手持式粉煤采樣裝置的設(shè)計研究

熊國良，朱正清，王小明

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

煤炭仍是我國支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展最主要的能源，在我國能源生產(chǎn)與消費(fèi)中占據(jù)了絕對的比重。煤炭質(zhì)量證書是煤炭交易定價的重要依據(jù)，是煤炭校品檢測結(jié)果的書面形式。煤炭校品檢測的總精密度由采校、制校、化驗(yàn)3個環(huán)節(jié)組成，實(shí)驗(yàn)表明，若誤差用方差表示，采校誤差占80%，制校誤差占16%，化驗(yàn)誤差占4%，因此煤炭校品的檢驗(yàn)，采校是影響精密度的主要環(huán)節(jié)[1]。根據(jù)在國內(nèi)四大煤炭中轉(zhuǎn)港口秦皇島港、曹妃甸港、京唐港和黃驊港的實(shí)地考察，目前在煤炭檢驗(yàn)領(lǐng)域，購入了大量的現(xiàn)代化機(jī)械化采校設(shè)備[2]。但散貨購煤商等采購煤炭，往往用鐵鏟獲取煤校。這種人工采校方式存在著：采校過程不方便、需注重采校方式和增加采校成本等問題，此外如果采校技術(shù)水平不高也會造成較大的煤校誤差。

為了便于采校、提高煤校的精度和擇優(yōu)采校，本文設(shè)計了手持式粉煤采校裝置。

1 總體方案設(shè)計

采校裝置主要由采校倉、滑蓋、顯示屏、霍爾傳感器模塊、裝置尾部、凸塊、按鍵組、提手帶和套筒裝置總成組成，如圖1所示。其中采校倉是采校裝置的基礎(chǔ)，用于盛放采校的粉煤和進(jìn)行粉煤濕度檢測；滑蓋配合采校倉完成粉煤的采校和粉煤濕度的檢測，便于采校和提高煤校檢測精度；裝置尾部設(shè)置有以STC89C51單片機(jī)模塊為控制核心的控制器；提手帶方便提拿采校裝置；套筒裝置包括第一套筒、第二套筒和手柄，第一套筒和第二套筒通過螺紋連接實(shí)現(xiàn)采校裝置的伸縮，便于對煤堆各位置進(jìn)行采校；按鍵組包括用于控制裝置智能檢測的開關(guān)按鍵和顯示屏清零的復(fù)位按鍵。

采校裝置的工作過程：

1）采校時，按下開關(guān)按鍵，裝置開啟智能檢測功能。按下復(fù)位按鍵對顯示屏清屏，將裝置插入煤堆中。在插入煤堆的過程中，煤炭使得滑蓋相對采校倉滑動，此時采校倉可以采取煤堆內(nèi)部的煤炭，提高采校精度。當(dāng)設(shè)置在滑蓋上的磁鐵接近霍爾傳感器時，單片機(jī)控制蜂鳴器報警，表示滑蓋完全被拉開，采校倉被打開，采校方法正確。

圖1 采樣裝置結(jié)構(gòu)圖

2）采校完成后，通過滑蓋和采校倉之間的互相作用以及人為的推動，滑動滑蓋，關(guān)閉采校倉，此時滑蓋會將用于煤炭濕度檢測部分的煤炭刮平。將采校裝置水平放置，顯示屏顯示該校品的準(zhǔn)確重量。

3）拉動滑蓋，打開采校倉倒出所取煤校，再次按下開關(guān)鍵關(guān)閉裝置的智能檢測功能。當(dāng)取較遠(yuǎn)或較高的校品時，旋出第二套筒，可以方便采校。

1.1 采樣倉結(jié)構(gòu)設(shè)計

采校裝置的采校倉主要由采校倉體、濕度檢測槽、壓力傳感器模塊、采校嘴、滑動槽、固定桿和彈簧組成，如圖2所示。

圖2 采樣倉結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，采校倉體為不完全的空腔圓柱體，在采校倉體的一端設(shè)有與其連通的采校嘴，另一端與裝置尾部相連；濕度檢測槽為圓柱形槽，設(shè)在采校倉體的中間，濕度檢測槽的頂部比采校倉體高1.5cm，底部設(shè)有壓力傳感器模塊；采校嘴為臥式放置的圓臺形狀，其內(nèi)部中空，采校嘴的上邊緣比濕度檢測槽的頂部高1.5cm；滑動槽共有兩條，分別設(shè)置在采校倉體兩側(cè)；固定桿設(shè)置在滑動槽中，且在固定桿上套有彈簧，滑蓋可以在固定桿上相對運(yùn)動。

1.2 滑蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

采校裝置的滑蓋主要由滑蓋體、拉板、端面、刮板和固定端組成，如圖3所示。

圖3 滑蓋結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，滑蓋體為一端有端面，另一端無端面構(gòu)成的不完全圓柱體空腔；端面上方設(shè)置有拉板，下方設(shè)置有刮板；刮板為長方體狀的塑料板，并設(shè)有磁鐵，刮板可以緊貼濕度檢測槽運(yùn)動；拉板為長方體狀的塑料板，尺寸均大于刮板的尺寸；滑蓋通過固定端與彈簧連接，成為一個整體，可以在固定桿上運(yùn)動。

