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顆粒粒度檢測裝置

**產(chǎn)品研發(fā)背景介紹：

顆粒粒度傳統(tǒng)檢測方法如下：

1、微波法：利用微波在管內(nèi)與流體顆粒相遇時(shí)所引起鐵氧體元素的自旋效應(yīng)， 造成微波波束的衰減，測量其衰減值分析出管道中顆粒的粒度。缺點(diǎn)：安裝精度要求高，管內(nèi)存在死區(qū)。

2、光電檢測法：用光纖探頭把光束引入測量區(qū)，測得運(yùn)動(dòng)微粒對(duì)光的感應(yīng)信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)分析，*終得到微粒的粒度數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：準(zhǔn)確性不高，維護(hù)成本昂貴。

3、溫度法：在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)流場多相混和后混和物的溫度與顆粒質(zhì)量濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來求得相應(yīng)的顆粒濃度。缺點(diǎn)：不精確，是建立在假設(shè)的基礎(chǔ)。

4、摩擦電法：運(yùn)動(dòng)的顆粒與插入流場的金屬電極之間摩擦產(chǎn)生等量符號(hào)相反的靜電荷，通過測量金屬電極對(duì)地的靜電流可以得到顆粒濃度。缺點(diǎn)：對(duì)人身的危害和環(huán)境的污染也比較嚴(yán)重。

5、能量法：流場混和物的總能量體現(xiàn)于混和物的流動(dòng)動(dòng)能和靜壓力之和。缺點(diǎn)：流場混和過程中的散熱損失和壓縮性被忽略。

傳統(tǒng)檢測方法的不足：非接觸式:技術(shù)復(fù)雜、操作性不好、設(shè)備精密、現(xiàn)場適應(yīng)能力不強(qiáng)、有時(shí)對(duì)人體還有危害。接觸式：不能完全滿足氣固兩相流的測量要求傳統(tǒng)檢測的局限和不足

第二本裝置簡介：

1.產(chǎn)品使用原理

該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行主要是應(yīng)用光脈動(dòng)法的原理進(jìn)行計(jì)算，利用函數(shù)表現(xiàn)，顆粒通過光源與接收元件之間引起接收器接收的光強(qiáng)發(fā)生變化，引起相應(yīng)輸出的電壓變化，直觀的體現(xiàn)了光源與接收器間的顆粒濃度狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)原理圖光束通過測量粒子，光照強(qiáng)度衰減如圖（I0-入射光強(qiáng)度、I-通過光路透射光強(qiáng)度）

2.核心材料——光源

光源是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分，通過測試多款光源，我們發(fā)現(xiàn)激光具有集中度高、方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是*為理想的光源選擇。在本產(chǎn)品中利用激光的強(qiáng)穿透性來分析管道內(nèi)顆粒的流動(dòng)狀態(tài)。通過對(duì)比我們選擇半導(dǎo)激光器作為系統(tǒng)光源。半導(dǎo)激光器具有波長范圍寬、效率高、體積較小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

半導(dǎo)體參數(shù)表

半導(dǎo)體激光發(fā)射器

光電接受原件

考慮到激光發(fā)射器的激光是650nm的波長，選擇光電接收元件時(shí)必須包含此波段，所以光接收元件可以選用硅光二極管。光電二極管的設(shè)計(jì)中，PN結(jié)的面積也十分重要，本實(shí)驗(yàn)需要選擇面積較大的PN結(jié)，這樣有利于接收入射光。

光電二極管結(jié)構(gòu)圖半導(dǎo)體參數(shù)表

放大電路

由于我們所采用的硅光電二極管輸出的信號(hào)是NA級(jí)的電流信號(hào)，不方便采集，因此我們需要對(duì)它進(jìn)行放大處理使其方便我們進(jìn)行測量和采集，并對(duì)其進(jìn)行降噪處理以降低其他因素造成的干擾光電傳感器在應(yīng)用時(shí)必須配備合適的電路，通過Multism設(shè)計(jì)并模擬電路運(yùn)行，成功將難以測量的NA級(jí)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方便測量的V級(jí)電壓信號(hào)，并附帶降噪功能以減少干擾。

放大電路電路實(shí)物圖

對(duì)數(shù)電路

光脈動(dòng)的公式I/I0=exp(-π/2LND²)可以通過變形發(fā)現(xiàn)濃度N與接收光強(qiáng)I為對(duì)數(shù)關(guān)系。成功設(shè)計(jì)出一個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖不使用對(duì)數(shù)電路信號(hào)使用對(duì)數(shù)電路信號(hào)

