樓梁偉，朱長華，何　龍，謝永江( 1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

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骨料含水率在線檢測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

樓梁偉1，2，朱長華1，2，何龍1，2，謝永江1，2
( 1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

摘要:針對(duì)混凝土骨料含水率波動(dòng)頻繁，常規(guī)取樣檢測頻率低、時(shí)效差的突出問題，提出了基于微波測濕原理的骨料含水率在線檢測技術(shù)。介紹了微波法測量含水率的工作原理與方法，研究了含水率傳感器的基本結(jié)構(gòu)，開發(fā)了含水率在線檢測系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和精確度，作業(yè)高效，可提高混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制水平。

關(guān)鍵詞:骨料含水率微波傳感器在線檢測混凝土

混凝土骨料就地取材、露天生產(chǎn)、易受環(huán)境影響的特點(diǎn)長期制約著混凝土質(zhì)量。目前骨料含水率通常采用取樣烘干后檢測含水率的辦法，但存在取樣不均、試驗(yàn)時(shí)間長、結(jié)果滯后的問題，難以保證混凝土實(shí)際用水量、骨料用量與設(shè)計(jì)用量相吻合，也未能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和調(diào)整。傳統(tǒng)含水率在線檢測方法很多，通常采用電容法、電阻法、中子法、紅外線法等［1-2］，但存在測量精度不高、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備體積較大、儀器穩(wěn)定性差等問題［3］，應(yīng)用受到限制。因此，本文針對(duì)骨料含水率頻繁變化引起的混凝土質(zhì)量波動(dòng)，以及離線含水率檢測結(jié)果滯后等引發(fā)的混凝土質(zhì)量管理難題，開發(fā)了基于微波法的骨料含水率在線檢測系統(tǒng)。用于輔助實(shí)現(xiàn)混凝土質(zhì)量的動(dòng)態(tài)控制，保證混凝土生產(chǎn)質(zhì)量的均質(zhì)性與穩(wěn)定性。

1　含水率傳感器

1．1工作原理

含水率檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件是含水率檢測傳感器，主要基于微波測濕原理，其中共振頻率與濕度變化關(guān)系如圖1所示。微波測濕技術(shù)是通過測量物質(zhì)的有效介電常數(shù)從而測得物質(zhì)的濕度［4］。研究表明，當(dāng)微波通過含水物質(zhì)時(shí)，由水分引起的微波能量損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它干物質(zhì)引起的損耗;物質(zhì)中的含水量將顯著影響其介電常數(shù)的實(shí)部和虛部［5-6］。因此，通過測量與介電常數(shù)相關(guān)的物理量，包括微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率等，便能間接得到該物質(zhì)中的含水量。

圖1共振頻率與濕度變化關(guān)系

由圖1可知，微波在空氣中的峰值較高，波的幅值和頻率最大、最強(qiáng)。然而當(dāng)接觸含有水分的物料時(shí)，微波的幅值和頻率都顯著降低，變成另一種波形。因此定義:在空氣中濕度值為0時(shí)，微波測濕裝置顯示非標(biāo)度值f空氣= 0;在水中濕度值為100%時(shí)，微波測濕裝置顯示非標(biāo)度值f水= 100。對(duì)于其他任意濕度值的物料，測濕裝置的顯示非標(biāo)度值介于0～100，對(duì)應(yīng)波形在最強(qiáng)及最弱波形之間。

含水率傳感器測量的是單位空間的含水量。骨料含水率ω可通過下式計(jì)算

式中: Ms為單位空間水的質(zhì)量; Mz為單位空間內(nèi)的物料質(zhì)量。

1. 2基本結(jié)構(gòu)

