

圖9　試驗(yàn)時(shí)間與通過(guò)籽棉的質(zhì)量(3)

光電式籽棉流量傳感器的測(cè)試結(jié)果如圖10、圖11和圖12所示。通過(guò)輸棉管的籽棉質(zhì)量與傳感器的輸出信號(hào)有非常好的線性相關(guān)性。圖10的輸出信號(hào)是傳感器1和傳感器2輸出信號(hào)的總和與輸送籽棉自量的關(guān)系，表明通過(guò)的籽棉質(zhì)量和總的輸出信號(hào)的線性擬合度R2= 0.99；圖11所示是只有傳感器1的輸出信號(hào)與輸送籽棉質(zhì)量的關(guān)系；圖12為只有傳感器2的輸出信號(hào)。由此可知：通過(guò)的籽棉質(zhì)量與兩個(gè)單獨(dú)的傳感器輸出信號(hào)同樣有一個(gè)非常高的線性相關(guān)性(R2=0.99)。通過(guò)兩套傳感器進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果可知：使用一套傳感器即能獲得比較準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明：該傳感器對(duì)棉花測(cè)產(chǎn)具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖10于 籽棉質(zhì)量和傳感器輸出信號(hào)的關(guān)系

圖11　籽棉質(zhì)量和傳感器輸出信號(hào)

圖12　籽棉質(zhì)量和傳感器輸出信號(hào)

4討論

1)通過(guò)多次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)中用來(lái)測(cè)試的籽棉在通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)1次后會(huì)纏繞在一起且外形有了一定的改變。這種物理上的形變可能會(huì)影籽棉流量與傳感器測(cè)量結(jié)果的一致性，扭曲后的籽棉的密度明顯會(huì)高于松散的籽棉。當(dāng)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，籽棉物理上的形變也應(yīng)該考慮在其中，不建議將試驗(yàn)樣品棉花使用2次以上。

2)值得注意的是，即使在變頻器的數(shù)值相同的情況下，測(cè)試的結(jié)果也會(huì)有所變化。例如，變頻器的數(shù)值為3.0時(shí)，持續(xù)時(shí)間為60s的籽棉流量比平均流量速率高18.34%；而當(dāng)變頻器的數(shù)值從3.0調(diào)至4.0時(shí)，籽棉流量降低13.20%。該情況在傳感器后期的標(biāo)定時(shí)進(jìn)行考慮。

5結(jié)論

1)當(dāng)變頻器的數(shù)值不同時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間和通過(guò)的籽棉的質(zhì)量有非常良好的線性相關(guān)性，說(shuō)明了試驗(yàn)臺(tái)滿足室內(nèi)研究的要求。

2)通過(guò)的籽棉的質(zhì)量和傳感器的輸出信號(hào)的相關(guān)性非常好，通過(guò)線性擬合，擬合度R2= 0.99，說(shuō)明傳感器具有很好的潛力，利用光電傳感器是可行的。

3)指出了一些室內(nèi)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)的區(qū)別，這些問(wèn)題需要在傳感器的標(biāo)定和優(yōu)化的過(guò)程中予以考慮。

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Experimental Study on Seed Cotton Mass Flow Sensor Based on Optoelectronic Detection

Liang Jin, Ma Rong, Zhang Changlong, Shi Xiang, Xie Zhenwei

(Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：For seed cotton delivery process in the pipeline, a seed cotton mass flow sensor was designed in order to measure mass flow of seed cotton.The sensor was tested on the cotton-harvester-flow simulator with different cotton flow rates, and the relationship between feeder rate and amount of conveyed seed cotton was found to be consistent. It showed that the output signal was very strongly correlated to conveyed cotton weight with a R2of 0.99, indicating that the sensor is very promising.Finally, some differences between laboratory testing and field-testing was noted.

Key words：seed cotton; mass flow sensor; optoelectronic

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0200-05

中圖分類號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：梁錦(1989-),男，四川錦陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)443663612@qq.com。通訊作者：馬蓉(1974-)，女(回族)，新疆石河子人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lzymrhs@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F030305)

收稿日期：2015-07-09