連 萌，葛玉萍

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475004）

0 引言

物料的懸浮速度是兩相流中一個重要原始計算參數(shù)，它在固體顆粒篩選(收集或分離)、噴霧干燥(或冷卻)、噴霧吸收，以及煙氣的降塵等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。 一般情況下，物料的自由懸浮速度是不一樣的，所以在設(shè)計制造相關(guān)風選和風送設(shè)備時，首先要對懸浮速度問題進行研究。

當豎直向上的氣流流過固體顆粒時，繞流阻力和固體顆粒所受到的浮力使顆粒向上運動，而顆粒自身的重力則是豎直向下的。 在繞流阻力、浮力和重力的共同作用下，固體顆粒會處在平衡狀態(tài)，即固體顆粒將處在一個水平面上，呈波動狀態(tài)，既不上升也不下降。 使固體顆粒處于懸浮狀態(tài)下豎直向上的氣流速度被定義為懸浮速度[2]。 懸浮速度是極為重要的參數(shù)，一直是研究者、設(shè)計者關(guān)心的問題[3]。 但是國內(nèi)外對物料懸浮速度測試設(shè)備的研究一直很少，僅僅停留在簡單的機械裝備上。存在著操作煩瑣、數(shù)據(jù)誤差大等缺點。 因此，本文認為有必要對現(xiàn)有的物料懸浮速度測試裝置進行智能化、高精度的優(yōu)化設(shè)計改進。

1 現(xiàn)有測試裝置的測試原理及存在問題

1.1 測試原理

圖1 傳統(tǒng)的物料懸浮速度測試裝置Fig.1 Traditional material suspension speed detecting devices

傳統(tǒng)的物料懸浮速度測試裝置由風量調(diào)節(jié)機構(gòu)、軸流風機、上穩(wěn)流管、錐形觀察筒、下穩(wěn)流管、集流盤、氣流柵格和物料托盤組成（如圖1 所示）。 集流盤的作用是盡量使氣流為層流，以保證測量結(jié)果的準確性。 上穩(wěn)流管和下穩(wěn)流管的內(nèi)壁粗糙度要很小，并有一定的長度，以減少紊流對試驗準確性的影響。 氣流柵格具有穩(wěn)定氣流的作用，使氣流在錐形觀察筒中的分布均勻。 柵格采用蜂窩狀柵格，截面處各點的速度趨于相等。 錐形觀察筒是由有機玻璃壓制而成的，部分透明，可以從此處隨時觀察筒內(nèi)物料的位置和情況。 該裝置通過調(diào)節(jié)風量調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變進入測試系統(tǒng)的風量Q。因為錐筒上、下穩(wěn)流管的橫截面積S 一定，由Q=V·S，可以得知速度V 與進入測試系統(tǒng)的風量成正比。 所以，當風量增大到一定程度，物料就會在錐形觀察筒的某一位置上下波動，呈懸浮狀態(tài)。 記下物料的懸浮位置和風量調(diào)節(jié)裝置的位置，關(guān)閉風機電源，待物料落下后，取出物料，把風速測試儀放在物料的懸浮位置處，開啟風機，待氣流穩(wěn)定后讀出風速測試儀的數(shù)據(jù)，此時，物料懸浮位置處的風速即為物料的懸浮速度。

1.2 存在的問題

（1）現(xiàn)行設(shè)備的風量調(diào)節(jié)機構(gòu)采用的是手動調(diào)節(jié)，精度低、均勻調(diào)速性能差，而且受外部環(huán)境干擾較大。 由于風速的變化率不穩(wěn)定，造成風速忽大忽小。 風速較小時，物料可能不會被吸入錐形觀察筒中，風速過大，又導致物料穿過扇葉、沖出筒外。 理想的風速很難達到，致使測量結(jié)果不準確。

（2）測量程序煩瑣。 每次測量都要先記下物料懸浮的具體位置，關(guān)掉風機，再安裝風速測試儀，讀出物料的懸浮速度。 另外，由于管子中橫截面上各點的風速不一致，以及農(nóng)業(yè)物料的外形尺寸不規(guī)則，致使物料在垂直管道中上下翻滾，不易穩(wěn)定在某一位置，并且上下波動的幅度比較大，所以難以準確測定物料的具體懸浮位置。

