濁度法檢測原砂含泥量

馬旭梁　劉澤宇　李大勇

摘 要：含泥量是原砂質(zhì)量的重要表征參數(shù)之一，含泥量通過影響以原砂為骨料的型砂的性能而影響鑄件質(zhì)量。目前原砂含泥量檢測以國標(biāo)檢測方法為主，因其操作過程繁瑣，耗時較長，不適合鑄造車間配砂現(xiàn)場檢測。在遵循國標(biāo)檢測方法基本原則的基礎(chǔ)上，采用濁度傳感器對渦洗之后的原砂進(jìn)行含泥量測定，開發(fā)了一種測量周期短、自動化程度高的快速檢測方法及裝置。與國標(biāo)檢測方法相比，測試時間減少90%，通過T檢驗證明，與國標(biāo)檢測法測試結(jié)果接近程度為99%。

關(guān)鍵詞：原砂;含泥量;快速檢測;濁度傳感器

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.018

中圖分類號： TG247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）06-0126-05

Turbidity Method for Detecting Mud Content in Base Sand

MA Xu-liang， LIU Ze-yu， LI Da-yong

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin，? 150040，China）

Abstract：The mud content is one of the important characterization parameters of the quality of the base sand. It affects the quality of castings by its effects on the mold sand， in which base sand is the aggregate. At present， the detection of mud content in base sand is mainly based on the national standard detection method， and the operation process is cumbersome and time-consuming， so it is not suitable for on-site inspection in sand mixing shop. Based on the basic principles of the national standard detection method， uses a turbidity sensor to measure the mud content of the base sand after vortex washing， and develops a rapid detection method and device with short measurement period and high degree of automation. Compared with the national standard detection method， the test time is reduced by 90%. Through T-test， it is proved that the test results are 99% close to those of the national standard.

Keywords：base sand; mud content; rapid detection; turbidity sensor

0 引 言

含泥量是原砂質(zhì)量的重要表征參數(shù)之一，對濕型黏土砂性能具有直接影響。含泥量增多致使型砂變脆，起模性變壞，同時也會使砂型的透氣性降低，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔、澆不足等缺陷。因此，為保證鑄件的質(zhì)量，需對原砂含泥量實施檢測和控制[1-10]。

目前，原砂含泥量檢測主要采用GB/T2684-2009規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，這也是目前最普遍的原砂含泥量測量方法[11]。該方法首先根據(jù)懸浮在水中的原砂和泥分的直徑不同，其下降速度也不同的原理使泥分與砂粒在水中形成分層，然后用虹吸管將洗砂杯上部分水和懸浮的泥分吸出。經(jīng)過多次反復(fù)沉降和虹吸，直至將砂樣中的泥分洗凈為止。最后將剩余砂樣烘干、稱量并計算，獲得砂樣含泥量。

該方法主要靠人工操作完成，測量步驟繁雜、耗用時間長，一般用于實驗室檢驗，不適合生產(chǎn)現(xiàn)場隨時檢測。為此，本文設(shè)計并試制了一種測試周期短、自動化程度高的原砂含泥量測試裝置。

1 測試原理及實現(xiàn)方法

1.1 原砂含泥量濁度法測試原理

渾濁度是水體物理性狀指標(biāo)之一。它是由水中存在顆粒物質(zhì)如黏土、污泥、膠體顆粒、浮游生物及其他微生物所致，用以表示水的清澈或渾濁程度。水中的不溶解物質(zhì)越多，渾濁度也越高。

國標(biāo)檢測方法本質(zhì)上是通過渦洗+虹吸將原砂中的泥分排除出，然后測量被排除固體占總固體質(zhì)量的百分比，以此計算含泥量。洗砂過程中洗砂杯中混合液的渾濁度與混合液中含泥量存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，因此可用洗砂杯內(nèi)混合液體的渾濁程度表征混合液中的含泥量，進(jìn)而用其表征被測原砂的含泥量，稱為濁度檢測法[12-13]。

