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膨润土膨胀性能自动检测设备的研发

2013-06-08王志强

中国非金属矿工业导刊 2013年4期
关键词:自动检测膨润土粉体

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.

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