2 智能化測試裝置的設(shè)計

由于現(xiàn)有測試裝置存在著操作煩瑣、數(shù)據(jù)誤差大等缺點，所以有必要對現(xiàn)有的物料懸浮速度測試裝置進行優(yōu)化設(shè)計和改進。 即，在機械機構(gòu)控制測試懸浮速度裝置的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟硬件進行改進：增加智能測試裝置（包括光源、光學成像透鏡、光電圖像傳感器）和信息數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（包括單片機、輸入輸出設(shè)備等），并用步進電機來代替普通電機作為測試系統(tǒng)的動力輸出設(shè)備[4]。

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

該智能物料懸浮速度測試裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 其工作流程為：開啟設(shè)備，把待測物料放入集流罩下面的托盤上，單片機控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，使其由小逐漸變大。 因此，風速也由小逐漸變大，當風速達到一定值時，即物料受到的向上吸引力大于本身重量時，物料開始向上運動，進入錐形觀察筒。 在設(shè)備開啟后，錐形觀察筒中的傳感器一直掃描觀察筒中是否有物料通過。 如果沒有物料通過，則通過步進電機，再次加大其轉(zhuǎn)動速度；如果有物料通過，則確定物料的具體懸浮位置。 此時，根據(jù)步進電機的轉(zhuǎn)動情況，可以確定出錐口的風速，再根據(jù)物料的懸浮高度，由單片機自動計算物料的懸浮速度，并通過液晶顯示器顯示，或者通過打印機打印出來。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件是一個小型的分布式數(shù)據(jù)采集與輸入、輸出控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 該硬件系統(tǒng)主要由CCD 圖像傳感器采集物料懸浮位置，通過單片機控制步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，當感應(yīng)到物料時，再根據(jù)懸浮高度計算懸浮速度。 另外，還有鍵盤、液晶顯示器和輸出打印設(shè)備等。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System hardware structure

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 自動測試模塊的工作流程

系統(tǒng)工作時，根據(jù)用戶的按鍵選擇，進入自動測試模塊。 進入此模塊后，按鍵處于無效狀態(tài)，直至系統(tǒng)完成此次任務(wù)，也就確定了物料和懸浮位置。 然后，提醒用戶進行計算，或者通過串行通信把此數(shù)據(jù)傳給計算機，由計算機保存數(shù)據(jù)，并進行更進一步的運算。

在自動測試模塊中，首先是啟動步進電機，其次是進入傳感器模塊，來檢測物料的通過狀態(tài)，并把此信息傳給單片機。 單片機在接收到傳感器傳送來的信息后，判斷物料是否達到懸浮位置。 如果沒有物料通過，則步進電機加速，重復上面的過程，直至有物料通過。 系統(tǒng)則提示用戶按鍵進行計算物料的懸浮速度，或把數(shù)據(jù)傳送給計算機。 其程序流程如圖4 所示。

圖4 自動測試模塊流程圖Fig.4 Automatic testing module flow-process

2.3.2 懸浮速度的測試原理

錐形觀察筒的形狀尺寸如圖5 所示。 假設(shè)下底面（錐口）的半徑為r，斜邊與上底面的夾角為θ，物料懸浮的相對高度為h，懸浮物料所在位置的半徑為R，則由三角形相似原理可得

由式（1）可知懸浮物料所在位置的半徑為

假設(shè)物料在錐形觀察筒錐口的速度為V0，在相對懸浮高度h 處的速度為Vh。 根據(jù)質(zhì)量守恒定律[5]，單位時間內(nèi)流入錐口斷面的流體質(zhì)量應(yīng)等于單位時間內(nèi)流出斷面的流體質(zhì)量，即

消去π 和dt 后，便可得出不同斷面上反映兩斷面間質(zhì)量平衡的連續(xù)性方程（即可壓縮流體的連續(xù)性方程），即

式（4）說明：相對錐口高度h 處的平均流速Vh與錐口風速V0、高度h、錐口半徑r 及母線與底面的夾角θ 有關(guān)。

當檢測裝置的硬件機械部分確定下來之后，錐口半徑r 及母線與底面的夾角θ 也隨之確定下來，它們的值就成了一個常數(shù)。 因為錐口風速的大小與電機的轉(zhuǎn)動速度有關(guān)，因此我們可以建立電機轉(zhuǎn)動速度與錐口風速的一一對應(yīng)關(guān)系。 從而可以得到相對錐口高度h 處的平均流速與電機的轉(zhuǎn)動速度和高度h 之間的關(guān)系式。

