一種全自動(dòng)粗細(xì)集料含泥量測(cè)定儀設(shè)計(jì)

孫玉齊，鄭木蓮，薛 茹

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，楊凌 712100；2.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；3.陜西交通建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程有限公司，西安 710119）

0 引言

近些年建筑業(yè)發(fā)展迅猛，工程材料使用量迅速增加，高質(zhì)量建筑原材材料由于其自然屬性導(dǎo)致存量急劇下降，使拌合站不得不選擇質(zhì)量一般的粗細(xì)集料。粗細(xì)集料占混凝土體積的70%以上，對(duì)混凝土性能有著重要的影響[1]。含泥量是質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[2,3]中最基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)，含泥量的大小將影響混凝土拌合物性能和后期強(qiáng)度[4～6]。試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性將影響材料選擇和施工過(guò)程的質(zhì)量控制，對(duì)建筑的質(zhì)量至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出的混凝土用粗細(xì)集料含泥量自動(dòng)測(cè)定儀，可以達(dá)到全自動(dòng)化試驗(yàn)和可視化控制[7]參數(shù)設(shè)定界面調(diào)整相結(jié)合，試驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)處理及儲(chǔ)存輸出智能化為一體。消除以人工清洗和經(jīng)驗(yàn)判斷清洗狀態(tài)作為試驗(yàn)結(jié)果，造成試驗(yàn)過(guò)程中不可控風(fēng)險(xiǎn)增大，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果差異性大的風(fēng)險(xiǎn)。利于減輕試驗(yàn)人員勞動(dòng)量，降低操作經(jīng)驗(yàn)要求。在現(xiàn)代試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)中有深遠(yuǎn)意義。

1 儀器總體設(shè)計(jì)方案

粗細(xì)集料含泥量全自動(dòng)測(cè)定儀是按照規(guī)范試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)替代人為操作，排除了干擾試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性因素。把清洗、干燥、稱量和數(shù)據(jù)處理過(guò)程利用中央控制系統(tǒng)進(jìn)行集中管理控制，形成全自動(dòng)化試驗(yàn)和可視化控制參數(shù)設(shè)定的智能試驗(yàn)儀，其中央控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中央控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

儀器包括硬件的的8個(gè)不同功能單元和軟件的一個(gè)中央控制系統(tǒng)（PAC）。各功能單元同中央控制系統(tǒng)（PAC）[8]之間的信號(hào)關(guān)系如圖1中箭頭所示。實(shí)體結(jié)構(gòu)框架為圓柱形保溫箱，將各功能單元依據(jù)功能需要合理布置在內(nèi)外結(jié)構(gòu)體上。自動(dòng)稱量單元只將最初干燥粗細(xì)集料質(zhì)量值和清洗干燥后終值反饋給中央控制系統(tǒng)[9]。給水單元接受中央控制系統(tǒng)信號(hào)完成開(kāi)關(guān)給水過(guò)程。自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元接受中央控制系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉[10]。清洗單元接收信號(hào)后進(jìn)行儀器內(nèi)部清洗。水位測(cè)定信號(hào)單元發(fā)出水位信號(hào)到中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)編碼程序發(fā)出信號(hào)給排水單元進(jìn)行排水。水質(zhì)單元將清洗粗細(xì)集料水的水質(zhì)數(shù)值反饋給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)數(shù)值確定是否繼續(xù)清洗粗細(xì)集料。自動(dòng)加熱測(cè)溫系統(tǒng)接收中央控制系統(tǒng)信號(hào)[11]進(jìn)行加熱烘干粗細(xì)集料，當(dāng)測(cè)溫反饋信號(hào)達(dá)到規(guī)定溫度時(shí)，中央控制系統(tǒng)控制加熱，保證恒溫狀態(tài)，粗細(xì)集料干燥結(jié)束停止加熱。自動(dòng)稱量單元將質(zhì)量終值反饋給中央控制系統(tǒng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集完成，中央控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)輸出結(jié)果，保存數(shù)據(jù)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)束。

2 各單元結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 自動(dòng)稱量單元

自動(dòng)稱量單元采用懸掛式電子稱量計(jì)，稱量電信號(hào)直接輸入到中央控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)顯示稱量數(shù)值。稱量分為兩階段：1）初值稱量。在最初加入試驗(yàn)材料開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)稱量，中央控制系統(tǒng)獲得初值后記錄儲(chǔ)存數(shù)值，并發(fā)出信號(hào)給水單元和自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元，自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元運(yùn)行抬升懸掛體分離與電子計(jì)量計(jì)連接，初值稱量結(jié)束；2）終值稱量。自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元收到中央控制系統(tǒng)信號(hào)返回原位，懸掛體下降同電子計(jì)量計(jì)連接，稱量出結(jié)果信號(hào)發(fā)送到中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)獲得終值后記錄儲(chǔ)存數(shù)值，并切斷自動(dòng)稱重單元電源。自動(dòng)稱重單元完成一次試驗(yàn)過(guò)程稱重功能。

