用于土壤機(jī)械組成測(cè)定的自動(dòng)攪拌裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周團(tuán)坤，張 尼，張 瑩，姚谷敏

（西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司，西安710054）

自然土壤的礦物質(zhì)都是由大小不同的土粒組成的，各個(gè)粒級(jí)在土壤中所占的相對(duì)比例或質(zhì)量分?jǐn)?shù)，稱為土壤機(jī)械組成，也成為土壤質(zhì)地。土壤機(jī)械組成不僅是土壤分類的重要診斷指標(biāo)，也是影響土壤水、肥、氣、熱狀況，物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化及土壤退化過程研究的重要因素，還是土壤地理研究、與農(nóng)業(yè)相關(guān)的土壤改良、土建工程和區(qū)域水分循環(huán)過程等研究的重要內(nèi)容[1]。

土壤機(jī)械組成的測(cè)定方法主要有篩分法、沉降法以及激光法等[2]，其中激光法是一種比較新的方法，通過光的Fraunhofer 衍射和Mie 散射理論，采用激光粒度儀測(cè)定土壤樣品中各粒級(jí)顆粒體積的百分含量，相較于篩分法與沉降法，激光法有測(cè)量快速、測(cè)定范圍廣、相對(duì)誤差小等優(yōu)勢(shì)，但是，激光法在測(cè)定黏粒含量較高的土壤樣品時(shí)偏差較大[3-5]。

目前，國(guó)內(nèi)土壤機(jī)械組成測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法中，均采用篩分法和沉降法。環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法是將通過2 mm 篩孔的風(fēng)干土樣制成懸濁液，粒級(jí)大于0.063 mm的顆粒由一定孔徑的篩子篩分，小于0.063 mm 的顆粒依據(jù)斯托克斯定律，采用吸管法或者密度計(jì)（比重計(jì)）法測(cè)定，根據(jù)各粒級(jí)質(zhì)量計(jì)算其百分含量[6]。在測(cè)定前，需要將制成的懸濁液充分?jǐn)嚢璺稚?，目前常用的是人工攪拌方式，使用攪拌器垂直攪拌懸濁? min，上下各30 次。但是采用人工攪拌方式，操作人員攪拌時(shí)的次數(shù)、力度、行程等難以統(tǒng)一控制，從而造成樣品攪拌分散效果不一致，且在大批量樣品測(cè)定時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)效率低?；诖?，本文提出了一種自動(dòng)攪拌裝置，代替人工攪拌方式，避免人工操作引入的誤差，改善土壤樣品攪拌分散效果的一致性，從而提高土壤機(jī)械組成測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度與精密度。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)攪拌裝置是機(jī)電一體化產(chǎn)品，主要由人機(jī)交互界面、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、攪拌組件等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，自動(dòng)攪拌裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

圖2 自動(dòng)攪拌裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of automatic stirring device

2 系統(tǒng)組件

2.1 人機(jī)交互系統(tǒng)

在自動(dòng)攪拌裝置中，采用觸控屏作為人機(jī)交互系統(tǒng)上位機(jī)，通過ModBus 通信協(xié)議與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。在攪拌開始前，可以設(shè)定各項(xiàng)攪拌參數(shù)，如攪拌次數(shù)、攪拌頻率等。在攪拌過程中，可以顯示當(dāng)前的攪拌狀態(tài)。并且可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)人員記錄，用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算。

2.2 控制系統(tǒng)

在自動(dòng)攪拌裝置中，控制系統(tǒng)以STM32F103RC微處理器作為核心控制單元，控制系統(tǒng)設(shè)有：1 路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、2 路位置傳感器觸發(fā)電路、1 路溫度采集電路以及1 路繼電器控制電路?？刂瓢鍖?shí)物如圖3所示。

圖3 控制板實(shí)物圖Fig.3 Physical photo of control panel

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

自動(dòng)攪拌裝置傳動(dòng)系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，由1 臺(tái)57 型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪系統(tǒng)，并與直線導(dǎo)軌連接的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.4 Transmission system

