膨润土膨胀性能自动检测设备的研发

王志强

（中国非金属矿工业有限公司，北京 100142）

1 引言

我国非金属矿品种多，但性能地区差异大，设备水平相对落后，常用检测指标以人工操作为主，检测人员很大精力消耗在重复简单的劳动中。此外，同种产品由于检测人员操作习惯不同，测试结果可能有很大差异，也经常出现由此产生的争议。

这一点在膨润土关键指标(膨胀指数和耐久性)的测试中表现尤为突出，JG/T 193-2006钠基膨润土防水毯[1]中关于该指标是这样描述的：称取2.00g干燥过200目筛的膨润土试样，分多次放入已加有90mL去离子水的量筒内，每次在大约30s内缓慢加入≤0.1g的膨润土，待膨润土沉至量筒底部后再次添加膨润土，相邻两次时间间隔不少于10min，直至2.00g膨润土完全加入到量筒中，补水至100mL静置24h后读数。

由标准可知，该检测操作并不复杂，但每次检测时间起码3h以上，期间实验人员每10min左右就要把小于0.1g的膨润土在大约30s内加入，很考验人员的耐心，也很影响其他工作；此外，标准中要求膨润土沉至量筒底部后再次添加膨润土，据笔者了解曾有一个检测人员遇到一个难下沉的样品，一个测试操作了一整晚，非常辛苦。

问题不仅仅反映在检测时间过长等问题，更多细节问题在实际操作中会出现。首先，20次以上的加样除非每次都用天平称重，才能保证每次加样基本相同，但这会非常繁杂；其次由于标准语言含糊，即使都在标准的允许范围内加样品操作也会导致测试结果偏差，这种争议很难调和。

以上种种情况都说明该检测简单中存在繁杂，不适合人力操作。为了解决上述问题，笔者研制了一种自动检测设备。

2 自动检测设备原理

2.1 已有设备

目前，国内外微量粉体加样设备主要有重量、体积两种方法。重量法采用检重天平为核心原件，这种设备精确、稳定、自动化程度高，但是高昂的价格让很多用户望而生畏。体积法送料方式主要有螺旋送料、盘式给料、振动给料，但经调查和实际使用发现，普遍存在加样不匀、存料的问题，而且这些设备基本用于长时间稳定供料，并不适应膨润土指标的检测。同时，由于粉体密度有0.6～0.9mL/g的变化范围，尽管采用此法每次加样的粉体体积大体相同，不同粉体还是会有5～10次的加样差异，加样时间也会有1～2h的差异，不利于统一读数和判断完成时间。

2.2 设备结构

笔者研制的BS-2型膨胀性自动检测设备是在已成型BS-1型设备基础上改进的，已申请专利。原理是采用可以精确控制转动的步进电机通过丝杠、活塞缓慢推动预装在料筒中的粉体，设备结构见图1。

图1 自动检测设备结构

设备采用的步进电机为BS42HB33-01型，步进角度为1.8°，保持转矩0.16N·m，额定电流0.95A；驱动器为AM-2H型，可以将转动角度进行细分为1、2、4、8°，具有脉冲、方向、脱机等控制功能；双头丝杠，螺距4mm；51单片机控制系统，可以在0.01s～99h之间任意调节工作、停止时间，同时可以控制脉冲信号频率从而控制步进电机。

为保证设备实用性，该设备配置了1#、2#、3#、4#四个料筒。

多次试验证明，该设备具有以下特点：加样准确、加料稳定、多因素可调、无噪音震动，特殊的光控系统可以在加样完毕之后报警并自动计时，到点提醒读数。

2.3 设备原理

该设备料筒内径12mm，2g粉料由于堆积密度不同，会导致装入其中的料柱长度的差异。因此，需要在加样前期，通过压力将不同料柱均匀压缩到20mm，每毫米料柱长度对应0.1g物料。可以计算，步进电机每转动360°，丝杆推动4mm、出料0.4g。转动与出料关系见表1。

表1 转动与出料量关系

由表1可以很容易发现电机转动与出料量的关系，由于步进电机的转动是靠脉冲信号引发的，表中总步进数即为脉冲信号数，而脉冲信号频率等很容易在51单片机系统中实现，因此，设备出料量便和脉冲信号紧密联系。以细分数1为例，每一次脉冲信号，通过步进电机和丝杠精确对应出料0.002g，按照标准≤0.1g出料，则单次工作时间脉冲信号数量≤50次即可。

3 试验结果

3.1 稳定性试验

为验证设备的稳定性和重复性，进行了多次试验，设置步进角度1.8°(细分数设置为1)，脉冲信号发射频率2Hz，工作时间分别设置为25s(20次)、20s(25次)、16.67s(30次)、12.5s(40次)，停止时间10min，测试单次加样重量的波动。

图2 20次加样稳定性试验

图3 25次加样稳定性试验

图4 30次加样稳定性试验

图5 40次加样稳定性试验

图6 人工加样稳定性试验

为验证结果，采用人工估计加料法(大多数实验员的操作方法)比对研究，数据见图2至图6。通过试验可以看到设备稳定、精确，各种情况下单次加样量基本相同，远远超过人工估计的精度。

3.2 指标检测

试验进一步研究了人工和自动检测设备在同一料筒(1#)不同加样次数的测试结果，对Ca-HB、Na-HB样品的测试结果列于表2。

表2 人工和设备自动检测结果比较

由表2数据可以看出对于该样品，人工加样和设备加样的指标结果数据基本相同(1mL在误差范围之内)，证明设备数据可采用。

综合测试要求和时间长短，试验选择25次加样，对编号为Ca-HB、Na-HB、Na-XZJ、Ca-LN、Na-LN等5个样品，测试人工、设备加样之后的指标，结果见表3。

由结果可以看出，同一样品采用人工与设备不同料筒测试数据基本相同，数据证明设备检测结果可信。

表3 人工及设备检测结果比较

4 结语

BS-2型膨润土膨胀性自动检测设备是在早期设备基础上研发出的，经多次试验证明该设备完全可以取代人工实现自动加样，同时加样准确、加料稳定、多因素可调、无噪音震动、料停可以报警计时。目前已在我公司内部使用，设备可以将实验员从枯燥乏味的检测工作中解放出来，用更多精力进行研发，该设备适用于膨润土企业、相关科研院所和高校。

经过一段时间的使用，发现该设备依然存在缺陷和需要改进的地方，主要表现在：①加料完毕应该能实现自动读数；②装料过程略显繁琐，应更加简便易行。目前笔者正在进行BS-3型设备的研究，以期解决以上问题。同时也在研究其他行业微量粉体的均匀加样廉价的解决方式。

[1]中华人民共和国建设部.JG/T 193-2006 钠基膨润土防水毯[S].北京:中国标准出版社,20 07.

[2]弭洪涛,曲萍萍,张秀菊.步进电机在高精度位置控制系统中的应用[J].北华大学学报(自然科学版),2003(3):252-254.

[3]吴文英.基于单片机控制的步进电机[J].电子世界,2012(7):55-57.