关键词：
颗粒测量（精选三篇）
颗粒测量 篇1
关键词：颗粒物料,恢复系数,测量原理,运动学,应用
0 引言
颗粒物料在自然界中普遍存在,在工程领域中应用广泛。颗粒物料的物理特性是设计和研究与之相关装备的基础数据,许多颗粒物料的动态仿真结果极大地依赖于颗粒物料的物理特性[1]。颗粒物料的恢复系数表示了颗粒物料被碰撞后能恢复到其原始状态(碰撞前)的性能,从而在农业工程和化学工程等领域中广泛应用。例如,设计播种机时确定种子落入种植沟底的碰撞、跳跃和弹射,种子在刮种器和投种器中各种形态的碰撞和弹射,种子在成穴过程中承受的投掷作用等,都需要种子的恢复系数[2]。在确定颗粒物料或散粒物料的流体动力学仿真的壁面边界条件时,需要该颗粒物料的恢复系数[3]。颗粒物料恢复系数的测量可以利用高速CCD相机拍下物料碰撞前后的运动轨迹,并通过计算获得,但是该测量方法的测量设备昂贵[1,4]。本文提出一种简易的颗粒物料恢复系数测量方法, 并进行实验研究,获得了较好的效果。
1 测量原理
1.1 恢复系数概念
目前,提出了很多种颗粒物料恢复系数的定义,但并不统一。在农业物料学里,通常将恢复系数定义为:碰撞后相互远离的两物体质心的速度模量与碰撞前两者相互接近时的速度模量在两表面接触点的共同法线上的投影之比[2],表示为Cr,即Cr=μn/vn (1)
式中 μn—颗粒物料碰撞后的法向分速度(m/s);
vn—颗粒物料碰撞前的法向分速度(m/s)。
1.2 测量装置组成
测量装置(如图1所示)由底座、标尺杆、投料板和碰撞板等组成。碰撞板与水平面成45°放置,碰撞板的垂直高度可由调整螺钉进行调解,碰撞板可以根据测量需要更换。被测颗粒物料从投料板的投料口投下,投料口的高度可调。
1.底座 2.调整螺钉 3.标尺杆 4.投料板 5.颗粒物料6.紧固螺钉 7.碰撞板 8.有效区域
为了便于测量颗粒物料经碰撞板作用反弹后落到底座上的点与A点在底座上的投影点O之间的距离,在底座上表面粘贴有刻度纸。为了使落在刻度纸上的颗粒物料不再弹跳到其他位置,刻度纸表面上涂覆一薄层黄油。为了减小颗粒物料碰撞后可能出现的不规则运动对测量结果的影响,将物料落在OE和OF所在扇形区域作为有效投射区域,OE和OF的夹角可以根据不同颗粒物料调整。
1.3 测量原理
测量原理如图2所示。测量时,首先调整碰撞板高度,使被碰撞点离底座上表面的高度为h1,颗粒物料投料口到被碰撞点所在水平面的高度为H。测量得到颗粒物料在底座上表面的平均投射距离S1,然后调整碰撞板高度,使被碰撞点离底座上表面的高度为h2,颗粒物料投料口到被碰撞点所在水平面的高度保持不变,测量得到颗粒物料在底座上表面的平均投射距离S2。当获得平均投射距离S1和平均投射距离S2后,可以根据运动学原理计算得到该颗粒物料的恢复系数。
设颗粒物料从A点无初速度落下,经过时间t后与碰撞板相碰撞,设颗粒物料碰撞前垂直速度为v,碰撞后速度的水平分量为ux,垂直分量为uy,碰撞后在h1段的下落时间为t1,若下落高度为h2所对应的下落时间为t2。根据运动学原理,有
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式中 g—重力加速度(m/s2)。
由式(2)可得
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由式(3) 可以计算出ux和uy的大小,其中
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由于碰撞板与水平面成45°放置,颗粒物料碰撞前沿碰撞板表面的法向速度vn=vsin45°,碰撞后沿碰撞板表面的法向速度un=(ux-uy)sin45°,因而颗粒物料的恢复系数可以表示为
Cr=un/vn=(ux-uy)/v (6)
这样,通过两次调整碰撞板高度改变被碰撞点离底座上表面的高度,并测量在不同高度条件下颗粒物料的投射距离,然后可以通过计算获得颗粒物料在一定投料高度H所对应的恢复系数。
2 应用实例
采用正交实验法测量和分析按照工厂化育秧要求处理的稻种[5]。采用拟水平正交表L18(21×37)。测量方案及相应测量条件下恢复系数的计算结果,如表1所示。