1.2 原砂含泥量濁度法檢測的實現(xiàn)方法

洗砂杯內(nèi)的混合液經(jīng)攪拌并靜置一段時間后，懸浮于水中的泥分使得混合液具有一定的渾濁度，渾濁程度可由濁度傳感器測得。濁度傳感器是一種光學(xué)傳感器，主要應(yīng)用于水質(zhì)檢測[14-18]，其內(nèi)部有IR958和PT958封裝的紅外對管，對管平行放置，紅外對管的發(fā)射端發(fā)出光線，光線的透過量取決于水中懸浮顆粒量，水質(zhì)渾濁度越高表明水中的懸浮顆粒越多，透過的光線也越少。紅外對管的接收端將透過的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓，水質(zhì)越清晰，電壓值越高，反之，水質(zhì)越污濁，則電壓值越低。因此，通過測量紅外對管的接收端電壓，即可計算出洗砂杯中液體的污濁程度，并間接測得被測原砂的含泥量。

圖1 為濁度傳感器檢測原理圖，當(dāng)濁度傳感器浸入液體后，由濁度傳感器左側(cè)發(fā)射檢測光，光在液體中發(fā)生散射，其光線散射量與液體中的懸浮粒子量或膠體量成正比，剩余光線穿越被測液體到達(dá)右側(cè)的光電接收端，接收到的光強(qiáng)度代表液體的渾濁度。被測液體完全透明時，濁度散射量為0%，濁度傳感器輸出電壓達(dá)到最大值;而在被測液體完全隔光時，濁度散射量為100%，濁度傳感器輸出電壓為最小值。圖2為實驗中所用濁度傳感器實體圖，其工作電壓為 5V，最大工作電流30mA，響應(yīng)時間小于500ms，可在-30℃～80℃溫度范圍內(nèi)工作，適合渦洗后洗砂杯內(nèi)液體的濁度檢測[19-21]。

2 測試裝置構(gòu)成及標(biāo)定

2.1 測試裝置構(gòu)成

根據(jù)上述測試原理，搭建了基于濁度傳感器的原砂含泥量測試裝置，該裝置主要由洗砂杯、傳感器、操作面板和數(shù)據(jù)采集與處理單元組成，檢測裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集與處理單元對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，結(jié)果顯示于操作面板的顯示屏上。

因洗砂杯中不同高度處混合液的渾濁度會有差異，為保證測試精度，必須保證每次測量時渾濁度傳感器處于同一位置，本測試裝置設(shè)計了傳感器固定桿用于限定傳感器位置。

根據(jù)濁度傳感器的工作原理，自然光的強(qiáng)弱及變化將影響傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確度。為消除自然光對濁度檢測的影響，檢測裝置中設(shè)計了避光罩。

此外，為了減少每次檢測時水本身濁度的影響，采取了兩方面的措施，一是采用蒸餾水，二是對水本身濁度進(jìn)行檢測，作為零點校核，在測試中增加零點校核步驟。

使用圖3所示檢測裝置測定原砂含泥量的操作程序如下，打開檢測裝置開關(guān)，使傳感器通電，在容量為600mL的專用標(biāo)準(zhǔn)洗砂杯中，加入400mL蒸餾水（約為刻度線高度的三分之二處），放入檢測裝置避光罩內(nèi);按下“零點”按鈕，數(shù)據(jù)采集與處理單元自動記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)，并作為裝置標(biāo)定零點值供后續(xù)含泥量測試時使用;取出洗砂杯，將稱好的50g被測原砂放入洗砂杯中，并將其放置在洗砂機(jī)托盤上鎖緊，以轉(zhuǎn)速4000r/min渦洗15min;取下洗砂杯，向杯中加入蒸餾水至標(biāo)準(zhǔn)高度125mm刻度線處，并用玻璃棒攪拌約30s;將洗砂杯放回檢測裝置避光罩中，靜置10min后按下操作面板上的“測試”按鈕，顯示屏即顯示原砂含泥量檢測結(jié)果。

2.2 測試裝置的標(biāo)定

濁度傳感器法原砂含泥量檢測裝置標(biāo)定，即建立原砂含泥量與渦洗后洗砂杯內(nèi)混合液體渾濁度之間的對應(yīng)關(guān)系，可通過配制不同含泥量的試驗用砂和檢測所對應(yīng)的渾濁度建立數(shù)學(xué)模型。

