骨料含水率在线检测系统开发与应用

楼梁伟，朱长华，何　龙，谢永江( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081; 2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)



骨料含水率在线检测系统开发与应用

楼梁伟1，2，朱长华1，2，何龙1，2，谢永江1，2
( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081)

摘要:针对混凝土骨料含水率波动频繁，常规取样检测频率低、时效差的突出问题，提出了基于微波测湿原理的骨料含水率在线检测技术。介绍了微波法测量含水率的工作原理与方法，研究了含水率传感器的基本结构，开发了含水率在线检测系统。经测试表明，该系统具有良好的稳定性和精确度，作业高效，可提高混凝土生产质量控制水平。

关键词:骨料含水率微波传感器在线检测混凝土

混凝土骨料就地取材、露天生产、易受环境影响的特点长期制约着混凝土质量。目前骨料含水率通常采用取样烘干后检测含水率的办法，但存在取样不均、试验时间长、结果滞后的问题，难以保证混凝土实际用水量、骨料用量与设计用量相吻合，也未能实现动态监控和调整。传统含水率在线检测方法很多，通常采用电容法、电阻法、中子法、红外线法等［1-2］，但存在测量精度不高、电路结构复杂、设备体积较大、仪器稳定性差等问题［3］，应用受到限制。因此，本文针对骨料含水率频繁变化引起的混凝土质量波动，以及离线含水率检测结果滞后等引发的混凝土质量管理难题，开发了基于微波法的骨料含水率在线检测系统。用于辅助实现混凝土质量的动态控制，保证混凝土生产质量的均质性与稳定性。

1　含水率传感器

1．1工作原理

含水率检测系统中的关键部件是含水率检测传感器，主要基于微波测湿原理，其中共振频率与湿度变化关系如图1所示。微波测湿技术是通过测量物质的有效介电常数从而测得物质的湿度［4］。研究表明，当微波通过含水物质时，由水分引起的微波能量损耗远远大于其它干物质引起的损耗;物质中的含水量将显著影响其介电常数的实部和虚部［5-6］。因此，通过测量与介电常数相关的物理量，包括微波的功率衰减、相位变化、谐振频率等，便能间接得到该物质中的含水量。

图1共振频率与湿度变化关系

由图1可知，微波在空气中的峰值较高，波的幅值和频率最大、最强。然而当接触含有水分的物料时，微波的幅值和频率都显著降低，变成另一种波形。因此定义:在空气中湿度值为0时，微波测湿装置显示非标度值f空气= 0;在水中湿度值为100%时，微波测湿装置显示非标度值f水= 100。对于其他任意湿度值的物料，测湿装置的显示非标度值介于0～100，对应波形在最强及最弱波形之间。

含水率传感器测量的是单位空间的含水量。骨料含水率ω可通过下式计算

式中: Ms为单位空间水的质量; Mz为单位空间内的物料质量。

1. 2基本结构

含水率传感器包括测试区、固定区与传输区三大部分，数据有效采集频率为25次/min，可以实现温度自动补偿。传感器结构如图2所示。

图2中，a是传感器金属外壁，所选不锈钢材料强度高、抗磨性能好，具备优良的抗干扰能力。根据需求，合理设计外壁的直径与厚度，以提高测量稳定性。b是传感器内部组件，隐藏于坚固的不锈钢外壳内，包含信号收发器、温度探测器、集成电路、半导体器件等。c是传感器传输接口，可通过3种传输方式连接到后续中央控制单元进行处理，实现在线检测。d是可更换高抗磨陶瓷面板，微波从此处穿透并接收反射回波信号。陶瓷面板对微波传输衰减小，同时具备高强度、防水、绝缘、易维护等特性。

图2传感器结构

2　含水率检测系统

含水率检测系统包括含水率测量系统、信号传输系统、数据处理系统以及数据存储系统。其中，含水率测量系统负责骨料含水量的在线检测;信号传输系统负责信号的实时接收、上传;数据处理系统负责对水分数据进行计算、处理与分析;数据存储系统负责实时记录生产数据信息，以及使用数据管理库下载、查询、打印报表等功能。

系统工作时，首先将传感器检测到的物料含水率转换成4～20 mA的电流信号，随后该电流信号被传输至含水率检测模块;含水率检测模块自动读取此信号，并根据电流大小转换成相应的数值即含水率，最终在模块中实时显示。同时，所测含水率可通过以太网同步传输到计算机终端，计算机根据上料信号自动计算每一盘混凝土骨料的平均含水率与瞬时含水率。