表1中各影响因子水平:稻种状态的水平1为稻种进行过包衣处理,水平2为未进行包衣处理;含水率的水平1为10%db,水平2为15%db,水平3为20%db;品种的水平1为II优838,水平2为II优多系57,水平3为岗优22;碰撞材料的水平1为45号钢表面喷漆,水平2为45钢表面不喷漆,水平3为PVC塑料;碰撞板厚度的水平1为板厚2mm,水平2为板厚5mm,水平3为板厚8mm;下落高度的水平1为150mm,水平2为300mm,水平3为450mm。
根据对计算结果的方差分析,可以得到影响稻种恢复系数的主要因素及各因素影响的显著性程度,其中碰撞材料的影响显著,下落高度影响较显著[6]。通过正交表的工程平均,可以计算出3种稻种在不同影响因子水平下不同下落高度时的恢复系数,并可以通过回归分析得到3种稻种在一定含水率时恢复系数与下落高度之间的回归方程。如II优838包衣稻种(含水率为15%db)与厚度为2mm的45号钢表面喷漆材料间的回归方程为(相关系数R=0.968)
Cr=0.5043-0.000193H (7)
3 结束语
本文提出了一种基于运动学原理的颗粒物料恢复系数测量方法。通过调整碰撞板被碰撞点离底座上表面的高度,测量得到两种不同高度所对应的投射距离,从而计算出颗粒物料在不同条件下的恢复系数。实验表明,该测量装置结构简单,操作方便,具有较高的精度,适用于各种颗粒物料恢复系数的测量。
参考文献
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颗粒测量 篇2
1.1、测量依据:
《煤质颗粒活性炭试验方法p H的测定》GB/T 7702.16—1997。
1.2、试验准备:
取颗粒活性炭。按GB/T 7702.1方法测定活性炭的水分含量为4.4%, 计算出相当于10 g干炭湿炭质量, 为10.4603g。取7份样, 放入锥形烧瓶中。
1.3 测量过程:
按GB 9724的方法用煮沸过的蒸馏水测定p H空白值, 并调整p H空白值指示为7.0。取煮沸过的蒸馏水100 m L, 加入烧瓶中与炭样摇匀。装上回流冷凝器, 加热, 并控制温度使水缓慢沸腾, 保持沸腾 (900±10) s, 取下烧瓶, 对烧瓶中溶物进行过滤, 滤液冷却至 (50±5) ℃, 补足至100 m L, 按GB 9724的方法测定p H值。
2 测量数学模型
|H+|:水萃取液中氢离子浓度
E:水萃取液的电动势, 单位为V
E0:缓冲液的电动势, 单位为V
K:电极常数
3 不确定度评定
3.1 A类测量不确定度:
在重复性条件下, 准备7份平行样, 每个样品测定3次, 取平均值, 结果如下:
由测量重复性导致的标准不确定度u1 (x) 为
则相对标准不确定度u1rel (x) 为
3.2 B类测量不确定度
3.2.1 天平的不确定度
天平的不确定度主要有天平重复性不确定度、天平示值误差不确定度、天平校准不确定度组成。
a.天平的重复性带来的不确定度
在重复条件下, 对样品 (10.4603g的活性炭) 进行7次称量, 称量值分别为10.4605g, 10.4600g, 10.4602g, 10.4603g, 10.4604g, 10.4606g, 10.4605g。称量值的算术平均值为10.4604g, 即104604mg。
天平重复性带来的不确定度, 依据天平的检定证书, 天平的重复性误差检定结果为0.15mg。 (按正态分布, k=3) 则天平重复性带来的不确定度分量为:
天平重复性带来的相对不确定度
b.天平示值误差带来的不确定度分量:
依据天平的检定证书, 天平示值误差 (5≤m≤20g) 为0.1mg, 取矩形分布, 则天平示值误差带来的不确定度为
天平示值误差带来的相对不确定度u1rel (x2)
c.天平校准带来的不确定度分量
依据天平的检定证书, 校准过程使用E2等级标准砝码, 由JJG99-2006《砝码检定规程》给出其扩展不确定度U≤0.1mg, k=2, 假定天平校准过程中环境及其人为因素带来的不确定度可以忽略, 则校准带来的不确定度分量约等于砝码的不确定度分量。天平校准带来的不确定度为
则天平校准带来的相对标准不确定度为
d.天平的合成不确定度为:
3.2.2 量筒取水体积的不确定度
实验所用量筒为100ml, 根据计量校准证书给出的校准结果, 100ml的量筒的最大允许误差为±1ml, 每次使用1次, 近似为矩形分布处理 () 所以由萃取用水体积产生的不确定度Ubrel (v) 为:
3.2.3 缓冲溶液配置产生的不确定度