2.2 給水單元

采用SLGPC5404-04-AC24V-D電磁閥，使用環(huán)境溫度（-5℃～180℃），管直徑1/2英寸。接收到中央控制系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)啟動(dòng)電磁閥向粗細(xì)集料洗篩中注水，達(dá)到設(shè)定水位高度后，激發(fā)水位測(cè)定信號(hào)單元發(fā)出信號(hào)給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)斷開(kāi)電磁閥，停止注水。達(dá)到石料浸泡時(shí)間后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)控制排水系統(tǒng)單元排水和啟動(dòng)給水管電磁閥向砂石洗篩中注水，直至清洗完成斷開(kāi)電磁閥，給水單元一次試驗(yàn)過(guò)程工作完成。

2.3 自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)單元

自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)包括驅(qū)動(dòng)私服電機(jī)及尾部合頁(yè)固定裝置、錐形偏心驅(qū)動(dòng)齒盤、水平圓弧滑動(dòng)導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)軸軸承支座、彈簧復(fù)位裝置和電磁吸附裝置。各結(jié)構(gòu)組合完成懸掛體抬升、懸掛體旋轉(zhuǎn)、及懸掛體的上下晃動(dòng)。

采用私服電機(jī)尾部加合頁(yè)固定裝置，保證電機(jī)及前端提升和懸掛體旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置可以繞合頁(yè)軸沿水平圓弧滑動(dòng)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)。電磁吸附裝置采用XDA-1564-DC24v長(zhǎng)時(shí)間通電長(zhǎng)行程框架推拉式電磁鐵，其吸附力提供水平轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力。轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中借助主動(dòng)齒輪前端設(shè)計(jì)的錐形體將從動(dòng)齒輪抬升，同時(shí)私服電機(jī)根據(jù)中央控制系統(tǒng)的信號(hào)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速[10]，帶動(dòng)懸掛體轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)輪同私服電機(jī)采用偏心連接，使從動(dòng)齒輪同時(shí)可以上下晃動(dòng)[12]。水位達(dá)到規(guī)定高度時(shí)，水位測(cè)定信號(hào)單元發(fā)出信號(hào)給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令停止私服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。達(dá)到浸泡時(shí)間后，伺服電機(jī)根據(jù)中央控制信號(hào)輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)速，開(kāi)始砂石清洗過(guò)程。水質(zhì)測(cè)定單元測(cè)定水質(zhì)數(shù)值達(dá)到要求后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令停止私服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。砂石干燥完成后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉電磁吸附裝置。在電磁吸附裝置另一側(cè)的伺服電機(jī)前部殼體上連接的拉簧裝置將電機(jī)及前端提升和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置水平沿圓弧滑動(dòng)導(dǎo)軌平轉(zhuǎn)回原位，從動(dòng)輪下降，懸掛體同電子稱重懸掛結(jié)構(gòu)結(jié)合。一次試驗(yàn)自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元工作完成。工作關(guān)系流程圖如圖2所示。

圖2 工作關(guān)系流程圖

2.4 水位測(cè)定信號(hào)單元及清洗單元

水位測(cè)定信號(hào)單元利用豎直固定導(dǎo)軌加滑動(dòng)浮塊組成，在不同水位高度設(shè)信號(hào)觸發(fā)裝置，完成上限水位信號(hào)輸出，和下部水位信號(hào)輸出。通過(guò)第一次上限水位輸出信號(hào)被中央控制系統(tǒng)接收，中央控制系統(tǒng)發(fā)出停止注水信號(hào)給給水單元。第二次上限水位輸出信號(hào)被中央控制系統(tǒng)接收，中央控制系統(tǒng)發(fā)出排水信號(hào)給排水單元。當(dāng)水位達(dá)到低位時(shí)，通過(guò)第一次下限水位輸出信號(hào)被中央控制系統(tǒng)接收，中央控制系統(tǒng)發(fā)出打開(kāi)排水單元電磁閥信號(hào)。當(dāng)清洗單元完成清洗，排完水后電磁閥關(guān)閉。

清洗單元主要是在儀器內(nèi)部環(huán)形設(shè)6個(gè)高位噴頭，對(duì)粘結(jié)泥土的網(wǎng)篩和儀器內(nèi)壁進(jìn)行沖洗。采用加壓循環(huán)泵給沖洗噴頭供水。噴頭采用旋噴形式，覆蓋圓柱體內(nèi)部所有外漏部位。控制過(guò)程是中央控制系統(tǒng)收到水位測(cè)試信號(hào)單元高低水位信號(hào)后，發(fā)出指令信號(hào)開(kāi)關(guān)清洗單元電磁閥為噴頭供水。

