濕型砂含水量的測量裝置及基于該裝置的含水量測量方法
【專利摘要】濕型砂含水量的測量裝置及基于該裝置的含水量測量方法，涉及鑄造檢測領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有的電容法通過測量濕型砂的電容值來計算含水量時，因受電阻性的影響而使測量精度不高的問題。測量裝置由濕型砂含水量信號拾取模塊、信號周期測量模塊、門控、平方運(yùn)算模塊、基準(zhǔn)電壓模塊、調(diào)零模塊、差動放大模塊、定標(biāo)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、ARM測控系統(tǒng)、含水量顯示模塊組成。測量方法如下：一、加入濕型砂；二、濕型砂含水量信號拾取模塊得到電信號u(t)；三、信號周期測量模塊測得u(t)的周期Tx；四、調(diào)零模塊輸出調(diào)零信號T0；五、差動信號經(jīng)定標(biāo)模塊計算得到；六、ARM測控系統(tǒng)求得體積含水量。本發(fā)明適用于濕型砂含水量的測量。
【專利說明】
濕型砂含水量的測量裝置及基于該裝置的含水量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于鑄造檢測領(lǐng)域，具體涉及濕型砂含水量的測量裝置及基于該裝置的含 水量測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 濕型砂的性能及其穩(wěn)定性直接影響鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。含水量作為濕型砂的 主要組分之一，對其實時測量至關(guān)重要。
[0003] 目前，濕型砂含水量的測量可分為直接法和間接法兩大類。直接方法是通過干燥 或化學(xué)的方法，直接測量濕型砂中的絕對含水量，雖然測量精度高，但測試過程復(fù)雜。間接 法是通過測量與水分有關(guān)的物理量來測定濕型砂的水分，一般速度較快，其中電容法是使 用較多的間接測量方法之一，它的基本原理是，當(dāng)被測濕型砂的水分發(fā)生變化時，會引起濕 型砂電容值的變化，通過測得濕型砂的電容值，再根據(jù)水量與電容值之間的已有關(guān)系，即可 快速計算出含水量的大小。但是，濕型砂在高頻電場激勵下，表現(xiàn)出阻容二象性，電容值要 受電阻的影響，即，使用電容法的通過測量電容值來計算含水量時，其精度必受電阻的影響 而降低。因此，提供其它的濕型砂含水量的測量裝置及含水量測量方法非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的電容法通過測量濕型砂的電容值來計算含水量時，因受電 阻性的影響而使測量精度不高的問題，提供了一種濕型砂含水量的測量裝置及基于該裝置 的含水量測量方法。
[0005] 濕型砂含水量的測量裝置，它包括濕型砂含水量信號拾取模塊、信號周期測量模 塊、門控、平方運(yùn)算模塊、基準(zhǔn)電壓模塊、調(diào)零模塊、差動放大模塊、定標(biāo)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、 ARM測控系統(tǒng)、含水量顯示模塊，所述的濕型砂含水量信號拾取模塊它還包括激勵信號源、 高頻電容水分傳感器、振蕩器、信號轉(zhuǎn)換電路。
[0006] 所述的濕型砂含水量信號拾取模塊的信號輸出端與所述的信號周期測量模塊的 第一信號輸入端連接，所述的信號周期測量模塊的第二信號輸入端與所述的門控的控制信 號輸出端連接，所述的信號周期測量模塊的信號輸出端與所述的平方運(yùn)算模塊的信號輸入 端連接，所述的平方運(yùn)算模塊的信號輸出端與所述的差動放大模塊的同相信號輸入端連 接，所述的基準(zhǔn)電壓模塊的基準(zhǔn)電壓輸出端與所述的調(diào)零模塊的基準(zhǔn)電壓輸入端相連，所 述的調(diào)零模塊的信號輸出端與所述的差動放大模塊的反相信號輸入端連接，所述的差動放 大模塊的信號輸出端與所述的定標(biāo)模塊的信號輸入端連接，所述的定標(biāo)模塊的信號輸出端 與所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果信號輸出端 與所述的ARM測控系統(tǒng)的信號輸入端連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換周期結(jié)束信號輸出端 與所述的門控的控制信號輸入端連接，所述的ARM測控系統(tǒng)的第一信號輸出端與所述的含 水量顯示模塊的信號輸入端連接，所述的ARM測控系統(tǒng)的第二信號輸出端與所述的激勵信 號源的控制信號輸入端連接。
