物料悬浮速度测试装置的智能化设计

连 萌，葛玉萍

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

物料的悬浮速度是两相流中一个重要原始计算参数，它在固体颗粒筛选(收集或分离)、喷雾干燥(或冷却)、喷雾吸收，以及烟气的降尘等领域得到广泛的应用[1]。 一般情况下，物料的自由悬浮速度是不一样的，所以在设计制造相关风选和风送设备时，首先要对悬浮速度问题进行研究。

当竖直向上的气流流过固体颗粒时，绕流阻力和固体颗粒所受到的浮力使颗粒向上运动，而颗粒自身的重力则是竖直向下的。 在绕流阻力、浮力和重力的共同作用下，固体颗粒会处在平衡状态，即固体颗粒将处在一个水平面上，呈波动状态，既不上升也不下降。 使固体颗粒处于悬浮状态下竖直向上的气流速度被定义为悬浮速度[2]。 悬浮速度是极为重要的参数，一直是研究者、设计者关心的问题[3]。 但是国内外对物料悬浮速度测试设备的研究一直很少，仅仅停留在简单的机械装备上。存在着操作烦琐、数据误差大等缺点。 因此，本文认为有必要对现有的物料悬浮速度测试装置进行智能化、高精度的优化设计改进。

1 现有测试装置的测试原理及存在问题

1.1 测试原理

图1 传统的物料悬浮速度测试装置Fig.1 Traditional material suspension speed detecting devices

传统的物料悬浮速度测试装置由风量调节机构、轴流风机、上稳流管、锥形观察筒、下稳流管、集流盘、气流栅格和物料托盘组成（如图1 所示）。 集流盘的作用是尽量使气流为层流，以保证测量结果的准确性。 上稳流管和下稳流管的内壁粗糙度要很小，并有一定的长度，以减少紊流对试验准确性的影响。 气流栅格具有稳定气流的作用，使气流在锥形观察筒中的分布均匀。 栅格采用蜂窝状栅格，截面处各点的速度趋于相等。 锥形观察筒是由有机玻璃压制而成的，部分透明，可以从此处随时观察筒内物料的位置和情况。 该装置通过调节风量调节机构，改变进入测试系统的风量Q。因为锥筒上、下稳流管的横截面积S 一定，由Q=V·S，可以得知速度V 与进入测试系统的风量成正比。 所以，当风量增大到一定程度，物料就会在锥形观察筒的某一位置上下波动，呈悬浮状态。 记下物料的悬浮位置和风量调节装置的位置，关闭风机电源，待物料落下后，取出物料，把风速测试仪放在物料的悬浮位置处，开启风机，待气流稳定后读出风速测试仪的数据，此时，物料悬浮位置处的风速即为物料的悬浮速度。

1.2 存在的问题

（1）现行设备的风量调节机构采用的是手动调节，精度低、均匀调速性能差，而且受外部环境干扰较大。 由于风速的变化率不稳定，造成风速忽大忽小。 风速较小时，物料可能不会被吸入锥形观察筒中，风速过大，又导致物料穿过扇叶、冲出筒外。 理想的风速很难达到，致使测量结果不准确。

（2）测量程序烦琐。 每次测量都要先记下物料悬浮的具体位置，关掉风机，再安装风速测试仪，读出物料的悬浮速度。 另外，由于管子中横截面上各点的风速不一致，以及农业物料的外形尺寸不规则，致使物料在垂直管道中上下翻滚，不易稳定在某一位置，并且上下波动的幅度比较大，所以难以准确测定物料的具体悬浮位置。

2 智能化测试装置的设计

由于现有测试装置存在着操作烦琐、数据误差大等缺点，所以有必要对现有的物料悬浮速度测试装置进行优化设计和改进。 即，在机械机构控制测试悬浮速度装置的基础上，对系统的结构和软硬件进行改进：增加智能测试装置（包括光源、光学成像透镜、光电图像传感器）和信息数据处理系统（包括单片机、输入输出设备等），并用步进电机来代替普通电机作为测试系统的动力输出设备[4]。

2.1 系统的总体设计

该智能物料悬浮速度测试装置的结构如图2所示。 其工作流程为：开启设备，把待测物料放入集流罩下面的托盘上，单片机控制步进电机的转动速度，使其由小逐渐变大。 因此，风速也由小逐渐变大，当风速达到一定值时，即物料受到的向上吸引力大于本身重量时，物料开始向上运动，进入锥形观察筒。 在设备开启后，锥形观察筒中的传感器一直扫描观察筒中是否有物料通过。 如果没有物料通过，则通过步进电机，再次加大其转动速度；如果有物料通过，则确定物料的具体悬浮位置。 此时，根据步进电机的转动情况，可以确定出锥口的风速，再根据物料的悬浮高度，由单片机自动计算物料的悬浮速度，并通过液晶显示器显示，或者通过打印机打印出来。

2.2 系统的硬件设计

本系统的硬件是一个小型的分布式数据采集与输入、输出控制系统，其结构如图3 所示。 该硬件系统主要由CCD 图像传感器采集物料悬浮位置，通过单片机控制步进电机驱动系统，当感应到物料时，再根据悬浮高度计算悬浮速度。 另外，还有键盘、液晶显示器和输出打印设备等。

