超細(xì)木粉粒度在線檢測系統(tǒng)設(shè)計初探*

楊冬霞,曲明哲，張?zhí)锩?，范立?/p>

(哈爾濱學(xué)院 工學(xué)院，黑龍江　哈爾濱150086)

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超細(xì)木粉粒度在線檢測系統(tǒng)設(shè)計初探*

楊冬霞,曲明哲，張?zhí)锩?，范立?/p>

(哈爾濱學(xué)院 工學(xué)院，黑龍江哈爾濱150086)

為實現(xiàn)超細(xì)木粉的自動化生產(chǎn)，依據(jù)木粉粒子的大小、濃度、加工特點及運(yùn)輸速度等因素對其帶電性能的影響，設(shè)計了木粉粒度在線檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由靜電傳感器、模擬量信號采集、信號處理、數(shù)據(jù)計算處理及傳輸單元等部分構(gòu)成。該系統(tǒng)是一種木粉粒度在線實時檢測系統(tǒng)，它相比于粉體的離線檢測具有實時性、連續(xù)性及智能性等重要特點。將該在線系統(tǒng)用于試驗驗證，得出隨木粉粒度的增加檢測電壓信號逐漸增大，但隨木粉粒度的增加，木粉濃度卻逐漸減小這一結(jié)論。并針對此現(xiàn)象分析木粉粒度大小對其帶電量及濃度的影響。研究結(jié)果對今后其它粉體的自動化生產(chǎn)及在線檢測研究都具有十分重要的意義。

超細(xì)木粉；粒度；靜電傳感器；在線實時檢測

中國的粉體工業(yè)正處在蓬勃發(fā)展的時期，粉體粒度檢測越來越受到粉體研究部門和制造單位的重視。由于木材自身所具有的特點，使超細(xì)木粉在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和加工中起著越來越為重要的作用[1～2]。利用天然木材的加工廢料，如木屑、木粉等進(jìn)行超細(xì)化表面處理后與合成樹脂共混，生產(chǎn)的木塑復(fù)合材(Wood-Plastic-Composites,WPC)可應(yīng)用在建筑、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)及生活產(chǎn)品設(shè)施領(lǐng)域中[3]。隨著木粉生產(chǎn)過程中粉體粒徑逐漸減小將其作為填料可更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域中，如木塑復(fù)合材料產(chǎn)品應(yīng)用已擴(kuò)大在汽車上，像美國“福特”、德國“奔馳”、日本“豐田”等轎車的內(nèi)裝飾基材均在不同程度上使用了WPC材料。在日本將木質(zhì)微納纖維為添料正在研制汽車車體用的高性能纖維類結(jié)構(gòu)材料，來降低汽車車身的重量，以達(dá)到節(jié)油降耗的目的[4]。超細(xì)木粉作為生產(chǎn)加工的添料，不易與其他物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，且耐酸性、堿性及抗腐蝕能力很強(qiáng)，將它添加在生產(chǎn)工業(yè)中，可提高產(chǎn)品的性能、穩(wěn)定性并具有降低產(chǎn)品成本的優(yōu)勢[5]。本文主要研究超細(xì)木粉在線粒徑檢測方法，旨在實現(xiàn)常溫、低濕、負(fù)壓狀態(tài)下木粉的超細(xì)粉碎作業(yè)，依據(jù)觀察狀況提出解決物理機(jī)械粉碎技術(shù)中加工出的木粉顆粒范圍大、小顆粒木粉團(tuán)聚、吸附等問題。

1　　　　超細(xì)木粉粒度在線系統(tǒng)檢測理想控

制特性

1.1超細(xì)木粉加工設(shè)備

超細(xì)木粉的加工原料是經(jīng)干燥處理后的鋸屑，它是高韌性的纖維類材料[6～9]。在超細(xì)木粉的加工中需要強(qiáng)剪切力和研磨力才能使木材的細(xì)胞壁在瞬間被破壞且可使細(xì)胞壁上的纖維剝離、撕裂使其加工木粉的目數(shù)達(dá)到最大。圖1為微納米木粉制備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該機(jī)器是由本項目組成員研發(fā)完成的。加工原料在磨削箱2內(nèi)進(jìn)行超細(xì)研磨，加工一段時間后高速旋轉(zhuǎn)的氣流會將粒度較高的木粉送入螺旋分離器5中，對離心風(fēng)機(jī)9和11進(jìn)行速度調(diào)整，隨離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同木粉收集箱7內(nèi)的負(fù)壓發(fā)生變化，則達(dá)到收集到木粉粒度由低至高且在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的目的。