[0007] 所述的由激勵信號源、高頻電容水分傳感器、振蕩器、信號轉(zhuǎn)換電路組成的濕型砂 含水量信號拾取模塊的電路，它包括構(gòu)成高頻電容水分傳感器并聯(lián)等效模型的濕型砂電阻 R x和濕型砂電容Cx、附加電容Co、并聯(lián)電容C、并聯(lián)電感L、去耦有功電阻R、激勵信號源和振蕩 器，所述的去耦有功電阻R的第二端與激勵信號源的第一端串聯(lián)，所述的附加電容Co的第二 端與振蕩器的第一端串聯(lián)，所述的濕型砂電阻R x、濕型砂電容Cx、附加電容Co、并聯(lián)電容C、并 聯(lián)電感L、去耦有功電阻R的第一端均并聯(lián)在一起，所述的濕型砂電阻R x、濕型砂電容Cx、振蕩 器、并聯(lián)電容C、并聯(lián)電感L、激勵信號源的第二端均并聯(lián)在一起。
[0008] 所述的激勵信號的頻率不低于20MHz、不高于40MHz。
[0009] 濕型砂含水量的測量裝置測量濕型砂含水量的方法包括以下步驟： 步驟一、在高頻電容水分傳感器中加入被測濕型砂； 步驟二、在ARM測控系統(tǒng)的控制下，向激勵信號源發(fā)出控制信號，啟動激勵信號源，產(chǎn)生 頻率為ω的高頻激勵信號，在振蕩器的斷續(xù)作用下，經(jīng)濕型砂含水量信號拾取模塊進(jìn)行參 數(shù)調(diào)制后轉(zhuǎn)變成斷續(xù)交替的電信號u(t); 步驟三、來自A/D轉(zhuǎn)換模塊的A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束信號脈沖觸發(fā)門控，開啟信號周期測量 模塊，對電信號u(t)進(jìn)行測量，獲得電信號u(t)的周期Tx，并經(jīng)平方運(yùn)算模塊平方運(yùn)算后， 送至差動放大模塊的同相信號輸入端； 步驟四、來自基準(zhǔn)電壓模塊的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)調(diào)零模塊運(yùn)算后得到周期調(diào)零信號To,并送 至差動放大模塊的反相信號輸入端； 步驟五、差動放大模塊的輸出信號定標(biāo)模塊計算后，得到定標(biāo)后的信號 ，并送至A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送ARM測控系統(tǒng)； 步驟六、ARM測控系統(tǒng)根據(jù)已有的濕型砂體積含水量《與的關(guān)系 自動求得體積含水量w，然后送至含水量顯示模塊進(jìn)行顯示輸出。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)： 通過測量激勵信號源高頻激勵下濕型砂含水量信號拾取模塊輸出信號的周期，進(jìn)而計 算濕型砂的體積含水量，避開了傳統(tǒng)電容法通過直接測量電容值計算含水量時，因受濕型 砂電阻的影響而造成含水量精度的問題，使得濕型砂含水量的測量精度大大提高。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明所述的濕型砂含水量的測量裝置的構(gòu)成框圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明中由激勵信號源、高頻電容水分傳感器、振蕩器、信號轉(zhuǎn)換電路組成 的濕型砂含水量信號拾取模塊的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0013]
【具體實施方式】一:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的濕型砂含水量的測 量裝置，它包括濕型砂含水量信號拾取模塊1、信號周期測量模塊2、門控3、平方運(yùn)算模塊4、 基準(zhǔn)電壓模塊5、調(diào)零模塊6、差動放大模塊7、定標(biāo)模塊8、A/D轉(zhuǎn)換模塊9、ARM測控系統(tǒng)10、含 水量顯示模塊11，所述的濕型砂含水量信號拾取模塊1它還包括激勵信號源1-1、高頻電容 水分傳感器2-2、振蕩器1-3、信號轉(zhuǎn)換電路1-4。
