微量粉体超声输送装置设计研究

赵红芳

摘要：基于节能减排的微量粉体超声输送装置，包括机械系统、称量系统、驱动系统、定量控制系统等；该方案利用压电超声振动在细管管壁上激起的衰减行波输送粉体，通过定量控制系统保证粉体的精确定量输送，通过不同的输出电压达到粉体输送速率的控制，满足了食品、化工、陶瓷、制药等工业领域和实验室中对新型粉体输送装置的迫切需求，具有低成本、低能耗、低排放、高效率的优点，从而达到节能减排效果。同时，该方案较传统的输送装置节能效果显著，针对微量粉体输送领域具有很大的市场空间及推广价值。

关键词：压电陶瓷、超声波、定量输送、微粒控制和输送、节能降耗

1.研制背景及意义

如今，在对微细粉体微量、少量及定量输送过程中，一些企业仍然采用传统输送方式和输送装置来作业。而传统粉体输送系统的设备主要分机械输送及气力输送，存在着噪音大、响应慢、结构复杂、输送精度低、可靠性差、磨损严重、维修工作量大等缺点，已不能完全满足现代产业的生产需求。

本文设计的输送装置体积小，低能耗高效率，运输粉体的种类多，成本低且应用广泛。实验用超声波发生器的功率为600W，输出电压可调时每片压电陶瓷片的使用功率不到100W，当两片压电陶瓷片并接时在同等电压下具有更高的输送速率，即将近200W 的功率最长实现粉体280mm的运输，主要装置总的成本1500元左右。装置能实现自动化定量输送，且装置由超声波作为驱动源，无人体可感受的噪音。因此，超声粉体输送装置的运用有其独特的优势及其广泛的意义，具体表现在：低能耗高效率，降低空气污染和减少原料浪费；结构简单，尺寸小、输送速率高、易控制、易于加工制作；实用性更广，可应用于多个领域。

2.工作原理及用途

2.1 整个装置工作原理

整个装置通过超声电源驱动器产生高频电压（频率范围20kHz-40kHz），高频电压作用在压电陶瓷环上，压电陶瓷圆环由于存在逆压电效应使得当频率达到其谐振频率时引起压电陶瓷环径向伸缩谐振，与压电陶瓷圆环相连接的有机玻璃传输细管则产生径向伸缩的受迫振动，从而形成衰减的机械应力行波，在进料段形成的反射机械波作用于料仓中的粉体，带动粉体沿行波传递的反方向运动，通过出料端口到达称量系统，称量系统就能实时检测固定时间段内所传输粉体的质量。其中，整个装置的工作流程如图2-1所示。

图2-1 装置工作流程图

2.2 输送细管工作原理

有机玻璃管受迫振动在管内形成衰减行波， 使得管内壁上的各点做椭圆运动[11]80， 椭圆运动产生的微小位移使得粉体沿管内壁移动，由于椭圆运动的上部方向与行波的传播方向相反， 所以粉体从进料段向输料段移动， 最终从出料端口进入电子天平托盘上的接料杯中。同时，根据能量衰减的方向可知：越靠近进料段的端口，行波所传递的能量越少，粉体的移动速度越慢，传输效率越低；越靠近压电陶瓷环的一端，行波衰减的能量越少，粉体的移动速度越快，传输效率越高。因此，输送细管的长度有极限值，超过最大输送长度，进料段就不能实现粉体的传输。其中，

2.3 微粉精确定量输送工作原理

LAK-E系列称重传感器在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在其表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而完成了将外力变换为电信号的过程。HX711传感器将称重传感器的电信号调整到A/D能采集的范围，然后由A/D进行采集，接着把采集到的24为高低电平通过DOUT送到外部电路。单片机则读取HX711发送的数据，并进行转换成实际重量的数据，通过液晶屏显示相应的数据，同时控制继电器的开断。

其中，定量控制系统工作原理如图2-3所示。

3.设计方案

为实现粉体少量及精确定量输送的功能，整个装置由机械系统、定量控制及称量系统、驱动系统三大部分组成。其中，机械系统的主要功能是利用压电超声振动在细管管壁上激起的衰减行波输送粉体；定量控制系统的主要功能是实现粉体的精确定量输送，称量系统的主要功能是对送出的粉体进行质量实时检测；驱动系统的主要功能是通过驱动电源产生超声波驱动压电陶瓷环振动，提供传输能量。

4. 驱动电压方面节能性能分析

输送电压高低控制输送速率大小，我们已经通过实验获得输送电压对粉体输送速率的影响关系，实验过程中采用P-4系列的压电陶瓷片，采用两片并联的连接方式，所用的压电陶瓷环谐振频率38.7kHz，选择输送细管的输送段长度250mm，进料段长度50mm，料仓内粉体高度40mm，在不同的驱动电压下对食盐、砂糖、味素三种粉体进行运输。经实验发现，随着工作电压的不断增加，粉体的输送速率也在增加。

述，其节能效果显而易见。

5. 输送段长度方面节能性能分析

除了输送电压外，输送段长度也会对输送速率造成影响，我们通过实验计算，采用P-8系列的压电陶瓷片，由于该类型的压电陶瓷片振动传输能量大，因此在低压下也能实现高速率传播，其对应的谐振频率37.2kHz，驱动电压150V，采用单片运输，料仓内粉体高度40mm，同时保证进料段长度50mm不变，改变输送段长度分别对食盐、味素及砂糖进行运输。经实验发现，随着输送段长度的减小，粉体的输送速率反而增加。

4.5 不同输送方式的节能性能对比分析

此外，针对目前的粉体输送装置，我们将气力输送装置、机械输送装置及目前的超声粉体输送装置与我们设计的超声粉体输送装置进行对比总结。其结果见表4-5，通过对比仍然体现我们装置的节能减排效应。

6.结论

1、结构简单，尺寸小、輸送速率高、易控制、易于加工制作；低能耗高效率，降低空气

污染和减少原料浪费。

2、实现少量或微量粉体物质如移送、添加、分装、称量等频繁操作的自动化控制；

3、粉体的输送依靠管壁上激励出的衰减行波驱动，避免了输送过程中粉体的相互碰撞，

保证粉体完整性，不易造成粉体飞散。

4、响应时间毫秒级，易控制；精度高，不受电磁干扰，特性稳定；直接驱动，结构简单，工作在超声频域内，无人体可感受的噪音；应用范围广，适用于冶金、化工、医药、食品等领域。

参考文献

[1] 明文威.弯扭模态超声波粉体输送装置的研究[D].吉林大学，2012.

[2] 张贵林，郭浩，赵淳生.超声波粉体输送装置输送能力的实验研究[J].压电与声光，2002.12.

[3] 高炳山，林书玉.厚壁径向极化压电陶瓷薄圆环的研究[J].应用声学，2010，29（3）：217-221.