因為同種農(nóng)業(yè)物料的形狀、水分含量和運動時的方位差別很大，每次所測試的懸浮速度都是介于某一范圍，而不是某一精確值，但其誤差一般不超過1m/s。 所以，從理論上說，為了提高測試的精度，錐形觀察筒的高度應(yīng)足夠高、θ 值應(yīng)足夠大。

2.3.3 計算模塊程序設(shè)計[6]

整個單片機系統(tǒng)的程序共分為7 個模塊，即主程序模塊、自動測試模塊、手動測試模塊、傳感器模塊，步進電機驅(qū)動模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)計算程序模塊。 每個模塊都具有其特定的功能，各模塊間既相互獨立又相互聯(lián)系。 有的模塊還包含一些子模塊，高級模塊可以調(diào)用低級模塊。 這里只對計算模塊進行介紹。

系統(tǒng)通過自動測試模塊或手動測試模塊完成了對物料懸浮狀態(tài)的掃描定位，并通過傳感器把物料的懸浮位置信息傳送給單片機。 在本檢測系統(tǒng)中，采用數(shù)組來存儲此信息。因為TCD1001P 共有128個光敏單元，故定義了local[127]數(shù)組分別來存儲物料的懸浮狀態(tài)。 local[0]存儲第1 個光敏單元的位置狀態(tài)，local[1]存儲第2 個光敏單元的位置狀態(tài)，local[2]存儲第3 個光敏單元的位置狀態(tài)，……，local[127]存儲第128 個光敏單元的位置狀態(tài)。 在本檢測裝置中，對物料的具體形態(tài)不作規(guī)定，主要檢測在某一位置是否有物料懸浮。 本系統(tǒng)通過光敏單元的閥值比較可達到這一目的。 首先，確定一個光敏單元的流值，當檢測到的光敏單元的流值大于這個值時，表示在此位置無物料懸浮；小于或等于這個值時，表示有物料在此位置懸浮。 可設(shè)1 和0 分別表示物料的有無。 如果在測試范圍的最低位置有物料懸浮，則local[0]=1；如果沒有物料懸浮，則local[0]=0。

按此算法計算下去，如果在位置i 上有物料懸浮，則local[0]=1，如果沒有物料懸浮，則local[0]=0。 對local[i]=1 的數(shù)組，其平均值即為物料懸浮的平均位置。 根據(jù)此時PWM 的占空比，計算出步進電機的轉(zhuǎn)動速度。 最后根據(jù)公式（4），即可得到物料的懸浮速度。 其程序流程如圖6 所示。

3 結(jié)語

本文將懸浮速度機械測試裝置與電子信息技術(shù)結(jié)合起來，采用單片機控制，利用步進電動機、光電傳感器、液晶顯示器、鍵盤、A/D 轉(zhuǎn)換等器件設(shè)計成了智能化快速式物料懸浮速度測試試驗臺，實現(xiàn)了風門大小自動調(diào)控和確定物料懸浮位置的智能化，提高了系統(tǒng)的測量精度，簡化了系統(tǒng)的操作。

圖6 懸浮速度計算模塊流程圖Fig.6 Suspension speed computed flow-process

本課題的難點問題在于利用光電傳感器來確定物料的具體位置。 由于物料形狀的不規(guī)則和質(zhì)量不均勻性，導致物料在錐形觀察筒中上下浮動，使得難以得到物料的具體位置，增加了測量的難度。

[1] 賈磊，劉曉玲，龐子瑞. 仿真技術(shù)在物料懸浮速度計算中的應(yīng)用[J]. 開封大學學報，2004（4）：81-84.

[2] 周祖鍔. 農(nóng)業(yè)物料學[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1994：88-99.

[3] Mi n，P.I.，Kutzbach，H.D.Mathematical modeling of grain separation process Over the length of straw walkers.American Society of Agricultural Engineers v 1 Aug 1D-14 1997 ASAE 16p 0145-0166 In English.

[4] 王威立. 單片機控制的物料懸浮速度測試系統(tǒng)研究與設(shè)計[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2009.

[5] 王保國，劉淑艷，黃偉光. 氣體動力學[M]. 北京：北京理工大學出版社，2003：307-313.

[6] 劉文濤. 單片機語言C51 典型應(yīng)用設(shè)計[M]. 北京：人民郵電出版社，2005：121-145.