[0014] 所述的濕型砂含水量信號拾取模塊1的信號輸出端與所述的信號周期測量模塊2 的第一信號輸入端連接，所述的信號周期測量模塊2的第二信號輸入端與所述的門控3的控 制信號輸出端連接，所述的信號周期測量模塊2的信號輸出端與所述的平方運(yùn)算模塊4的信 號輸入端連接，所述的平方運(yùn)算模塊4的信號輸出端與所述的差動放大模塊7的同相信號輸 入端連接，所述的基準(zhǔn)電壓模塊5的基準(zhǔn)電壓輸出端與所述的調(diào)零模塊6的基準(zhǔn)電壓輸入端 相連，所述的調(diào)零模塊6的信號輸出端與所述的差動放大模塊7的反相信號輸入端連接，所 述的差動放大模塊7的信號輸出端與所述的定標(biāo)模塊8的信號輸入端連接，所述的定標(biāo)模塊 8的信號輸出端與所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊9的信號輸入端連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊9的A/D轉(zhuǎn)換 結(jié)果信號輸出端與所述的ARM測控系統(tǒng)10的信號輸入端連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊9的轉(zhuǎn)換 周期結(jié)束信號輸出端與所述的門控3的控制信號輸入端連接，所述的ARM測控系統(tǒng)10的第一 信號輸出端與所述的含水量顯示模塊11的信號輸入端連接，所述的ARM測控系統(tǒng)10的第二 信號輸出端與所述的激勵信號源1-1的控制信號輸入端連接。
【具體實施方式】 [0015] 二：結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與一 不同的在于，所述的由激勵信號源1-1、高頻電容水分傳感器1-2、振蕩器1-3、信號轉(zhuǎn)換電路 1-4組成的濕型砂含水量信號拾取模塊1的電路，它包括構(gòu)成高頻電容水分傳感器1-1并聯(lián) 等效模型的濕型砂電阻R x和濕型砂電容Cx、附加電容Co、并聯(lián)電容C、并聯(lián)電感L、去耦有功電 阻R、激勵信號源1-1和振蕩器1-3,所述的去耦有功電阻R的第二端與激勵信號源1-1的第一 端串聯(lián)，所述的附加電容Co的第二端與振蕩器1-3的第一端串聯(lián)，所述的濕型砂電阻R x、濕型 砂電容Cx、附加電容Co、并聯(lián)電容C、并聯(lián)電感L、去耦有功電阻R的第一端均并聯(lián)在一起，所述 的濕型砂電阻R x、濕型砂電容Cx、振蕩器1-3、并聯(lián)電容C、并聯(lián)電感L、激勵信號源1-1的第二 端均并聯(lián)在一起。其他與一相同。
【具體實施方式】 [0016] 三:結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與一 或二的不同在于，本實施方式所述的激勵信號源1-1的頻率不低于20MHz、不高于40MHz。其 他與一或二相同。
[0017]
【具體實施方式】四：結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式基于所述的濕型砂 含水量的測量裝置測量濕型砂含水量的方法包括以下步驟： 步驟一、在高頻電容水分傳感器1-2中加入被測濕型砂； 步驟二、在ARM測控系統(tǒng)10的控制下，向激勵信號源1-1發(fā)出控制信號，啟動激勵信號源 1-1，產(chǎn)生頻率為ω的高頻激勵信號，在振蕩器1-3的斷續(xù)作用下，經(jīng)濕型砂含水量信號拾取 模塊1進(jìn)行參數(shù)調(diào)制后轉(zhuǎn)變成斷續(xù)交替的電信號u(t); 步驟三、來自A/D轉(zhuǎn)換模塊9的A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束信號脈沖觸發(fā)門控3,開啟信號周期測 量模塊2,對電信號u(t)進(jìn)行測量，獲得電信號u(t)的周期Tx，并經(jīng)平方運(yùn)算模塊4平方運(yùn)算 后，送至差動放大模塊7的同相信號輸入端； 步驟四、來自基準(zhǔn)電壓模塊5的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)調(diào)零模塊6運(yùn)算后得到周期調(diào)零信號To,并 送至差動放大模塊7的反相信號輸入端； 步驟五、差動放大模塊7的輸出信號j定標(biāo)模塊8計算后，得到定標(biāo)后的信號 并送至A/D轉(zhuǎn)換模塊9進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送ARM測控系統(tǒng)10; 步驟六、ARM測控系統(tǒng)10根據(jù)已有的濕型砂體積含水量w與=1?