標(biāo)定用不同含泥量（0.1%～1.0%）的配制砂是通過含泥量為1.0%的原砂和洗凈砂配制而成的，其配比如表1所示。

為保證所配制原砂含泥量的準(zhǔn)確性，用國標(biāo)檢測法對所配制的含泥量為0.3%、0.6%、0.9%三個組別的實驗用砂分別進(jìn)行了測試，測試結(jié)果得出的含泥量值與所配實驗用砂的含泥量值一致。

然后對所配制好的不同含泥量的實驗用砂分別進(jìn)行渾濁度的測定，其結(jié)果如表2所示。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 原砂含泥量-渾濁度關(guān)系數(shù)學(xué)模型

利用matlab對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖4所示。

擬合結(jié)果經(jīng)過零點校核變形得到：

y=-0.9784x+k（1）

式中：x為含泥量，y為濁度測量值，k為清水的濁度測量值。

將擬合的曲線作為含泥量與渾濁度測量值之間的數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系，從而導(dǎo)出本方法測量含泥量為

x=-1.022y+1.022k（2）

3.2 原砂含泥量的對比測試結(jié)果

為驗證基于濁度傳感器的原砂含泥量測試方法的準(zhǔn)確性，分別利用該方法和國標(biāo)檢測法對未知含泥量的原砂進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)檢測法與快速檢測法所得實驗數(shù)據(jù)分別服從正態(tài)分布N（μ1，σ21）和N（μ2，σ22）。其中：μ1、μ2為總體均值，σ21、σ22為總體方差。

在顯著性水平α=0.01下，進(jìn)行原假設(shè)為μ1=μ2的假設(shè)檢驗，由表3可知：

標(biāo)準(zhǔn)檢測法：

n1=6，X-=0.847，S21=0.00427（3）

快速檢測法：

n2=6，Y-=0.852，S22=0.0005（4）

其中：n1、n2為樣本容量，X-、Y-為樣本均值，S21、 S22為樣本方差。

對其進(jìn)行T分布假設(shè)檢驗，檢驗統(tǒng)計量為：

T=X--Y-SW1n1+1n2～t（n1+n2-2）（5）

其中：

SW=（n1-1）S21+（n2-1）S22（n1+n2-2）（6）

將式（3）和式（4）代入式（6），計算結(jié)果代入式（5）得：

|t|=|X--Y-|SW1n1+1n2 =0.177（7）

經(jīng)查表可知：

|t|=0.177< t0.005（10）= 3.1693（8）

故兩種測試方法在顯著性水平α=0.01下無顯著差異。這說明在T檢驗條件下，兩種檢測法檢測所得的原砂含泥量結(jié)果一致性好，相似程度為99%，說明本方法測試精度較高。

此外，標(biāo)準(zhǔn)法測定原砂含泥量的主要過程為預(yù)熱、稱量、洗砂、虹吸、過濾、烘干、稱量、計算，整個過程大約需要5 h。而基于濁度傳感器的原砂含泥量檢測方法主要過程為稱量、洗砂、測試，省去了繁瑣的反復(fù)虹吸渦洗過程，省時省力，且不需使用電烘箱，減少了能源損耗。在測量時只需要進(jìn)行一次渾濁度的測定即可直接測出原砂含泥量，整個過程只需0.5 h。比標(biāo)準(zhǔn)法減少時間90%。

4 結(jié) 論

1）在遵循原砂含泥量國標(biāo)檢測方法原則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于濁度傳感器的原砂含泥量快速檢測新方法，可實現(xiàn)原砂含泥量生產(chǎn)現(xiàn)場快速檢測。

2）設(shè)計和試制了一種基于濁度傳感器的原砂含泥量測試裝置，試驗確定了原砂含泥量與渾濁度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，與標(biāo)準(zhǔn)檢測方法相比，采用新裝置測定原砂含泥量速度提高90%。

3）分別利用標(biāo)準(zhǔn)檢測方法和基于濁度傳感器的檢測方法對原砂含泥量進(jìn)行了測試，經(jīng)T檢驗表明，兩種檢測方法所得的檢測結(jié)果相似度為99%。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2019-03-10

基金項目： 黑龍江省自然科學(xué)基金（E2018045）.

作者簡介：

馬旭梁（1973—），男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師;

劉澤宇（1995—），男，碩士研究生.

通信作者：

李大勇（1958—），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail： dyli@hrbust.edu.cn.