图3 系统硬件结构框图Fig.3 System hardware structure

2.3 软件设计

2.3.1 自动测试模块的工作流程

系统工作时，根据用户的按键选择，进入自动测试模块。 进入此模块后，按键处于无效状态，直至系统完成此次任务，也就确定了物料和悬浮位置。 然后，提醒用户进行计算，或者通过串行通信把此数据传给计算机，由计算机保存数据，并进行更进一步的运算。

在自动测试模块中，首先是启动步进电机，其次是进入传感器模块，来检测物料的通过状态，并把此信息传给单片机。 单片机在接收到传感器传送来的信息后，判断物料是否达到悬浮位置。 如果没有物料通过，则步进电机加速，重复上面的过程，直至有物料通过。 系统则提示用户按键进行计算物料的悬浮速度，或把数据传送给计算机。 其程序流程如图4 所示。

图4 自动测试模块流程图Fig.4 Automatic testing module flow-process

2.3.2 悬浮速度的测试原理

锥形观察筒的形状尺寸如图5 所示。 假设下底面（锥口）的半径为r，斜边与上底面的夹角为θ，物料悬浮的相对高度为h，悬浮物料所在位置的半径为R，则由三角形相似原理可得

由式（1）可知悬浮物料所在位置的半径为

假设物料在锥形观察筒锥口的速度为V0，在相对悬浮高度h 处的速度为Vh。 根据质量守恒定律[5]，单位时间内流入锥口断面的流体质量应等于单位时间内流出断面的流体质量，即

消去π 和dt 后，便可得出不同断面上反映两断面间质量平衡的连续性方程（即可压缩流体的连续性方程），即

式（4）说明：相对锥口高度h 处的平均流速Vh与锥口风速V0、高度h、锥口半径r 及母线与底面的夹角θ 有关。

当检测装置的硬件机械部分确定下来之后，锥口半径r 及母线与底面的夹角θ 也随之确定下来，它们的值就成了一个常数。 因为锥口风速的大小与电机的转动速度有关，因此我们可以建立电机转动速度与锥口风速的一一对应关系。 从而可以得到相对锥口高度h 处的平均流速与电机的转动速度和高度h 之间的关系式。

因为同种农业物料的形状、水分含量和运动时的方位差别很大，每次所测试的悬浮速度都是介于某一范围，而不是某一精确值，但其误差一般不超过1m/s。 所以，从理论上说，为了提高测试的精度，锥形观察筒的高度应足够高、θ 值应足够大。

2.3.3 计算模块程序设计[6]

整个单片机系统的程序共分为7 个模块，即主程序模块、自动测试模块、手动测试模块、传感器模块，步进电机驱动模块、显示模块、数据计算程序模块。 每个模块都具有其特定的功能，各模块间既相互独立又相互联系。 有的模块还包含一些子模块，高级模块可以调用低级模块。 这里只对计算模块进行介绍。

系统通过自动测试模块或手动测试模块完成了对物料悬浮状态的扫描定位，并通过传感器把物料的悬浮位置信息传送给单片机。 在本检测系统中，采用数组来存储此信息。因为TCD1001P 共有128个光敏单元，故定义了local[127]数组分别来存储物料的悬浮状态。 local[0]存储第1 个光敏单元的位置状态，local[1]存储第2 个光敏单元的位置状态，local[2]存储第3 个光敏单元的位置状态，……，local[127]存储第128 个光敏单元的位置状态。 在本检测装置中，对物料的具体形态不作规定，主要检测在某一位置是否有物料悬浮。 本系统通过光敏单元的阀值比较可达到这一目的。 首先，确定一个光敏单元的流值，当检测到的光敏单元的流值大于这个值时，表示在此位置无物料悬浮；小于或等于这个值时，表示有物料在此位置悬浮。 可设1 和0 分别表示物料的有无。 如果在测试范围的最低位置有物料悬浮，则local[0]=1；如果没有物料悬浮，则local[0]=0。

按此算法计算下去，如果在位置i 上有物料悬浮，则local[0]=1，如果没有物料悬浮，则local[0]=0。 对local[i]=1 的数组，其平均值即为物料悬浮的平均位置。 根据此时PWM 的占空比，计算出步进电机的转动速度。 最后根据公式（4），即可得到物料的悬浮速度。 其程序流程如图6 所示。

3 结语

本文将悬浮速度机械测试装置与电子信息技术结合起来，采用单片机控制，利用步进电动机、光电传感器、液晶显示器、键盘、A/D 转换等器件设计成了智能化快速式物料悬浮速度测试试验台，实现了风门大小自动调控和确定物料悬浮位置的智能化，提高了系统的测量精度，简化了系统的操作。

图6 悬浮速度计算模块流程图Fig.6 Suspension speed computed flow-process

本课题的难点问题在于利用光电传感器来确定物料的具体位置。 由于物料形状的不规则和质量不均匀性，导致物料在锥形观察筒中上下浮动，使得难以得到物料的具体位置，增加了测量的难度。

[1] 贾磊，刘晓玲，庞子瑞. 仿真技术在物料悬浮速度计算中的应用[J]. 开封大学学报，2004（4）：81-84.

[2] 周祖锷. 农业物料学[M]. 北京：农业出版社，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. 单片机控制的物料悬浮速度测试系统研究与设计[D]. 郑州：河南农业大学，2009.

[5] 王保国，刘淑艳，黄伟光. 气体动力学[M]. 北京：北京理工大学出版社，2003：307-313.

[6] 刘文涛. 单片机语言C51 典型应用设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2005：121-145.