2.5 排水單元

排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)排水時(shí)間5s～10s，以保證排石時(shí)間不宜太長(zhǎng)，以獲得水的高流速儀器內(nèi)部底板起到一定的清洗作用，也防止污物沉積，并且使清洗單元有足夠清洗時(shí)間。結(jié)構(gòu)上利用電磁閥作為控制閥門，接收中央控制系統(tǒng)的開(kāi)啟關(guān)閉信號(hào)并執(zhí)行。電磁閥采用SLGPC5404-15-AC24V-D電磁閥，使用環(huán)境溫度溫度（-5℃～180℃），管直徑2.0英寸。

2.6 水質(zhì)測(cè)定單元和自動(dòng)加熱測(cè)溫單元

水質(zhì)測(cè)定單元主要是一部型號(hào)為MIK-PTU200的在線水質(zhì)自動(dòng)測(cè)定儀。安裝在水位中值部位安裝一部安裝型號(hào)，當(dāng)水位將水質(zhì)信號(hào)直接傳遞到中央控制系統(tǒng)，當(dāng)水位測(cè)定信號(hào)單元測(cè)定水位達(dá)到上限水位時(shí)，開(kāi)啟水質(zhì)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果直接輸送中央控制系統(tǒng)后，水質(zhì)測(cè)試完成一回測(cè)試關(guān)閉，中央控制系統(tǒng)保留測(cè)試值至下一次測(cè)試結(jié)果替代。當(dāng)水質(zhì)測(cè)試值打到要求值以下時(shí)，觸發(fā)中央控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉給水單元和私服驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)信號(hào)并發(fā)出開(kāi)啟自動(dòng)加熱測(cè)溫單元，水質(zhì)測(cè)試單元完成一次試驗(yàn)。

在容器內(nèi)壁安裝電阻絲和電偶測(cè)溫計(jì)構(gòu)成自動(dòng)加熱測(cè)溫單元。當(dāng)中央控制系統(tǒng)發(fā)出開(kāi)啟信號(hào)后，電阻絲開(kāi)始通電加熱，電偶測(cè)溫計(jì)開(kāi)始測(cè)試溫度并把測(cè)試結(jié)果輸送到中央管理系統(tǒng)。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，中央管理系統(tǒng)控制自動(dòng)加熱測(cè)溫單元使容器內(nèi)部恒溫到設(shè)定時(shí)間長(zhǎng)度后關(guān)閉自動(dòng)加熱測(cè)溫單元。同時(shí)發(fā)出指令斷開(kāi)自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元的電磁吸附裝置電源。自動(dòng)抬升私服驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元返回原位，從動(dòng)輪下降，懸掛體同電子稱重懸掛結(jié)構(gòu)結(jié)合。

3 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)是各系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶，他起到信號(hào)接收存儲(chǔ)信號(hào)并發(fā)出下一步指令的作用。在系統(tǒng)里設(shè)定一些相關(guān)參數(shù)，以控制各單元進(jìn)行下一步的時(shí)間，并根據(jù)稱量結(jié)果的初值和終值計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果并顯示。中央控制系統(tǒng)界面如下圖3所示。中央控制系統(tǒng)可以接入水質(zhì)測(cè)定信號(hào)，電偶溫度計(jì)溫度信號(hào)和水位測(cè)定信號(hào)并根據(jù)編制程序發(fā)出下一步指令信號(hào)。其中：F1為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)定鍵、F2為水質(zhì)參數(shù)設(shè)定鍵、F3為干燥時(shí)間參數(shù)設(shè)定鍵、F4為浸泡時(shí)間參數(shù)設(shè)定鍵。

圖3 中央控制系統(tǒng)界面

中央控制系統(tǒng)，是基于對(duì)象、開(kāi)放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接功能的PAC控制器，能夠滿足粗細(xì)集料含泥量自動(dòng)測(cè)定儀各單元控制需要。利用PAC控制器編程功能，將不同規(guī)范粗細(xì)集料試驗(yàn)程進(jìn)行編程輸入后形成了試驗(yàn)的自動(dòng)化控制。對(duì)參數(shù)的設(shè)定，能夠滿足不同試驗(yàn)要求，提高了儀器的適用面。

4 結(jié)論

本文介紹了全自動(dòng)粗細(xì)集料含泥量測(cè)定儀設(shè)計(jì)方案與各功能單元的工作原理，對(duì)各單元主要發(fā)揮的功能和實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。利用可編程自動(dòng)化（PAC）作為中央控制系統(tǒng)，將各功能單元之間的信號(hào)接收及下一步指令信號(hào)發(fā)送按預(yù)定程序完成?？梢暬膮?shù)設(shè)定界面，為不同試驗(yàn)方法之間轉(zhuǎn)換提供了平臺(tái)。測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果同試驗(yàn)人員測(cè)試結(jié)果擬合度高，儀器長(zhǎng)期使用可靠性良好，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。