注：1為電機(jī)，2為磨削箱，3為水箱，4為木粉冷卻箱，5為螺旋分離器，6為連接件，7為木粉收集箱，8為一號除塵器，9為一號離心風(fēng)機(jī)，10為二號除塵器，11為二號離心風(fēng)機(jī)，12為支架

1.2木粉在線檢測裝置

在以往的試驗中檢測木粉粒度大都使用電子顯微鏡進(jìn)行觀察或測量不同粒度木粉的形狀參數(shù)。這種方法將顆粒投影的最大寬度定義為顆粒直徑，借助于顯微鏡將顆粒放大后，用人工方法測量和累計，之后將累計結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求相對照，以確定是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。這種方法比較原始，勞動強(qiáng)度大且受人為因素影響大不能給出詳細(xì)客觀的粒度分布，但優(yōu)點是直觀，可直接觀察粉體的結(jié)構(gòu)與形狀。而本項目開發(fā)的超細(xì)木粉在線粒度檢測系統(tǒng)，可以對超細(xì)木粉的粒徑大小、分布及所占比例等重要參數(shù)與收集的加工環(huán)境溫度、濕度等進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)分析，最終獲得較為精確的在線檢測樣品粒度分布和百分比，實現(xiàn)超細(xì)木粉自動化加工與檢測，為此在圖1中的連接件6位置處安裝木粉粒度在線檢測裝置，如圖2所示。靜電傳感器是南京大得科技有限公司生產(chǎn)的PCM-2000，在超細(xì)木粉機(jī)連接管道軸向的內(nèi)、外兩側(cè)安裝兩個靜電傳感器并使它們之間有一定的距離，兩個靜電傳感器上的探頭3都深入管道內(nèi)部，使其與管道中流動的木粉4相接觸。將檢測到的電流值通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線6與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元5相連接，檢測電流是模擬量通過轉(zhuǎn)換單元將其放大并轉(zhuǎn)換為計算機(jī)7可識別的數(shù)字量。

注：1為靜電傳感器，2為通往分離分級裝置的管道，3為傳感器探頭，4為管道內(nèi)流動的木粉，5為模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，6為數(shù)據(jù)傳輸電纜，7為計算機(jī)

1.3木粉在線檢測原理分析

超細(xì)木粉的加工原料為顆粒粗大的鋸屑，它在超細(xì)木粉機(jī)中被加工砥石進(jìn)行研磨、碾壓，對木材的細(xì)胞壁進(jìn)行解離或破碎使其成為微米級顆粒。因此木粉的生產(chǎn)、輸送和儲存過程中都會發(fā)生木粉粒子間的摩擦、攪混、篩選以及高速運(yùn)動等現(xiàn)象，木粉顆粒和管道壁面間發(fā)生碰撞、摩擦、分離，木粉顆粒與顆粒之間發(fā)生碰撞、摩擦和分離。這樣大量的緊密接觸和分離過程能夠使木粉自身帶上一定數(shù)量的靜電荷，在傳輸管道內(nèi)會形成木粉粒子電荷流，并假設(shè)在運(yùn)輸管道內(nèi)木粉粒子和輸送氣體間形成穩(wěn)定的氣固兩相流且沿管道的徑向流動。這些木粉粒子所帶的電荷微團(tuán)在傳感器探頭的電極上將引起感應(yīng)信號和摩擦電荷，這些量經(jīng)疊加將會在傳感器的輸出端檢測到相應(yīng)的電壓信號。木粉粒徑在線測量裝置就是以傳感器感應(yīng)的感生電流、電壓信號來作為檢測量進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸與處理。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)檢測信號的大小與流經(jīng)檢測端的木粉顆粒質(zhì)量、大小、濃度有關(guān)，因此通過對感生電流、電壓信號的分析處理就可以反映出木粉顆粒的粒度、濃度大小[10～11]。木粉顆粒粒徑不同，所帶的電荷量大小就不同，當(dāng)粒度不同的木粉顆粒流經(jīng)金屬探頭時，感生電流信號功率密度譜的譜特征就有所不同。裝置使用高速高性能數(shù)字信號處理DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每秒可對10 000個木粉顆粒進(jìn)行統(tǒng)計，經(jīng)過數(shù)字信號處理技術(shù)和快速功率密度譜變化分析，就可以測出相對木粉細(xì)度，而不間斷的連續(xù)測量可得到準(zhǔn)確的木粉顆粒粒度變化情況，經(jīng)過現(xiàn)場或?qū)嶒炇覙?biāo)定即可得到木粉粒度百分比絕對值。