的關(guān)系fk丨 自動求得體積含水量w，然后送至含水量顯示模塊11進(jìn)行顯示輸出。
[0018] 下面對本步驟中濕型砂體積含水量w與的關(guān)系-植|分析如下： 參見附圖2所述的電路，該電路的高頻振蕩周期為:
，由此可得：
其中I，If \分別對應(yīng)單一的并聯(lián)電容C、附加電容Co、濕型砂電容Cx的振蕩周期。令 ，則可求得濕型砂的電容Cx為：
另一方面，濕型砂的電容Cx與其體積含水量w成正比，假設(shè)高頻電容水分傳感器1-2為 平行板式，則有：
其中％\ 分別為真空介電常數(shù)、水的介電常數(shù)、濕型砂中除水以外 其他組分的介電常數(shù)、高頻電容水分傳感器有效面積和極板間的距離。
[0019] 因此可得濕型砂的體積含水量w為：
其中k為常數(shù)，To為未加入濕型砂時濕型砂含水量信號拾取模塊1的振蕩周期，可通過 調(diào)零模塊6調(diào)零消除。
【具體實施方式】 [0020] 五:結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與四 不同的在于，所述的高頻電容水分傳感器1-2的為平行板式，且尺寸為極板長為80mm，寬為 10mm，極板間距離為20_。其他與四相同。
[0021] 本實施方式中，對不同水分的濕型砂含水量進(jìn)行了測量。安裝本實施方式所述的 高頻電容水分傳感器后，得到的常數(shù)k=46.57，測量裝置的測試結(jié)果并與標(biāo)準(zhǔn)烘干稱重法測 得的測試結(jié)果對比如下，
可見，相對誤差小于4%，說明測量精度較高。
[0022] 本發(fā)明不局限于上述實施方式，還可以是上述各種實施方式中所述技術(shù)特征的合 理組合。
【主權(quán)項】
1. 濕型砂含水量的測量裝置，其特征在于，它包括濕型砂含水量信號拾取模塊（1)、信 號周期測量模塊(2)、口控(3)、平方運(yùn)算模塊(4)、基準(zhǔn)電壓模塊(5)、調(diào)零模塊(6)、差動放 大模塊(7)、定標(biāo)模塊(8)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(9)、ARM測控系統(tǒng)（10)、含水量顯示模塊（11)，所述 的濕型砂含水量信號拾取模塊(1)它還包括激勵信號源（1-1)、高頻電容水分傳感器(2-2)、 振蕩器(1-3)、信號轉(zhuǎn)換電路(1-4); 所述的濕型砂含水量信號拾取模塊（1)的信號輸出端與所述的信號周期測量模塊(2) 的第一信號輸入端連接，所述的信號周期測量模塊(2)的第二信號輸入端與所述的口控(3) 的控制信號輸出端連接，所述的信號周期測量模塊(2)的信號輸出端與所述的平方運(yùn)算模 塊(4)的信號輸入端連接，所述的平方運(yùn)算模塊(4)的信號輸出端與所述的差動放大模塊 (7)的同相信號輸入端連接，所述的基準(zhǔn)電壓模塊巧)的基準(zhǔn)電壓輸出端與所述的調(diào)零模塊 (6)的基準(zhǔn)電壓輸入端相連，所述的調(diào)零模塊(6)的信號輸出端與所述的差動放大模塊(7) 的反相信號輸入端連接，所述的差動放大模塊(7)的信號輸出端與所述的定標(biāo)模塊(8)的信 號輸入端連接，所述的定標(biāo)模塊(8)的信號輸出端與所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊(9)的信號輸入端 連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊(9)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果信號輸出端與所述的ARM測控系統(tǒng)（10)的信號 