實(shí)物

產(chǎn)品分為桌面式儀器和便攜式儀器兩類。實(shí)驗(yàn)室通過漏斗形成的顆粒流場，使用振動(dòng)給料機(jī)輸送，形成顆粒“瀑布”流場，產(chǎn)品在流場發(fā)生區(qū)采用雙路激光測量，通過對(duì)數(shù)電路返回電流或電壓信號(hào)，通過單片機(jī)輸出。

裝置工作圖裝置實(shí)物圖

第二類為便攜式，基于現(xiàn)有基礎(chǔ)，進(jìn)一步縮小了其尺寸，即設(shè)計(jì)為一個(gè)便攜式裝置，用于測量時(shí)可直接打開開關(guān)將其置于流場處，即可得到數(shù)據(jù)。

1-便攜式顆粒粒度檢測儀結(jié)構(gòu)示意圖2-便攜式顆粒粒度檢測儀零件示意圖3-便攜式裝置實(shí)物圖

第三裝置特點(diǎn)：

1、流場發(fā)生器結(jié)構(gòu)均勻，能使物料連續(xù)流動(dòng)；振動(dòng)頻率穩(wěn)定，物料振散均勻

2、激光傳感器集中度高、亮度高、方向性好、并且是單色光。效率高、體積較小、重量輕、波長范圍寬

3、電路選用低溫漂型放大器；降噪功能以減少干擾；低復(fù)雜度提高穩(wěn)定性

4、顯示和采集單片機(jī)：體積小可模塊化應(yīng)用；集成度高 ；低能耗顯示器：體積小可顯示文字圖像；引腳對(duì)應(yīng)單片機(jī)引腳

第四產(chǎn)品性能檢測（以0.55mm石英砂為例）

1.濃度

首先在采樣頻率1000Hz的條件下測得0.15、0.20、0.25、1nm粒徑情況下電壓信號(hào)，并根據(jù)電壓和電流的正比例方程U=0.505I ，以及電流和光強(qiáng)的方程關(guān)系 I=1.01171i-1.6929作出圖一（各粒徑接收光強(qiáng)的變化）

通過縱向?qū)Ρ?，不同粒徑的顆粒所得到的濃度大不相同。橫向?qū)Ρ龋瑢?shí)驗(yàn)濃度為本裝置實(shí)驗(yàn)所得濃度，后面的計(jì)算濃度，則是通過質(zhì)量流量計(jì)算所得出。二者差值較小，說明本裝置實(shí)用可靠，可以做到測量出不同粒徑的顆粒濃度。

2.粒徑

通過質(zhì)量流量Q=G*[(3.14*D3/6)*1.46*10-6]計(jì)算質(zhì)量流量Q，則可通過此來列方程得到顆粒粒徑D，經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證兩道光的顆粒粒徑二者差值較小，都為0.55。如下表：

平均粒徑為0.55mm的石英砂的粒徑

由圖可以看出，用于檢測的石英砂大部分粒徑在0.45-0.55mm之間。又從顆粒粒徑占比圖4.23中可以看出，所有顆粒粒徑都在0.3-1.2mm的范圍內(nèi)，80%的顆粒粒徑在0.3-0.6mm，其中大部分在0.5mm左右?？梢钥闯霰狙b置可以正確測量得到顆粒粒徑信息。

石英砂的粒徑堆積圖顆粒粒徑占比圖

由粒徑堆積圖可以看出，用于檢測的石英砂大部分粒徑在0.45-0.55mm之間。又從顆粒粒徑占比圖4.23中可以看出，所有顆粒粒徑都在0.3-1.2mm的范圍內(nèi)，80%的顆粒粒徑在0.3-0.6mm，其中大部分在0.5mm左右?？梢钥闯霰狙b置可以正確測量得到顆粒粒徑信息。

3.質(zhì)量流量

由上述Q=G*[(3.14*D3/6)*1.46*10-6]可得到流量曲線：

粒徑為0.55mm的石英砂所得到流量曲線顆粒特性信息表

由上述分析可知，通過消光法可以同時(shí)測得顆粒的濃度、粒徑、質(zhì)量流量。同理可得其他顆粒的特性信息