在傳輸管道軸向上安裝兩個距離較近的靜電傳感器PCM-2000，兩個傳感器上采集到的信號波形、幅值都非常相近，對采集信號進(jìn)行相關(guān)函數(shù)的計算可得出兩個傳感器的時間差，并依據(jù)粉體的速度、密度、質(zhì)量流及感生電荷的大小即可求出木粉顆粒的大小、傳輸速度及換算后的粉體濃度。圖3為傳輸管道上兩個靜電傳感器檢測的電壓信號圖。

圖3　兩路傳感器檢測信號

v=s/τ①,式中,s為兩傳感器間的安裝距離；τ為兩路傳輸信號的延遲時間；v為木粉流動速度。

傳輸過程中帶電木粉在靜電傳感器探頭處的感應(yīng)電流大小與流經(jīng)探頭木粉質(zhì)量流的近似函數(shù)關(guān)系為式②所示[12～13]。

i=k1Mvn+k2QM②,式中,k1為粉體流速常數(shù)；k2為材料系數(shù)；M為粉體質(zhì)量流；v為木粉流動速度；n為材料常數(shù)(通常為2)；Q為電荷感生系數(shù)；i為感生電流。

靜電傳感器采集的感應(yīng)電流、電壓數(shù)值只取決于管道內(nèi)粉體產(chǎn)生的電荷場，電荷場的大小與粉體質(zhì)量流的大小、流速相關(guān)，測量數(shù)據(jù)不受木種、溫度、灰分、黏性、壓力、流速等因素的影響，測量數(shù)據(jù)可靠性高[14～15]。

2　超細(xì)木粉在線測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1超細(xì)木粉機(jī)的工作特性

項目組成員自行設(shè)計的超細(xì)木粉機(jī)經(jīng)多次加工不同粒度的木粉可總結(jié)出其運(yùn)行規(guī)律，即超細(xì)木粉機(jī)的工作特性曲線，如圖4所示。

注：1為功率特性曲線，2為給料速度曲線

從圖4所示的2條曲線可以看出，曲線1表示木粉機(jī)的加工功率，它不是隨著其加工木粉粒度的增加而單調(diào)增大，而是出現(xiàn)一個最大值后開始隨著木粉粒度的增大開始減??；曲線2表示木粉機(jī)的給料速度曲線，木粉機(jī)的給料速度較小時，機(jī)器加工的有用功不斷增加，當(dāng)加工的粉體粒度達(dá)到800目左右時，維持機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的功率開始增加而對加工原料進(jìn)行研磨和剪切的有用功功率則開始下降，在800目時出現(xiàn)一極大值，并在大于800目時隨著給料速度的增加木粉粒度反而開始下降。因此木粉機(jī)在運(yùn)行過程中，木粉機(jī)的加工功率、給料速度與木粉粒度之間存在著極值特性。