3　系统测试

将含水率传感器安装在定制物料斗的卸料门处，当物料下落流经传感器时，传感器测得的A/D信号会及时送入测试系统中，经信号过滤与数据运算后，含水率数值实时显示在PC终端上。含水率试验装置如图3所示。为了保证物料含水率采集的准确性，滤除物料不均匀流动对数据的影响，设计了专用料流检测装置，如图4所示。该装置具有控制料流速度、高度以及提高采集稳定性的功能。

因含水率传感器的特殊性，对应不同的物料应采用不同的工作参数，因此需要对设备进行校准。校准完成后需要做重复性测试，一是对校准的参数进行复核，验证采集的含水率的准确性;二是对物料的状态，包括物料的成分稳定性、流动稳定性进行测试，便于对传感器的安装位置及安装方法做出调整。图5为传感器A/D值随砂子含水率变化曲线。

图3含水率试验装置

图4料流检测装置(单位: mm)

图5传感器A/D值随砂子含水率变化曲线

由图5可知，当砂子流经传感器表面时，传感器所采集的A/D值均先增大，随后保持稳定，之后又逐渐降低; A/D值随砂子含水率的变化而变化，砂子含水率越大，A/D值越大。上述情况表明传感器获取的A/D值与砂子含水率具有一致性，呈良好的变化规律。

采用线性拟合的方法，针对骨料含水率及传感器A/D值作图分析，骨料含水率与A/D值的关系如图6所示。

由图6可知，骨料含水率和A/D值呈线性分布，其关系式为y = 0. 000 7x－14. 181。式中: y为骨料含水率，x为A/D值。经相关性分析，相关系数R2为0. 954 4，表明含水率与A/D值存在较好的线性相关关系。

图6骨料含水率与A/D值的关系

4　工程应用

将含水率在线检测系统集成到预拌混凝土生产控制管理系统中，如图7所示。选取某混凝土拌合站的机制砂作为检测对象，在砂仓下料口安装含水率传感器与流量检测装置。根据物料实际情况对传感器进行现场校准与重复性测试。

在混凝土连续生产过程中，采用含水率检测系统与人工取样检测方法，分别获得含水率检测值与实测值，并计算两者偏差。含水率检测系统现场测试结果如图8所示。

由图8可知:骨料含水率在线检测系统较稳定，含水率检测值与实测值结果比较一致;实测最大偏差为－0. 41%，检测精度可以有效控制在±0. 5%以内，能达到预期效果。在混凝土生产过程中发现，通过管理系统中的含水率实时采集、显示与提醒功能，在线检测系统可以帮助操作人员实时控制混凝土质量。

图7预拌混凝土生产控制管理系统示意

图8含水率检测系统现场测试结果

5　结论

运用微波测湿技术，开发了骨料含水率在线检测系统。通过室内、现场分步测试，验证了系统的稳定性、高效性以及精确度，并成功应用于混凝土拌合站。实践证明，含水率检测系统可以较为准确地指导混凝土配料时的骨料用量和拌合水用量，保证按施工配合比进行精确配料和稳定生产，大幅提高了混凝土的质量，降低了人员劳动强度，实现了混凝土生产自动化。

参考文献

［1］李安明．混凝土生产过程砂含水率在线测定和自动补偿的研究［J］．工业建筑，1992( 4) : 21-25．

［2］刘昊，高建民，张壁光．非接触式木材含水率检测方法与应用［J］．干燥技术与设备，2009，7( 5) : 233-236．

［3］黄原信．砂石含水量测量系统研究［D］．武汉:华中科技大学，2007．

［4］吕文选．微波测湿技术中的几个物理问题［J］．电子测量与仪器学报，1987，1( 1) : 24-30．

［5］时振栋，黎安尧，王晦光．电磁波的应用［M］．北京:高等教育出版社，1990．

［6］左春兰，丁言镁．微波测湿原理及其应用［J］．微波学报，2005，21(增1) : 153-156．

(责任审编郑冰)

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

中图分类号:TU528．041

文献标识码:A

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

作者简介:楼梁伟( 1982—)，男，助理研究员，硕士。

基金项目:中国铁道科学研究院基金项目( 2013YJ024)

收稿日期:2015-11-30;修回日期: 2015-12-22