湿型砂含水量的测量装置及基于该装置的含水量测量方法

摘要

湿型砂含水量的测量装置及基于该装置的含水量测量方法，涉及铸造检测领域。它解决了现有的电容法通过测量湿型砂的电容值来计算含水量时，因受电阻性的影响而使测量精度不高的问题。测量装置由湿型砂含水量信号拾取模块、信号周期测量模块、门控、平方运算模块、基准电压模块、调零模块、差动放大模块、定标模块、A/D转换模块、ARM测控系统、含水量显示模块组成。测量方法如下：一、加入湿型砂；二、湿型砂含水量信号拾取模块得到电信号u(t)；三、信号周期测量模块测得u(t)的周期Tx；四、调零模块输出调零信号T0；五、差动信号经定标模块计算得到；六、ARM测控系统求得体积含水量。本发明适用于湿型砂含水量的测量。

说明书

技术领域

本发明属于铸造检测领域，具体涉及湿型砂含水量的测量装置及基于该装置的含水量测量方法。

背景技术

湿型砂的性能及其稳定性直接影响铸件的质量和生产成本。含水量作为湿型砂的主要组分之一，对其实时测量至关重要。

目前，湿型砂含水量的测量可分为直接法和间接法两大类。直接方法是通过干燥或化学的方法，直接测量湿型砂中的绝对含水量，虽然测量精度高，但测试过程复杂。间接法是通过测量与水分有关的物理量来测定湿型砂的水分，一般速度较快，其中电容法是使用较多的间接测量方法之一，它的基本原理是，当被测湿型砂的水分发生变化时，会引起湿型砂电容值的变化，通过测得湿型砂的电容值，再根据水量与电容值之间的已有关系，即可快速计算出含水量的大小。但是，湿型砂在高频电场激励下，表现出阻容二象性，电容值要受电阻的影响，即，使用电容法的通过测量电容值来计算含水量时，其精度必受电阻的影响而降低。因此，提供其它的湿型砂含水量的测量装置及含水量测量方法非常重要。

发明内容

本发明为了解决现有的电容法通过测量湿型砂的电容值来计算含水量时，因受电阻性的影响而使测量精度不高的问题，提供了一种湿型砂含水量的测量装置及基于该装置的含水量测量方法。

湿型砂含水量的测量装置，它包括湿型砂含水量信号拾取模块、信号周期测量模块、门控、平方运算模块、基准电压模块、调零模块、差动放大模块、定标模块、A/D转换模块、ARM测控系统、含水量显示模块，所述的湿型砂含水量信号拾取模块它还包括激励信号源、高频电容水分传感器、振荡器、信号转换电路。

所述的湿型砂含水量信号拾取模块的信号输出端与所述的信号周期测量模块的第一信号输入端连接，所述的信号周期测量模块的第二信号输入端与所述的门控的控制信号输出端连接，所述的信号周期测量模块的信号输出端与所述的平方运算模块的信号输入端连接，所述的平方运算模块的信号输出端与所述的差动放大模块的同相信号输入端连接，所述的基准电压模块的基准电压输出端与所述的调零模块的基准电压输入端相连，所述的调零模块的信号输出端与所述的差动放大模块的反相信号输入端连接，所述的差动放大模块的信号输出端与所述的定标模块的信号输入端连接，所述的定标模块的信号输出端与所述的A/D转换模块的信号输入端连接，所述的A/D转换模块的A/D转换结果信号输出端与所述的ARM测控系统的信号输入端连接，所述的A/D转换模块的转换周期结束信号输出端与所述的门控的控制信号输入端连接，所述的ARM测控系统的第一信号输出端与所述的含水量显示模块的信号输入端连接，所述的ARM测控系统的第二信号输出端与所述的激励信号源的控制信号输入端连接。

所述的由激励信号源、高频电容水分传感器、振荡器、信号转换电路组成的湿型砂含水量信号拾取模块的电路，它包括构成高频电容水分传感器并联等效模型的湿型砂电阻R_x和湿型砂电容C_x、附加电容C₀、并联电容C、并联电感L、去耦有功电阻R、激励信号源和振荡器，所述的去耦有功电阻R的第二端与激励信号源的第一端串联，所述的附加电容C₀的第二端与振荡器的第一端串联，所述的湿型砂电阻R_x、湿型砂电容C_x、附加电容C₀、并联电容C、并联电感L、去耦有功电阻R的第一端均并联在一起，所述的湿型砂电阻R_x、湿型砂电容C_x、振荡器、并联电容C、并联电感L、激励信号源的第二端均并联在一起。

所述的激励信号的频率不低于20MHz、不高于40MHz。

湿型砂含水量的测量装置测量湿型砂含水量的方法包括以下步骤：

步骤一、在高频电容水分传感器中加入被测湿型砂；

步骤二、在ARM测控系统的控制下，向激励信号源发出控制信号，启动激励信号源，产生频率为ω的高频激励信号，在振荡器的断续作用下，经湿型砂含水量信号拾取模块进行参数调制后转变成断续交替的电信号u(t)；

步骤三、来自A/D转换模块的A/D转换周期结束信号脉冲触发门控，开启信号周期测量模块，对电信号u(t)进行测量，获得电信号u(t)的周期T_x，并经平方运算模块平方运算后，送至差动放大模块的同相信号输入端；

步骤四、来自基准电压模块的基准电压，经调零模块运算后得到周期调零信号T₀，并送至差动放大模块的反相信号输入端；

步骤五、差动放大模块的输出信号定标模块计算后，得到定标后的信号，并送至A/D转换模块进行A/D转换后，将转换结果传送ARM测控系统；

步骤六、ARM测控系统根据已有的湿型砂体积含水量w与的关系自动求得体积含水量w，然后送至含水量显示模块进行显示输出。

本发明的优点：

通过测量激励信号源高频激励下湿型砂含水量信号拾取模块输出信号的周期，进而计算湿型砂的体积含水量，避开了传统电容法通过直接测量电容值计算含水量时，因受湿型砂电阻的影响而造成含水量精度的问题，使得湿型砂含水量的测量精度大大提高。