輸入端連接，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊(9)的轉(zhuǎn)換周期結(jié)束信號輸出端與所述的口控(3)的控制 信號輸入端連接，所述的ARM測控系統(tǒng)（10)的第一信號輸出端與所述的含水量顯示模塊 (11)的信號輸入端連接，所述的ARM測控系統(tǒng)（10)的第二信號輸出端與所述的激勵信號源 (1-1)的控制信號輸入端連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕型砂含水量的測量裝置，其特征在于，所述的由激勵信號源 (1-1)、高頻電容水分傳感器(1-2)、振蕩器(1-3)、信號轉(zhuǎn)換電路(1-4)組成的濕型砂含水量 信號拾取模塊(1)的電路，它包括構(gòu)成高頻電容水分傳感器(1-1)并聯(lián)等效模型的濕型砂電 阻Rx和濕型砂電容Cx、附加電容Co、并聯(lián)電容C、并聯(lián)電感L、去禪有功電阻R、激勵信號源（1- 1)和振蕩器(1-3)，所述的去禪有功電阻R的第二端與激勵信號源（1-1)的第一端串聯(lián)，所述 的附加電容Co的第二端與振蕩器（1-3)的第一端串聯(lián)，所述的濕型砂電阻Rx、濕型砂電容Cx、 附加電容Co、并聯(lián)電容C、并聯(lián)電感L、去禪有功電阻R的第一端均并聯(lián)在一起，所述的濕型砂 電阻Rx、濕型砂電容Cx、振蕩器（1-3)、并聯(lián)電容C、并聯(lián)電感L、激勵信號源（1-1)的第二端均 并聯(lián)在一起。3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的濕型砂含水量的測量裝置，其特征在于，所述的激勵信號 源(1-1)的頻率不低于20MHz、不高于40MHz。4. 基于權(quán)利要求1和2所述的濕型砂含水量的測量裝置，其特征在于，基于所述的濕型 砂含水量的測量裝置測量濕型砂含水量的方法包括W下步驟： 步驟一、在高頻電容水分傳感器(1-2)中加入被測濕型砂； 步驟二、在ARM測控系統(tǒng)10的控制下，向激勵信號源（1-1)發(fā)出控制信號，啟動激勵信號 源（1-1)，產(chǎn)生頻率為ω的高頻激勵信號，在振蕩器(1-3)的斷續(xù)作用下，經(jīng)濕型砂含水量信 號拾取模塊(1)進(jìn)行參數(shù)調(diào)制后轉(zhuǎn)變成斷續(xù)交替的電信號u(t); 步驟Ξ、來自A/D轉(zhuǎn)換模塊(9)的A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束信號脈沖觸發(fā)口控(3)，開啟信號周 期測量模塊(2)，對電信號u(t)進(jìn)行測量，獲得電信號u(t)的周期Τχ，并經(jīng)平方運(yùn)算模塊(4) 平方運(yùn)算后，送至差動放大模塊(7)的同相信號輸入端； 步驟四、來自基準(zhǔn)電壓模塊(5)的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)調(diào)零模塊(6)運(yùn)算后得到周期調(diào)零信號 To,并送至差動放大模塊(7)的反相信號輸入端； 步驟五、差動放大模塊(7)的輸出信號-It)定標(biāo)模塊(8)計算后，得到定標(biāo)后的信號 ，并送至A/D轉(zhuǎn)換模塊(9)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送ARM測控系統(tǒng)（10); 步驟六、ARM測控系統(tǒng)（10)根據(jù)已有的濕型砂體積含水量W與的關(guān)系 心-k. ? Γ -if )自動求得體積含水量W，然后送至含水量顯示模塊（11)進(jìn)行顯示輸出。
【文檔編號】G01N27/22GK106093145SQ201610668296
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月15日 公開號201610668296.3, CN 106093145 A, CN 106093145A, CN 201610668296, CN-A-106093145, CN106093145 A, CN106093145A, CN201610668296, CN201610668296.3
【發(fā)明人】石德全, 高桂麗, 康凱嬌, 董靜薇, 李大勇, 王俊博, 王傲
【申請人】哈爾濱理工大學(xué)