一种全自动粗细集料含泥量测定仪设计

孙玉齐，郑木莲，薛 茹

（1.杨凌职业技术学院，杨凌 712100；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064；3.陕西交通建设养护工程有限公司，西安 710119）

0 引言

近些年建筑业发展迅猛，工程材料使用量迅速增加，高质量建筑原材材料由于其自然属性导致存量急剧下降，使拌合站不得不选择质量一般的粗细集料。粗细集料占混凝土体积的70%以上，对混凝土性能有着重要的影响[1]。含泥量是质量标准[2,3]中最基本的评价指标，含泥量的大小将影响混凝土拌合物性能和后期强度[4～6]。试验结果的准确性将影响材料选择和施工过程的质量控制，对建筑的质量至关重要。

设计开发出的混凝土用粗细集料含泥量自动测定仪，可以达到全自动化试验和可视化控制[7]参数设定界面调整相结合，试验结果自动处理及储存输出智能化为一体。消除以人工清洗和经验判断清洗状态作为试验结果，造成试验过程中不可控风险增大，导致试验结果差异性大的风险。利于减轻试验人员劳动量，降低操作经验要求。在现代试验室标准化建设中有深远意义。

1 仪器总体设计方案

粗细集料含泥量全自动测定仪是按照规范试验过程进行整体设计，利用机械结构替代人为操作，排除了干扰试验结果准确性因素。把清洗、干燥、称量和数据处理过程利用中央控制系统进行集中管理控制，形成全自动化试验和可视化控制参数设定的智能试验仪，其中央控制系统控制结构如图1所示。

图1 中央控制系统控制结构

仪器包括硬件的的8个不同功能单元和软件的一个中央控制系统（PAC）。各功能单元同中央控制系统（PAC）[8]之间的信号关系如图1中箭头所示。实体结构框架为圆柱形保温箱，将各功能单元依据功能需要合理布置在内外结构体上。自动称量单元只将最初干燥粗细集料质量值和清洗干燥后终值反馈给中央控制系统[9]。给水单元接受中央控制系统信号完成开关给水过程。自动抬升私服驱动旋转单元接受中央控制系统信号进行启动和关闭[10]。清洗单元接收信号后进行仪器内部清洗。水位测定信号单元发出水位信号到中央控制系统，中央控制系统根据系统编码程序发出信号给排水单元进行排水。水质单元将清洗粗细集料水的水质数值反馈给中央控制系统，中央控制系统根据水质数值确定是否继续清洗粗细集料。自动加热测温系统接收中央控制系统信号[11]进行加热烘干粗细集料，当测温反馈信号达到规定温度时，中央控制系统控制加热，保证恒温状态，粗细集料干燥结束停止加热。自动称量单元将质量终值反馈给中央控制系统，试验数据收集完成，中央控制系统处理数据输出结果，保存数据结果，试验结束。

2 各单元结构及工作原理

2.1 自动称量单元

自动称量单元采用悬挂式电子称量计，称量电信号直接输入到中央控制系统，在控制系统显示称量数值。称量分为两阶段：1）初值称量。在最初加入试验材料开始试验时称量，中央控制系统获得初值后记录储存数值，并发出信号给水单元和自动抬升私服驱动旋转单元，自动抬升私服驱动旋转单元运行抬升悬挂体分离与电子计量计连接，初值称量结束；2）终值称量。自动抬升私服驱动旋转单元收到中央控制系统信号返回原位，悬挂体下降同电子计量计连接，称量出结果信号发送到中央控制系统，中央控制系统获得终值后记录储存数值，并切断自动称重单元电源。自动称重单元完成一次试验过程称重功能。

2.2 给水单元

采用SLGPC5404-04-AC24V-D电磁阀，使用环境温度（-5℃～180℃），管直径1/2英寸。接收到中央控制系统发出电信号启动电磁阀向粗细集料洗筛中注水，达到设定水位高度后，激发水位测定信号单元发出信号给中央控制系统，中央控制系统发出信号断开电磁阀，停止注水。达到石料浸泡时间后，中央控制系统发出电信号控制排水系统单元排水和启动给水管电磁阀向砂石洗筛中注水，直至清洗完成断开电磁阀，给水单元一次试验过程工作完成。

2.3 自动抬升私服驱动单元

自动抬升私服驱动包括驱动私服电机及尾部合页固定装置、锥形偏心驱动齿盘、水平圆弧滑动导轨、驱动轴轴承支座、弹簧复位装置和电磁吸附装置。各结构组合完成悬挂体抬升、悬挂体旋转、及悬挂体的上下晃动。