附图说明

图1是本发明所述的湿型砂含水量的测量装置的构成框图。

图2是本发明中由激励信号源、高频电容水分传感器、振荡器、信号转换电路组成的湿型砂含水量信号拾取模块的电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的湿型砂含水量的测量装置，它包括湿型砂含水量信号拾取模块1、信号周期测量模块2、门控3、平方运算模块4、基准电压模块5、调零模块6、差动放大模块7、定标模块8、A/D转换模块9、ARM测控系统10、含水量显示模块11，所述的湿型砂含水量信号拾取模块1它还包括激励信号源1-1、高频电容水分传感器2-2、振荡器1-3、信号转换电路1-4。

所述的湿型砂含水量信号拾取模块1的信号输出端与所述的信号周期测量模块2的第一信号输入端连接，所述的信号周期测量模块2的第二信号输入端与所述的门控3的控制信号输出端连接，所述的信号周期测量模块2的信号输出端与所述的平方运算模块4的信号输入端连接，所述的平方运算模块4的信号输出端与所述的差动放大模块7的同相信号输入端连接，所述的基准电压模块5的基准电压输出端与所述的调零模块6的基准电压输入端相连，所述的调零模块6的信号输出端与所述的差动放大模块7的反相信号输入端连接，所述的差动放大模块7的信号输出端与所述的定标模块8的信号输入端连接，所述的定标模块8的信号输出端与所述的A/D转换模块9的信号输入端连接，所述的A/D转换模块9的A/D转换结果信号输出端与所述的ARM测控系统10的信号输入端连接，所述的A/D转换模块9的转换周期结束信号输出端与所述的门控3的控制信号输入端连接，所述的ARM测控系统10的第一信号输出端与所述的含水量显示模块11的信号输入端连接，所述的ARM测控系统10的第二信号输出端与所述的激励信号源1-1的控制信号输入端连接。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的在于，所述的由激励信号源1-1、高频电容水分传感器1-2、振荡器1-3、信号转换电路1-4组成的湿型砂含水量信号拾取模块1的电路，它包括构成高频电容水分传感器1-1并联等效模型的湿型砂电阻R_x和湿型砂电容C_x、附加电容C₀、并联电容C、并联电感L、去耦有功电阻R、激励信号源1-1和振荡器1-3，所述的去耦有功电阻R的第二端与激励信号源1-1的第一端串联，所述的附加电容C₀的第二端与振荡器1-3的第一端串联，所述的湿型砂电阻R_x、湿型砂电容C_x、附加电容C₀、并联电容C、并联电感L、去耦有功电阻R的第一端均并联在一起，所述的湿型砂电阻R_x、湿型砂电容C_x、振荡器1-3、并联电容C、并联电感L、激励信号源1-1的第二端均并联在一起。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二的不同在于，本实施方式所述的激励信号源1-1的频率不低于20MHz、不高于40MHz。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式基于所述的湿型砂含水量的测量装置测量湿型砂含水量的方法包括以下步骤：

步骤一、在高频电容水分传感器1-2中加入被测湿型砂；

步骤二、在ARM测控系统10的控制下，向激励信号源1-1发出控制信号，启动激励信号源1-1，产生频率为ω的高频激励信号，在振荡器1-3的断续作用下，经湿型砂含水量信号拾取模块1进行参数调制后转变成断续交替的电信号u(t)；

步骤三、来自A/D转换模块9的A/D转换周期结束信号脉冲触发门控3，开启信号周期测量模块2，对电信号u(t)进行测量，获得电信号u(t)的周期T_x，并经平方运算模块4平方运算后，送至差动放大模块7的同相信号输入端；

步骤四、来自基准电压模块5的基准电压，经调零模块6运算后得到周期调零信号T₀，并送至差动放大模块7的反相信号输入端；

步骤五、差动放大模块7的输出信号定标模块8计算后，得到定标后的信号，并送至A/D转换模块9进行A/D转换后，将转换结果传送ARM测控系统10；

步骤六、ARM测控系统10根据已有的湿型砂体积含水量w与的关系自动求得体积含水量w，然后送至含水量显示模块11进行显示输出。

下面对本步骤中湿型砂体积含水量w与的关系分析如下：

参见附图2所述的电路，该电路的高频振荡周期为，由此可得：

其中分别对应单一的并联电容C、附加电容C₀、湿型砂电容C_x的振荡周期。令，则可求得湿型砂的电容C_x为：

另一方面，湿型砂的电容C_x与其体积含水量w成正比，假设高频电容水分传感器1-2为平行板式，则有：

其中分别为真空介电常数、水的介电常数、湿型砂中除水以外其他组分的介电常数、高频电容水分传感器有效面积和极板间的距离。

因此可得湿型砂的体积含水量w为：

其中k为常数，T₀为未加入湿型砂时湿型砂含水量信号拾取模块1的振荡周期，可通过调零模块6调零消除。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同的在于，所述的高频电容水分传感器1-2的为平行板式，且尺寸为极板长为80mm，宽为10mm，极板间距离为20mm。其他与具体实施方式四相同。

本实施方式中，对不同水分的湿型砂含水量进行了测量。安装本实施方式所述的高频电容水分传感器后，得到的常数k=46.57，测量装置的测试结果并与标准烘干称重法测得的测试结果对比如下，

可见，相对误差小于4%，说明测量精度较高。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各种实施方式中所述技术特征的合理组合。