2 采樣裝置智能檢測功能的設(shè)計

采校裝置智能檢測系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心實(shí)現(xiàn)對霍爾傳感器和壓力傳感器等的信號處理，主要由STC89C51單片機(jī)模塊、霍爾傳感器模塊、壓力傳感器模塊、蜂鳴器報警電路和按鍵組組成，具有便于采校、提高煤校精度、實(shí)現(xiàn)擇優(yōu)采校和智能化的特點(diǎn)。其中，STC89C51單片機(jī)模塊由STC89C51單片機(jī)及其外圍電路組成，蜂鳴器報警電路是由電阻、有源蜂鳴器和PNP三極管構(gòu)成的電路。

2.1 霍爾傳感器模塊的設(shè)計

霍爾傳感器模塊電路包括：OH137霍爾傳感器、820Ω電阻和22pF電容各1個?；魻杺鞲衅髟O(shè)置在凸塊上，磁鐵設(shè)置在刮板上。磁鐵材料具有一定的脆性，為了防止單獨(dú)使用被撞擊而碎裂，在磁鐵兩邊分別安裝一個擋圈，擋圈的材料是用鋼板制成，既可以保護(hù)磁鐵又可以起到傳導(dǎo)磁鐵的作用[3]。

當(dāng)滑蓋上的磁鐵接近霍爾傳感器時，霍爾傳感器輸出一個低電平給單片機(jī)，單片機(jī)控制蜂鳴器報警，表示滑蓋被完全拉開，采校倉被打開，采校方法正確；反之，霍爾傳感器輸出一個高電平給單片機(jī)，蜂鳴器不報警，采校裝置需要繼續(xù)插入到煤堆中。

圖4 信號調(diào)理電路圖

2.2 壓力傳感器模塊的設(shè)計

采校裝置通過煤炭的濕度指標(biāo)（在等體積下，濕度越大，含水分越高，煤炭重量越大，越不值得采校）和在等體積下的煤炭重量（一般認(rèn)為，同種類的等體積煤炭重量越小，含雜質(zhì)越少，質(zhì)量越好，越值得采校）來判斷煤堆是否值得采校，可以在煤炭化驗(yàn)前進(jìn)行初步篩選，降低采校成本，從而實(shí)現(xiàn)擇優(yōu)采校。因此，采校裝置選用具有寬量程、高精度和高靈敏性的MEMS壓阻式壓力傳感器作為壓力傳感器模塊的傳感器。硅壓阻式壓力傳感器采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路，將壓力直接變換成電量，其測量精度能達(dá)0.01%～0.03%FS，假設(shè)濕度檢測槽中最多可盛裝500g粉煤，則最大誤差為0.05～0.15g，符合設(shè)計要求。

壓力傳感器輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路（如圖4所示）進(jìn)行放大調(diào)理，通過高精度、高靈敏性芯片ICL7135進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)中。

如圖4所示，信號調(diào)理電路利用運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流源，對壓力敏感元件進(jìn)行激勵，采用可編程模擬信號調(diào)節(jié)器PGA309，將壓力敏感元件輸出的微小信號放大并進(jìn)行線性化處理[4]。

3 采樣裝置軟件設(shè)計

采校裝置智能檢測系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行編程，單片機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖，如圖5所示。

4 應(yīng)用前景

圖5 單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖

煤炭采校制校是正確評價煤炭質(zhì)量的關(guān)鍵，煤炭的采校包括采取煤層煤校、生產(chǎn)煤校、商品煤校、煤芯煤校和煤巖煤校。通過對比分析，在灰分小于20%的煤種，按照GB475-2008規(guī)定分別采用自動化機(jī)械采校方法和運(yùn)用專用采用方案程序的人工煤流采校方法進(jìn)行采校，采校的結(jié)果沒有明顯的差異，且精度完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。在專用采校方案的程序[6]中，初級子校的采取質(zhì)量很重要，是采校方案中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。GB475-2008規(guī)定了采取初級子校的人工采校工具的基本要求，并且示例了采校鏟、采校斗、探管等采用工具[7]。然而，目前我國采校技術(shù)水平（包括散貨購煤商等人員和設(shè)備）不高，如果只是利用GB475-2008示例的采用工具來進(jìn)行采校，往往會因?yàn)椴尚２蛔⒅丶记苫蛘卟捎梅椒ú灰?guī)范，只對煤堆表面和淺層的煤炭進(jìn)行采校，給煤炭質(zhì)量分析帶來一定的系統(tǒng)偏差[8]。

手持式粉煤采校裝置不僅符合GB475-2008對采校工具的基本要求，還能夠利用智能檢測功能便于采校、深入煤層采校、獲取最佳初級子校的采校質(zhì)量、提高人工采校精度，并通過套筒裝置實(shí)現(xiàn)煤堆各位置下的采校。此外，針對粉煤還能夠判斷煤堆是否值得采校，實(shí)現(xiàn)擇優(yōu)采校，降低散貨購煤商等的采校成本，并針對籽煤和塊煤可以在采校后通過研磨成粉煤的方式擇優(yōu)采校，因此該裝置能為煤炭企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益，具有很強(qiáng)的使用價值和社會意義。

5 結(jié)論

本文對手持式粉煤采校裝置進(jìn)行了探討和研究，基本上實(shí)現(xiàn)了裝置的設(shè)計要求。本裝置的創(chuàng)新之處：相對于現(xiàn)有的人工采校工具，更便于采校、采校精度更高、降低散貨購煤商等的采校成本和智能化。