目前，國(guó)內(nèi)常用的關(guān)于土壤機(jī)械組成測(cè)定的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，有農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤檢測(cè) 第3 部分：土壤機(jī)械組成的測(cè)定》、林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤顆粒組成（機(jī)械組成）的測(cè)定》、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)《土壤粒度的測(cè)定 吸管法和密度計(jì)法》 以及土工標(biāo)準(zhǔn) 《土工實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，在以上標(biāo)準(zhǔn)中一般使用1000 mL 無(wú)塞量筒作為土壤樣品懸液的沉降筒。經(jīng)查閱量筒推薦標(biāo)準(zhǔn)，目前1000 mL 無(wú)塞量筒，最高尺寸為430 mm[7]，從市場(chǎng)上購(gòu)買的10 余種1000 mL 無(wú)塞量筒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，最高尺寸為450 mm，基于以上條件，自動(dòng)攪拌裝置中，傳動(dòng)系統(tǒng)最大攪拌行程設(shè)計(jì)為450 mm，以匹配1000 mL 無(wú)塞量筒的尺寸。樣品攪拌時(shí)，可以根據(jù)沉降筒尺寸，通過觸控屏設(shè)置攪拌行程，以達(dá)到最佳的攪拌分散效果。

2.4 攪拌組件

顯然地，攪拌組件的設(shè)計(jì)關(guān)系到最終的樣品懸濁液攪拌效果，在自動(dòng)攪拌裝置中，攪拌組件包括攪拌片、攪拌桿以及彈性組件。

2.4.1 攪拌片

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及市售手動(dòng)攪拌裝置，在本文自動(dòng)攪拌裝置中攪拌片整體采用圓盤結(jié)構(gòu)，盤面上分布若干數(shù)量的篩孔，攪拌片示意圖如圖5所示。

圖5 攪拌片示意圖Fig.5 Schematic diagram of stirring sheet

攪拌時(shí)，通過上下提拉攪拌片來(lái)攪拌土壤樣品懸濁液，顯然，攪拌片的圓盤直徑、篩孔大小、篩孔分布都會(huì)影響最終的攪拌效果。在自動(dòng)攪拌裝置的研究過程中，根據(jù)1000 mL 量筒的尺寸，我們?cè)O(shè)計(jì)了多種規(guī)格攪拌片，如表1所示。攪拌片材質(zhì)選用聚四氟乙烯，耐酸堿腐蝕，不會(huì)影響土壤機(jī)械組成測(cè)定的結(jié)果，各攪拌片對(duì)于攪拌效果見實(shí)驗(yàn)章節(jié)。

表1 攪拌片規(guī)格Tab.1 Specification of agitating sheet

2.4.2 彈性組件

在樣品測(cè)定中，經(jīng)過前處理制備的樣品懸濁液，在重力作用下，放置的時(shí)間不同，會(huì)在沉降筒底部形成不同厚度的沉淀層。固定行程的攪拌方式難以將沉降筒底部的沉淀層充分?jǐn)嚢杵饋?lái)，這將直接影響到土壤機(jī)械組成的測(cè)定結(jié)果?；诖?，在自動(dòng)攪拌裝置中，采用了彈性組件，如圖6所示。

圖6 彈性組件Fig.6 Elastic components

彈性組件的工作原理是當(dāng)攪拌片接觸沉降筒底部以后，傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)攪拌器繼續(xù)向下運(yùn)行，直到將彈簧壓縮至設(shè)定的壓縮量，然后再向上攪拌，如此反復(fù)攪拌30 次。以此來(lái)保證將沉降筒底部可能存在的沉淀層充分?jǐn)嚢璺稚⑵饋?lái)，保證樣品攪拌分散效果的一致性。

2.5 定位組件

定位組件包括上、下兩個(gè)光電傳感器。上傳感器主要實(shí)現(xiàn)攪拌桿初始位置定位，保證每次攪拌時(shí)，攪拌行程的一致性；下傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌桿位置的限制，防止攪拌桿超出設(shè)定攪拌范圍。在自動(dòng)攪拌裝置中，定位組件如圖7所示。