缓冲溶液配置产生的不确定度, 主要由缓冲剂的纯度和250 ml的容量瓶这两部分不确定度组成。
a.缓冲剂的纯度产生的不确定度
根据缓冲液的证书说明, 其不确定度为±0.01p H (k=3)
b.容量瓶产生的不确定度Ub (v)
根据计量校准证书给出的校准结果, 250ml容量瓶的不确定度为±0.15 ml, 按矩形分布处理 ()
c.缓冲溶液配置产生的合成不确定度Ub (h) 为:
3.2.4 p H计的不确定度
根据计量证书给出的计量结果, p H计 (梅特勒s220-k) 的示值误差为0.02 p H, 按矩形分布处理 ()
因此, p H计校准值产生的不确定度为:
3.3 活性炭p H值合成标准不确定度
合成标准不确定度由A类不确定度和B类不确定度
合成标准不确定度
3.4 扩展不确定度u (k=2)
当置信度为95.45% (k=2) 时, 扩展不确定度为2×0.0827=0.17
4 结果表示
本实验从多方面对于煤质颗粒活性炭p H的不确定度进行研究, 得出当样品的溜出液的p H为7.96±0.17时, 其扩展不确定度为0.17, 它是由标准不确定度8.27%和包含因子k=2的乘积得到的, 其置信概率为95%。
5 结语
颗粒测量 篇3
烟气颗粒物浓度监测系统检测对象为工业排放的烟尘颗粒,烟尘在经过除尘等环节之后粒径一般在30μm以下(体积当量径),近似成球体,表面堆积密度在0.1~3g/m2左右。目前常用的激光检测方法分为散射法和对穿法,散射法的分辨力要远高于对穿法,因此本系统采用散射法。激光通过不均匀的介质颗粒时发生散射,一般采用MIE散射理论进行解析,可以认为其发生的散射为经典光散射-入射光和散射光的波长相等。烟尘在连续监测的条件下,当颗粒物浓度大约小于500mg/m3时,散射形式为单散射,散射光强度与颗粒物浓度成线性关系。为了保证散射角范围,激光的波长应该尽量大,但是由于烟道内有比较高的温度,需要避免采用红外光,所以系统采用650nm红激光。光散射法主要有两种光路结构形式:侧后向小角散射;侧前向小角散射。一般排放颗粒物的后散射光能同比前向散射光能小数个数量级,但相对于前向散射信噪比较高,且结构和安装较为简单,因此本系统采用侧后向散射方法。侧后向散射信号较弱,系统整体处于长时间工作、高温、自然光较少的环境中,存在测量变化频繁等问题。本文设计了适用于侧后向散射信号处理的电路结构,具有高放大倍数、滤除干扰、灵敏度高等特点,能够最大限度地解决上述应用问题。
2 整体结构
电路中对激光信号的采集使用硅光敏二极管,输出的信号形式为电流信号,大小范围0~30μA。最终处理结果要求实现电压信号大小范围0~10V,以方便利用转换模块电路转换为4~20m A电流信号。
电路整体流程如图1所示。
光电传感器输出微安级电流信号,通过I/V转换电路转换成毫伏级电压信号,这中间会引入噪声,所以需要进行滤波消除交流信号和直流噪声,以及陷波去除工业交流噪声。最后通过1000倍级放大获得所需结果。
3 I/V转换电路、前置放大电路
光电二极管的工作模式分为两种:光伏模式和光导模式。在光电精密测量中,由于被测信号量比较微弱,为了消除暗电流的干扰,一般采用光伏模式进行检测。光伏模式中,由于光电二极管的非线性,负载电阻的选择会影响光电二极管的信号输出。当其负载电阻很小时,光电二极管工作在线性电流放大状态下,输出电流接近于短路电流,与入射光通量有很好的线性关系。
由于反馈电阻阻值较大,电路会带有一定的噪声和大电阻带来的偏置电流,对后面的主放大电路会产生很大的误差,为了消除电阻带来的偏置电流采用T型网络电路。
当电阻取值达到千欧级时,可以将输入的μA级信号转换为m V级的信号。电路中R2与R3的大小不宜相差过大。
在I/V转换中信号得到了初步的放大,但是因为在转换的过程中会引入噪声,和电路器件匹配等原因,不宜放大倍数过大,主要目的是将电流信号转换为电压信号,然后由主放大电路进行最后的放大。
4 滤波电路、陷波电路
本系统的测量环境为工业生产中的烟道,背景光较少,有高温,烟气颗粒物浓度随时保持变化,变化的速度不会太快。光电传感器输出信号为直流信号,信号较小,存在交流噪声,特别是工频噪声干扰影响很大,因此设计一个截止频率较低的低通滤波器是十分必要的。电路参数如下:
在现在的情况要求下,可以考虑将截止频率取值较低,在1~10Hz之间,这样可以让直流信号通过的同时截取大多数的交流噪声。