含水率傳感器包括測試區(qū)、固定區(qū)與傳輸區(qū)三大部分，數(shù)據(jù)有效采集頻率為25次/min，可以實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償。傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，a是傳感器金屬外壁，所選不銹鋼材料強(qiáng)度高、抗磨性能好，具備優(yōu)良的抗干擾能力。根據(jù)需求，合理設(shè)計(jì)外壁的直徑與厚度，以提高測量穩(wěn)定性。b是傳感器內(nèi)部組件，隱藏于堅(jiān)固的不銹鋼外殼內(nèi)，包含信號(hào)收發(fā)器、溫度探測器、集成電路、半導(dǎo)體器件等。c是傳感器傳輸接口，可通過3種傳輸方式連接到后續(xù)中央控制單元進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)在線檢測。d是可更換高抗磨陶瓷面板，微波從此處穿透并接收反射回波信號(hào)。陶瓷面板對(duì)微波傳輸衰減小，同時(shí)具備高強(qiáng)度、防水、絕緣、易維護(hù)等特性。

圖2傳感器結(jié)構(gòu)

2　含水率檢測系統(tǒng)

含水率檢測系統(tǒng)包括含水率測量系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。其中，含水率測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)骨料含水量的在線檢測;信號(hào)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)信號(hào)的實(shí)時(shí)接收、上傳;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理與分析;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，以及使用數(shù)據(jù)管理庫下載、查詢、打印報(bào)表等功能。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先將傳感器檢測到的物料含水率轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)，隨后該電流信號(hào)被傳輸至含水率檢測模塊;含水率檢測模塊自動(dòng)讀取此信號(hào)，并根據(jù)電流大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值即含水率，最終在模塊中實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，所測含水率可通過以太網(wǎng)同步傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端，計(jì)算機(jī)根據(jù)上料信號(hào)自動(dòng)計(jì)算每一盤混凝土骨料的平均含水率與瞬時(shí)含水率。

3　系統(tǒng)測試

將含水率傳感器安裝在定制物料斗的卸料門處，當(dāng)物料下落流經(jīng)傳感器時(shí)，傳感器測得的A/D信號(hào)會(huì)及時(shí)送入測試系統(tǒng)中，經(jīng)信號(hào)過濾與數(shù)據(jù)運(yùn)算后，含水率數(shù)值實(shí)時(shí)顯示在PC終端上。含水率試驗(yàn)裝置如圖3所示。為了保證物料含水率采集的準(zhǔn)確性，濾除物料不均勻流動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，設(shè)計(jì)了專用料流檢測裝置，如圖4所示。該裝置具有控制料流速度、高度以及提高采集穩(wěn)定性的功能。

因含水率傳感器的特殊性，對(duì)應(yīng)不同的物料應(yīng)采用不同的工作參數(shù)，因此需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后需要做重復(fù)性測試，一是對(duì)校準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，驗(yàn)證采集的含水率的準(zhǔn)確性;二是對(duì)物料的狀態(tài)，包括物料的成分穩(wěn)定性、流動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行測試，便于對(duì)傳感器的安裝位置及安裝方法做出調(diào)整。圖5為傳感器A/D值隨砂子含水率變化曲線。

圖3含水率試驗(yàn)裝置

圖4料流檢測裝置(單位: mm)

圖5傳感器A/D值隨砂子含水率變化曲線

由圖5可知，當(dāng)砂子流經(jīng)傳感器表面時(shí)，傳感器所采集的A/D值均先增大，隨后保持穩(wěn)定，之后又逐漸降低; A/D值隨砂子含水率的變化而變化，砂子含水率越大，A/D值越大。上述情況表明傳感器獲取的A/D值與砂子含水率具有一致性，呈良好的變化規(guī)律。

采用線性擬合的方法，針對(duì)骨料含水率及傳感器A/D值作圖分析，骨料含水率與A/D值的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知，骨料含水率和A/D值呈線性分布，其關(guān)系式為y = 0. 000 7x－14. 181。式中: y為骨料含水率，x為A/D值。經(jīng)相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)R2為0. 954 4，表明含水率與A/D值存在較好的線性相關(guān)關(guān)系。

