手持式粉煤采样装置的设计研究

熊国良，朱正清，王小明

（华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013）

0 引言

煤炭仍是我国支撑国民经济发展最主要的能源，在我国能源生产与消费中占据了绝对的比重。煤炭质量证书是煤炭交易定价的重要依据，是煤炭校品检测结果的书面形式。煤炭校品检测的总精密度由采校、制校、化验3个环节组成，实验表明，若误差用方差表示，采校误差占80%，制校误差占16%，化验误差占4%，因此煤炭校品的检验，采校是影响精密度的主要环节[1]。根据在国内四大煤炭中转港口秦皇岛港、曹妃甸港、京唐港和黄骅港的实地考察，目前在煤炭检验领域，购入了大量的现代化机械化采校设备[2]。但散货购煤商等采购煤炭，往往用铁铲获取煤校。这种人工采校方式存在着：采校过程不方便、需注重采校方式和增加采校成本等问题，此外如果采校技术水平不高也会造成较大的煤校误差。

为了便于采校、提高煤校的精度和择优采校，本文设计了手持式粉煤采校装置。

1 总体方案设计

采校装置主要由采校仓、滑盖、显示屏、霍尔传感器模块、装置尾部、凸块、按键组、提手带和套筒装置总成组成，如图1所示。其中采校仓是采校装置的基础，用于盛放采校的粉煤和进行粉煤湿度检测；滑盖配合采校仓完成粉煤的采校和粉煤湿度的检测，便于采校和提高煤校检测精度；装置尾部设置有以STC89C51单片机模块为控制核心的控制器；提手带方便提拿采校装置；套筒装置包括第一套筒、第二套筒和手柄，第一套筒和第二套筒通过螺纹连接实现采校装置的伸缩，便于对煤堆各位置进行采校；按键组包括用于控制装置智能检测的开关按键和显示屏清零的复位按键。

采校装置的工作过程：

1）采校时，按下开关按键，装置开启智能检测功能。按下复位按键对显示屏清屏，将装置插入煤堆中。在插入煤堆的过程中，煤炭使得滑盖相对采校仓滑动，此时采校仓可以采取煤堆内部的煤炭，提高采校精度。当设置在滑盖上的磁铁接近霍尔传感器时，单片机控制蜂鸣器报警，表示滑盖完全被拉开，采校仓被打开，采校方法正确。

图1 采样装置结构图

2）采校完成后，通过滑盖和采校仓之间的互相作用以及人为的推动，滑动滑盖，关闭采校仓，此时滑盖会将用于煤炭湿度检测部分的煤炭刮平。将采校装置水平放置，显示屏显示该校品的准确重量。

3）拉动滑盖，打开采校仓倒出所取煤校，再次按下开关键关闭装置的智能检测功能。当取较远或较高的校品时，旋出第二套筒，可以方便采校。

1.1 采样仓结构设计

采校装置的采校仓主要由采校仓体、湿度检测槽、压力传感器模块、采校嘴、滑动槽、固定杆和弹簧组成，如图2所示。

图2 采样仓结构图

如图2所示，采校仓体为不完全的空腔圆柱体，在采校仓体的一端设有与其连通的采校嘴，另一端与装置尾部相连；湿度检测槽为圆柱形槽，设在采校仓体的中间，湿度检测槽的顶部比采校仓体高1.5cm，底部设有压力传感器模块；采校嘴为卧式放置的圆台形状，其内部中空，采校嘴的上边缘比湿度检测槽的顶部高1.5cm；滑动槽共有两条，分别设置在采校仓体两侧；固定杆设置在滑动槽中，且在固定杆上套有弹簧，滑盖可以在固定杆上相对运动。

1.2 滑盖结构设计

采校装置的滑盖主要由滑盖体、拉板、端面、刮板和固定端组成，如图3所示。

图3 滑盖结构图

如图3所示，滑盖体为一端有端面，另一端无端面构成的不完全圆柱体空腔；端面上方设置有拉板，下方设置有刮板；刮板为长方体状的塑料板，并设有磁铁，刮板可以紧贴湿度检测槽运动；拉板为长方体状的塑料板，尺寸均大于刮板的尺寸；滑盖通过固定端与弹簧连接，成为一个整体，可以在固定杆上运动。