由于系统应用于工厂的环境条件下,因此供电系统有相当的工频干扰,工频干扰主要集中在50Hz,以差模干扰的形式进入电路,对电路信号有较大的影响,必须对其进行消除。我们采用MT050模块制作陷波电路,MXT050型模块是一个二阶反相型50Hz有源陷波器,采用高性能运算放大器和其它元件经过严格配对组成。其性能优良,可广泛应用于工业仪器、仪表中,用于抑制50Hz工频干扰。其特点有:f0=50Hz,可微调;低失调电压;振幅可调;静态功耗低。如图2所示,在使用时需要通过RW1、RW2进行频率调试,让陷波效果达到最佳。
5 主放大电路
系统所处的环境对系统本身的测量误差影响是客观存在的,为了更好地消除这些影响,主放大电路应当采用差分式放大电路。原理如图3所示,其中正向输入端的输入信号为对被测烟尘进行测量后的包含测量结果的信号,反向输入端的输入信号为对被测烟尘所处环境进行测量的不包含测量结果的信号。通过对两部分信号的差值计算消除外部环境的影响,再进行主放大。这样可以一方面补偿背景自然光、温度、电源、电磁干扰等的影响,一方面随着时间的变化,环境的变化如镜头污染、烟道灰尘积累等影响都可以得到一定的削弱、消除。但是需要注意的是两部分电路的性能、参数要相互匹配。
三运放差分放大电路如图4所示。
电路中的U1A与U2A部分性能应尽量匹配,以达到在R5两端使共模电压、失调电压等、漂移得到抑制,选择R7=R8=10kΩ可以消除芯片的偏置电流,令R1=R3=1kΩ,R2=R4=30kΩ,通过电阻匹配增加电路的共模抑制比。电位器R5=100kΩ,根据现场环境对放大倍数进行调节,以实现最佳放大效果,令放大之后的信号保持在0~10V之间。R6的作用在于调节电阻匹配,可以选取阻值为100kΩ,R9=R10=10kΩ,可以得到输入和输出的关系:
6 实验与数据
在电路搭建完成之后,我们用multisim10.1对其进行了仿真。在测量和补偿输入端分别加入幅值为10m V、频率为1k Hz的锯齿波,在差分电路的两条输入线路之中加入幅值为1V、频率为50Hz的正弦波,以及幅值为百毫伏级的随机信号,在测量输入端输入模拟激光检测信号为30μA的直流电流信号。仿真结果如图8,我们得到结果:输出信号在1ms之后迅速上升至11V左右,在35ms左右缓慢上升至11.341V,然后保持稳定,略有毫伏级别的上下变动,模拟加入的干扰信号在差分电路两个输入端得到了抵消,交流噪声在滤波之后极大程度衰减,使得干扰误差基本得到了消除。
我们在实验室条件下采用漫反射平面模拟烟气颗粒物的方法进行模拟实验,以验证电路能够对实际激光信号进行检测。实验中,激光器和测量端光电传感器安装在同一平面,距离30mm,激光器光路和测量端光电传感器感光平面中心垂线成30°角,保持两者位置固定。补偿端光电传感器前100mm处安放一个不透光物体遮挡激光。将一个面积足够大表面粗糙的平面垂直于入射激光放置,令其沿入射激光方向做直线运动,分别测量其在距离激光器不同距离时电路的输出信号。
测量结果在表1中列出,可以看到实际测量的输出结果和采用电流源仿真的输出结果相比有着较大的衰减,输出水平在0~4V之间,可以通过电路的放大倍数对其进行调整。在实验中当反射面与光电传感器的距离小于50mm的时候输出信号大幅下降,当距离小于30mm左右时输出信号近似为0。当反射面与光电传感器的距离大于300mm的时候输出信号变化缓慢,在400~500mm距离范围内逐步近似为0。在50~300mm之间的数据如表2所示,我们可以看出电路能够对散射激光光强变化作出有效反应,并且将光强变化转化为便于进一步测量、处理和储存的电压信号,电压信号强度适宜,灵敏度较高。对于激光散射的变化可以根据立体几何计算得出与距离平方成反比结构的函数,通过拟合计算得出修正的参数:其中a=-3.0875×10-6;b=4.4473×10-3;c=8.8951×10-2;测量数据与拟合计算的曲线的均方差为:0.074740;残差平方和为:0.044689。
7 结论
侧后向散射法测量烟气颗粒物浓度测量时信号强度小、信噪比高、灵敏度高,在测量中会受到较多的噪声干扰,需要对测量信号进行处理,包括电流电压转换、滤波、放大,将微弱的电流信号从噪声中提取出来并转换成方便进一步处理的电压信号。
本文所设计的电路能够满足以上要求,实现激光信号的接收运算处理。
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