圖7 定位組件Fig.7 Positioning components

2.6 溫度傳感器

在目前國(guó)內(nèi)土壤機(jī)械組成測(cè)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，沉降法測(cè)定原理是斯托克斯定律，在不同的溫度條件下會(huì)引入不同的計(jì)算系數(shù)。因此，在自動(dòng)攪拌裝置中設(shè)計(jì)了基于DS18B20 溫度傳感器。采用的DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 攪拌片測(cè)試

使用了3 個(gè)土壤樣品，按照環(huán)保部關(guān)于土壤機(jī)械組成的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法，對(duì)比不同攪拌片的攪拌效果，密度計(jì)讀數(shù)如表2所示。

表2 不同攪拌片的效果對(duì)比Tab.2 Comparison of effects of different stirring tablets（%）

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，攪拌片直徑太小會(huì)使得有效攪拌面積減小，導(dǎo)致攪拌不充分，攪拌片直徑太大容易在上下提拉攪拌過程中觸碰沉降筒內(nèi)壁。攪拌片上孔數(shù)少，容易導(dǎo)致攪拌時(shí)液體飛濺，且攪拌完成后，液面起伏較大，不利于密度計(jì)快速讀數(shù)。7 號(hào)攪拌片由于攪拌過程中觸碰沉降筒內(nèi)壁導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，沒有數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上來(lái)看，2 號(hào)攪拌片效果最好。

3.2 精密度實(shí)驗(yàn)

由于目前還沒有關(guān)于土壤機(jī)械組成的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，無(wú)法對(duì)自動(dòng)攪拌方式測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，采用對(duì)比人工攪拌與自動(dòng)攪拌測(cè)定結(jié)果的精密度，來(lái)評(píng)價(jià)自動(dòng)攪拌裝置。

按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)行最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)法，分別采用人工攪拌與自動(dòng)攪拌方式，對(duì)14 個(gè)土壤樣品進(jìn)行平行3 次測(cè)定，測(cè)定土壤樣品中2～0.6 mm，0.6～0.212 mm，0.212～0.063 mm，0.063～0.002 mm，<0.002 mm 等粒級(jí)顆粒百分含量，計(jì)算各粒級(jí)質(zhì)量百分含量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差以及極差，來(lái)進(jìn)行精密度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

采用人工攪拌方式，測(cè)定土壤樣品中各粒級(jí)顆粒質(zhì)量百分含量平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差以及極差，結(jié)果見表3；自動(dòng)攪拌裝置測(cè)定結(jié)果見表4；人工攪拌方式與自動(dòng)攪拌方式測(cè)定統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用自動(dòng)攪拌方式，測(cè)定結(jié)果中各粒級(jí)土壤顆粒質(zhì)量含量百分比平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、極差，均優(yōu)于人工方式測(cè)定結(jié)果，自動(dòng)攪拌方式精密度優(yōu)于人工攪拌方式。

表3 人工攪拌方式測(cè)定數(shù)據(jù)Tab.3 Manual stirring method measurement data（%）

表4 自動(dòng)攪拌方式測(cè)定數(shù)據(jù)Tab.4 Automatic stirring method measurement data（%）

表5 人工攪拌與自動(dòng)攪拌測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.5 Manual stirring and automatic stirring measurement result statistics（%）

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行土壤機(jī)械組成測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，采用垂直提拉攪拌器的方式，在1 min 內(nèi)，上下攪拌30 次土壤樣品懸濁液，設(shè)計(jì)了自動(dòng)攪拌裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品懸濁液的攪拌分散，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用自動(dòng)攪拌裝置對(duì)樣品懸濁液的攪拌分散效果優(yōu)于人工攪拌方式，提高了土壤機(jī)械組成測(cè)定結(jié)果的精密度。自動(dòng)攪拌裝置適用于大批量土壤樣品的檢測(cè)分析，能顯著降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了由人工攪拌帶引入的人為誤差，提高檢測(cè)分析效率。