采用私服电机尾部加合页固定装置，保证电机及前端提升和悬挂体旋转驱动装置可以绕合页轴沿水平圆弧滑动导轨转动。电磁吸附装置采用XDA-1564-DC24v长时间通电长行程框架推拉式电磁铁，其吸附力提供水平转动驱动力。转动过程中借助主动齿轮前端设计的锥形体将从动齿轮抬升，同时私服电机根据中央控制系统的信号输出相应的转速[10]，带动悬挂体转动。主动轮同私服电机采用偏心连接，使从动齿轮同时可以上下晃动[12]。水位达到规定高度时，水位测定信号单元发出信号给中央控制系统，中央控制系统发出指令停止私服电机转动。达到浸泡时间后，伺服电机根据中央控制信号输出相应转速，开始砂石清洗过程。水质测定单元测定水质数值达到要求后，中央控制系统发出指令停止私服电机转动。砂石干燥完成后，中央控制系统发出指令关闭电磁吸附装置。在电磁吸附装置另一侧的伺服电机前部壳体上连接的拉簧装置将电机及前端提升和旋转驱动装置水平沿圆弧滑动导轨平转回原位，从动轮下降，悬挂体同电子称重悬挂结构结合。一次试验自动抬升私服驱动旋转单元工作完成。工作关系流程图如图2所示。

图2 工作关系流程图

2.4 水位测定信号单元及清洗单元

水位测定信号单元利用竖直固定导轨加滑动浮块组成，在不同水位高度设信号触发装置，完成上限水位信号输出，和下部水位信号输出。通过第一次上限水位输出信号被中央控制系统接收，中央控制系统发出停止注水信号给给水单元。第二次上限水位输出信号被中央控制系统接收，中央控制系统发出排水信号给排水单元。当水位达到低位时，通过第一次下限水位输出信号被中央控制系统接收，中央控制系统发出打开排水单元电磁阀信号。当清洗单元完成清洗，排完水后电磁阀关闭。

清洗单元主要是在仪器内部环形设6个高位喷头，对粘结泥土的网筛和仪器内壁进行冲洗。采用加压循环泵给冲洗喷头供水。喷头采用旋喷形式，覆盖圆柱体内部所有外漏部位。控制过程是中央控制系统收到水位测试信号单元高低水位信号后，发出指令信号开关清洗单元电磁阀为喷头供水。

2.5 排水单元

排水系统设计排水时间5s～10s，以保证排石时间不宜太长，以获得水的高流速仪器内部底板起到一定的清洗作用，也防止污物沉积，并且使清洗单元有足够清洗时间。结构上利用电磁阀作为控制阀门，接收中央控制系统的开启关闭信号并执行。电磁阀采用SLGPC5404-15-AC24V-D电磁阀，使用环境温度温度（-5℃～180℃），管直径2.0英寸。

2.6 水质测定单元和自动加热测温单元

水质测定单元主要是一部型号为MIK-PTU200的在线水质自动测定仪。安装在水位中值部位安装一部安装型号，当水位将水质信号直接传递到中央控制系统，当水位测定信号单元测定水位达到上限水位时，开启水质测试。测试结果直接输送中央控制系统后，水质测试完成一回测试关闭，中央控制系统保留测试值至下一次测试结果替代。当水质测试值打到要求值以下时，触发中央控制系统发出关闭给水单元和私服驱动旋转电机信号并发出开启自动加热测温单元，水质测试单元完成一次试验。

在容器内壁安装电阻丝和电偶测温计构成自动加热测温单元。当中央控制系统发出开启信号后，电阻丝开始通电加热，电偶测温计开始测试温度并把测试结果输送到中央管理系统。当温度到达设定值时，中央管理系统控制自动加热测温单元使容器内部恒温到设定时间长度后关闭自动加热测温单元。同时发出指令断开自动抬升私服驱动旋转单元的电磁吸附装置电源。自动抬升私服驱动旋转单元返回原位，从动轮下降，悬挂体同电子称重悬挂结构结合。

3 中央控制系统

中央控制系统是各系统联系的纽带，他起到信号接收存储信号并发出下一步指令的作用。在系统里设定一些相关参数，以控制各单元进行下一步的时间，并根据称量结果的初值和终值计算试验结果并显示。中央控制系统界面如下图3所示。中央控制系统可以接入水质测定信号，电偶温度计温度信号和水位测定信号并根据编制程序发出下一步指令信号。其中：F1为伺服电机转速参数设定键、F2为水质参数设定键、F3为干燥时间参数设定键、F4为浸泡时间参数设定键。

图3 中央控制系统界面

中央控制系统，是基于对象、开放数据格式和网络连接功能的PAC控制器，能够满足粗细集料含泥量自动测定仪各单元控制需要。利用PAC控制器编程功能，将不同规范粗细集料试验程进行编程输入后形成了试验的自动化控制。对参数的设定，能够满足不同试验要求，提高了仪器的适用面。

4 结论

本文介绍了全自动粗细集料含泥量测定仪设计方案与各功能单元的工作原理，对各单元主要发挥的功能和实现流程进行了较为详细的阐述。利用可编程自动化（PAC）作为中央控制系统，将各功能单元之间的信号接收及下一步指令信号发送按预定程序完成。可视化的参数设定界面，为不同试验方法之间转换提供了平台。测试试验结果同试验人员测试结果拟合度高，仪器长期使用可靠性良好，具有较高的应用价值。