圖6骨料含水率與A/D值的關(guān)系

4　工程應(yīng)用

將含水率在線檢測系統(tǒng)集成到預(yù)拌混凝土生產(chǎn)控制管理系統(tǒng)中，如圖7所示。選取某混凝土拌合站的機(jī)制砂作為檢測對(duì)象，在砂倉下料口安裝含水率傳感器與流量檢測裝置。根據(jù)物料實(shí)際情況對(duì)傳感器進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)與重復(fù)性測試。

在混凝土連續(xù)生產(chǎn)過程中，采用含水率檢測系統(tǒng)與人工取樣檢測方法，分別獲得含水率檢測值與實(shí)測值，并計(jì)算兩者偏差。含水率檢測系統(tǒng)現(xiàn)場測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知:骨料含水率在線檢測系統(tǒng)較穩(wěn)定，含水率檢測值與實(shí)測值結(jié)果比較一致;實(shí)測最大偏差為－0. 41%，檢測精度可以有效控制在±0. 5%以內(nèi)，能達(dá)到預(yù)期效果。在混凝土生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，通過管理系統(tǒng)中的含水率實(shí)時(shí)采集、顯示與提醒功能，在線檢測系統(tǒng)可以幫助操作人員實(shí)時(shí)控制混凝土質(zhì)量。

圖7預(yù)拌混凝土生產(chǎn)控制管理系統(tǒng)示意

圖8含水率檢測系統(tǒng)現(xiàn)場測試結(jié)果

5　結(jié)論

運(yùn)用微波測濕技術(shù)，開發(fā)了骨料含水率在線檢測系統(tǒng)。通過室內(nèi)、現(xiàn)場分步測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性以及精確度，并成功應(yīng)用于混凝土拌合站。實(shí)踐證明，含水率檢測系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地指導(dǎo)混凝土配料時(shí)的骨料用量和拌合水用量，保證按施工配合比進(jìn)行精確配料和穩(wěn)定生產(chǎn)，大幅提高了混凝土的質(zhì)量，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了混凝土生產(chǎn)自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)

［1］李安明．混凝土生產(chǎn)過程砂含水率在線測定和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难芯浚跩］．工業(yè)建筑，1992( 4) : 21-25．

［2］劉昊，高建民，張壁光．非接觸式木材含水率檢測方法與應(yīng)用［J］．干燥技術(shù)與設(shè)備，2009，7( 5) : 233-236．

［3］黃原信．砂石含水量測量系統(tǒng)研究［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2007．

［4］呂文選．微波測濕技術(shù)中的幾個(gè)物理問題［J］．電子測量與儀器學(xué)報(bào)，1987，1( 1) : 24-30．

［5］時(shí)振棟，黎安堯，王晦光．電磁波的應(yīng)用［M］．北京:高等教育出版社，1990．

［6］左春蘭，丁言鎂．微波測濕原理及其應(yīng)用［J］．微波學(xué)報(bào)，2005，21(增1) : 153-156．

(責(zé)任審編鄭冰)

Development and application of on-line inspection system for aggregate moisture

LOU Liangwei1，2，ZHU Changhua1，2，HE Long1，2，XIE Yongjiang1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:For the problems of the moisture frequent fluctuation of concrete aggregate and low frequency and low efficiency of regular sample inspection，based on the principle of microwave measuring moisture of on-line inspection technology for aggregate moisture was proposed．T he working principles and methods for measuring moisture by using microwave and the structure of microwave sensor were introduced．T hen developed the on-line inspection system for aggregate moisture．T he results show that the inspection system for aggregate moisture improve the level of controlling concrete production with good stability，accuracy and high efficiency．

Key words:Aggregate; M oisture; M icrowave sensor; On-line detection; Concrete

中圖分類號(hào):TU528．041

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．21

作者簡介:樓梁偉( 1982—)，男，助理研究員，碩士。

基金項(xiàng)目:中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目( 2013YJ024)

收稿日期:2015-11-30;修回日期: 2015-12-22