2.2超細(xì)木粉機(jī)系統(tǒng)自動控制設(shè)計方法

為實現(xiàn)超細(xì)木粉機(jī)能自動生產(chǎn)出符合粒度要求的木粉，采用雙層控制結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)木粉機(jī)的實時檢測[16～20]。雙層控制中的下層應(yīng)用多維模糊控制算法，上層應(yīng)用自尋優(yōu)算法，其控制框圖見圖5。

圖5　自尋優(yōu)的多維模糊控制器

圖6　自尋優(yōu)算法流程圖

上層自尋優(yōu)算法可同時改變木粉機(jī)的給料速度、出口溫度和收集箱負(fù)壓大小。下層模糊算法則依據(jù)上層的設(shè)定值進(jìn)行計算，當(dāng)待測量與設(shè)定值相等后，依據(jù)木粉粒度設(shè)定自尋優(yōu)算法的統(tǒng)計周期，得出木粉機(jī)功率、給料速度及木粉粒度的綜合評價函數(shù)。將超細(xì)木粉機(jī)的工作特性曲線與綜合評價函數(shù)進(jìn)行比較，確定下一次這些設(shè)定值的變化量。圖6為自尋優(yōu)控制算法流程圖。下層多維模糊控制算法，以上層算法中的變量值與設(shè)定值的偏差為控制器的輸入量進(jìn)行模糊計算，輸出量是機(jī)器的通風(fēng)量、給料速度、加工箱內(nèi)的負(fù)壓及溫度以及兩個離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。模糊規(guī)則的建立是依據(jù)多次試驗加工的數(shù)值進(jìn)行合理化處理后得到的。因此，這種加工方法具有很強(qiáng)的實用性同時也可解決多個因素共同作用時優(yōu)先權(quán)問題。

2.3木粉粒度在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

目前中國對粉體的加工生產(chǎn)過程進(jìn)行在線檢測的還很少，大多數(shù)是由于這些在線檢測系統(tǒng)體積較大、儀器的成本較為昂貴和測量儀器的安裝標(biāo)準(zhǔn)與實際粉體生產(chǎn)環(huán)境相距較大，不能實現(xiàn)粉體的在線測量加工。本項目組成員在自行設(shè)計超細(xì)木粉機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)木粉生產(chǎn)在線檢測系統(tǒng)，使粉體加工過程實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。圖7為木粉粒度在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖。

圖7　木粉粒度在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

該檢測系統(tǒng)的核心是微控制器MSP430F149芯片，它可以同時同步連接模擬信號、傳感器和數(shù)字組件且能耗低。模擬信號來自分別安裝在超細(xì)木粉機(jī)連接件管道內(nèi)、外兩側(cè)表面上的二個靜電傳感器檢測的流動木粉電壓大小。當(dāng)啟動超細(xì)木粉進(jìn)行工作后，檢測系統(tǒng)首先根據(jù)檢測電壓的大小來判斷木粉粒度的大小，粒度越大木粉的粒徑越小，比表面積越大所帶電荷越多，在連接管道內(nèi)所形成的電流強(qiáng)度、電壓值也越大，反之亦然。根據(jù)檢測電壓的大小判斷木粉粒度的大小及木粉機(jī)出口溫度值確定給料速度、木粉收集箱兩個離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

由于工業(yè)現(xiàn)場木粉機(jī)工作時，還要減小或消除外界電場及磁場可能對傳感器檢測信號產(chǎn)生的影響，因此對這些噪聲信號的預(yù)處理是電路設(shè)計的難點和重點，它的合理選擇能夠保證系統(tǒng)在實踐應(yīng)用過程中檢測信號的準(zhǔn)確性。

3　簡易木粉粒度實時測量試驗分析

為了減小工程造價并能對檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試，在實際加工前設(shè)計了簡易木粉粒度實時測量試驗系統(tǒng)。將圖1中的連接件6用直徑為16mm的塑料管來替代，將電機(jī)1改為小型變頻電機(jī)并將與之相連的磨削箱部分省略，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時往管道內(nèi)送入加工好的不同粒度的木粉。圖8為PC機(jī)上顯示的木粉濃度與速度隨時間變化的實時檢測圖。從后臺程序中讀取檢測系統(tǒng)采集和處理的電壓信號與木粉濃度，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)現(xiàn)有試驗方案獲得的表1數(shù)據(jù)只能說明檢測系統(tǒng)采集到的電信號與木粉的已知粒度有規(guī)律可尋，并不能表明在實際生產(chǎn)中能在線可靠測試木粉粒度，據(jù)此初步建立木粉粒度與檢測系統(tǒng)采集到的電信號的關(guān)系曲線，如圖9所示。