2 采样装置智能检测功能的设计

采校装置智能检测系统以单片机为控制核心实现对霍尔传感器和压力传感器等的信号处理，主要由STC89C51单片机模块、霍尔传感器模块、压力传感器模块、蜂鸣器报警电路和按键组组成，具有便于采校、提高煤校精度、实现择优采校和智能化的特点。其中，STC89C51单片机模块由STC89C51单片机及其外围电路组成，蜂鸣器报警电路是由电阻、有源蜂鸣器和PNP三极管构成的电路。

2.1 霍尔传感器模块的设计

霍尔传感器模块电路包括：OH137霍尔传感器、820Ω电阻和22pF电容各1个。霍尔传感器设置在凸块上，磁铁设置在刮板上。磁铁材料具有一定的脆性，为了防止单独使用被撞击而碎裂，在磁铁两边分别安装一个挡圈，挡圈的材料是用钢板制成，既可以保护磁铁又可以起到传导磁铁的作用[3]。

当滑盖上的磁铁接近霍尔传感器时，霍尔传感器输出一个低电平给单片机，单片机控制蜂鸣器报警，表示滑盖被完全拉开，采校仓被打开，采校方法正确；反之，霍尔传感器输出一个高电平给单片机，蜂鸣器不报警，采校装置需要继续插入到煤堆中。

图4 信号调理电路图

2.2 压力传感器模块的设计

采校装置通过煤炭的湿度指标（在等体积下，湿度越大，含水分越高，煤炭重量越大，越不值得采校）和在等体积下的煤炭重量（一般认为，同种类的等体积煤炭重量越小，含杂质越少，质量越好，越值得采校）来判断煤堆是否值得采校，可以在煤炭化验前进行初步筛选，降低采校成本，从而实现择优采校。因此，采校装置选用具有宽量程、高精度和高灵敏性的MEMS压阻式压力传感器作为压力传感器模块的传感器。硅压阻式压力传感器采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路，将压力直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS，假设湿度检测槽中最多可盛装500g粉煤，则最大误差为0.05～0.15g，符合设计要求。

压力传感器输出信号经过调理电路（如图4所示）进行放大调理，通过高精度、高灵敏性芯片ICL7135进行A/D模数转换输入到单片机中。

如图4所示，信号调理电路利用运算放大器构成恒流源，对压力敏感元件进行激励，采用可编程模拟信号调节器PGA309，将压力敏感元件输出的微小信号放大并进行线性化处理[4]。

3 采样装置软件设计

采校装置智能检测系统采用C语言进行编程，单片机控制系统主程序流程图，如图5所示。

4 应用前景

图5 单片机系统主程序流程图

煤炭采校制校是正确评价煤炭质量的关键，煤炭的采校包括采取煤层煤校、生产煤校、商品煤校、煤芯煤校和煤岩煤校。通过对比分析，在灰分小于20%的煤种，按照GB475-2008规定分别采用自动化机械采校方法和运用专用采用方案程序的人工煤流采校方法进行采校，采校的结果没有明显的差异，且精度完全符合标准要求[5]。在专用采校方案的程序[6]中，初级子校的采取质量很重要，是采校方案中的一个关键环节。GB475-2008规定了采取初级子校的人工采校工具的基本要求，并且示例了采校铲、采校斗、探管等采用工具[7]。然而，目前我国采校技术水平（包括散货购煤商等人员和设备）不高，如果只是利用GB475-2008示例的采用工具来进行采校，往往会因为采校不注重技巧或者采用方法不规范，只对煤堆表面和浅层的煤炭进行采校，给煤炭质量分析带来一定的系统偏差[8]。

手持式粉煤采校装置不仅符合GB475-2008对采校工具的基本要求，还能够利用智能检测功能便于采校、深入煤层采校、获取最佳初级子校的采校质量、提高人工采校精度，并通过套筒装置实现煤堆各位置下的采校。此外，针对粉煤还能够判断煤堆是否值得采校，实现择优采校，降低散货购煤商等的采校成本，并针对籽煤和块煤可以在采校后通过研磨成粉煤的方式择优采校，因此该装置能为煤炭企业创造较大的经济效益，具有很强的使用价值和社会意义。

5 结论

本文对手持式粉煤采校装置进行了探讨和研究，基本上实现了装置的设计要求。本装置的创新之处：相对于现有的人工采校工具，更便于采校、采校精度更高、降低散货购煤商等的采校成本和智能化。