表1　電壓信號與木粉粒度數(shù)據(jù)表

圖8　木粉實時檢測圖

圖9　木粉粒度與電壓信號關(guān)系曲線圖

從圖9中可以看出，電壓信號隨木粉粒度的增加而逐漸增大，但經(jīng)換算后的檢測木粉濃度卻隨粉體粒度的增加而逐漸減小。這是由于木粉粒度越高比表面積就越大，其所帶電荷量就越多，檢測的電壓信號就隨之增加。但在相同時間內(nèi)管道中流經(jīng)的空氣流量與木粉質(zhì)量流量卻隨著木粉粒度的變化而不相同，粒度越高的木粉其質(zhì)量流越大而空氣流量則相對減小，檢測的木粉濃度就隨之減小，而粒度越低的木粉結(jié)果則恰好與之相反。

經(jīng)以上分析得出，所設(shè)計的在線實時檢測木粉粒度的自動控制系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地檢測出木粉粒徑的大小。但在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，可能還會有金屬管道對木粉帶電荷的影響，以及加工過程中環(huán)境溫濕度及環(huán)境電位對木粉帶電荷的影響。因此，還需根據(jù)實際生產(chǎn)加工時的在線檢測采集到的電信號與線下實測對應(yīng)木粉粒度情況進(jìn)行修整，邊試驗邊修正。對檢測系統(tǒng)進(jìn)行多次優(yōu)化設(shè)計及反復(fù)試驗后可以將其用于超細(xì)木粉機(jī)的生產(chǎn)加工。

4　結(jié)論

為實現(xiàn)不同粒徑的木粉自動生產(chǎn)加工，依據(jù)不同粒度的木粉所帶電量的不同，設(shè)計了木粉生產(chǎn)過程中實時檢測木粉粒徑大小的在線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)理論分析和試驗測試表明，在相同時間內(nèi)檢測木粉的帶電量隨木粉粒度的增加而不斷增加，但其相應(yīng)的木粉濃度卻不斷降低。而如果將該檢測系統(tǒng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)的檢測中還需考慮金屬管道、環(huán)境電位及溫濕度對木粉帶電量的影響。如果能處理好環(huán)境對其的影響，則該系統(tǒng)成本低廉且可適用于其它粉體的粒徑檢測，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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On-line Detection System Design for Grain Size of Superfine Wood Powder

YANG Dong-xia,QU Ming-zhe,ZHANG Tian-mei,FAN Li-han

(School Technology of Harbin University,Harbin Heilongjiang 150086,P.R.China)

To realize the automation production of the superfine wood powder,an on-line measuring control system was designed according to the influence of the wood powder particle size,concentration,processing characteristic and transportation speed on the electric charge.The system is mainly composed of electrostatic sensor,analog signal acquisition,signal processing,data processing and transmission.It is a kind of wood powder grain size online real-time detection system.Compared with the powder of offline detection,it has the characteristics of real time,continuity,and intelligence.This online system is used in the experiment verification,and the results showed that the wood powder grain size was gradually increasing with the increase of the voltage signal,while the wood powder detecting concentration was gradually decreases with the increase of the powder mesh.The influence of the wood flour grain size to the charge and the concentration were also analyzed in this study.

superfine wood powder;grain size;electrostatic sensor;online real-time detection

2015-09-28

哈爾濱學(xué)院博士基金(HUDF2014-011),黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12533043),哈爾濱市科技項目(2014RFQXJ144)。

楊冬霞(1976-)女，講師，博士，主要從事木材的微細(xì)加工研究。E-mail:1044908322@qq.com

TQ 351

A

1672-8246(2016)04-0054-06

doi:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.04.009