李长友;方壮东;麦智炜
【摘 要】为了提高散体物料孔隙率检测精度及可靠性,基于理想气体状态方程,按照气体置换法,研制了一种定容型散体物料孔隙率的快速测定装置,开发了自动检测控制系统.在设定的0.1 ～0.4 MPa测量范围内,采用可精确测得其体积且形态各异的标准不锈钢球体、塑料四棱柱体、鹅卵石以及细石子的试验结果发现,系统的充气压力越高,测量误差相对越小且重复性越好.采用标准不锈钢球体与圆柱体,在孔隙率分别为16.02％、25.14％、35.57％、49.05％、58.42％、67.79％、76.57％、85.36％、94.14％的标准条件下,给出了补偿系数的计算式.在样品填充率分别为25％、50％、75％、100％,充气上限压力为0.4 MPa的试验条件下,检测湿基含水率为13.5％的稻谷的试验结果显示,测量误差极差为0.3％,证实了测量结果的可靠性. 【期刊名称】《农业机械学报》
【年(卷),期】2014(045)010
【总页数】7页(P200-206)
【关键词】散体物料;孔隙率;测定装置;设计;试验
【作 者】李长友;方壮东;麦智炜
【作者单位】华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,广州510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,广州510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,广州510642客户端开发
【正文语种】中 文
汇流板
【中图分类】镍铬合金TS210.1
引言
孔隙率是物料在充填、输运、仓储、干燥等过程中的基本物理特征参数之一，也是工程设计、装备工艺评价及产品分析中不可缺少的最基本的原始数据和重要的工程参数［1-4］。散体物料种类繁杂、物质组态差异极大，尤其是非均匀散体农业物料。在粮食干燥机设计及其产品分析中若用统一的形状和尺寸等基本物理参数得到的物料流变特性、运动特征、
动力学特性以及热质传递特性，来解析粮食在干燥机内的架桥现象、仓储效应时往往与实际情况存在较大的差异［5-8］。用不同测定方法和表示方法所得数值可比性较差。如物料的干燥过程以及受到外部载荷作用时，自身的组态发生变化，孔隙率也随之改变，进而影响其流动特征、力学特性及热质传递过程［9-12］。快速可靠地测量散体物料在不同工况下的孔隙率，是目前物性测量领域研究较为薄弱的环节之一。
测定物料孔隙率的方法有液体置换法和气体置换法。液体置换法是利用不与物料发生化学反应的液体如水、水银、二甲苯、水-乙醇混合物等来置换物料自身或堆积形成的空隙，通过测定物料的真实密度间接计算出孔隙率［13-14］。对有较强吸湿性的散体物料，液体置换法存在吸收置换液的潜在可能；同时，一些颗粒有着粗糙带毛的外表面、不规则的孔隙和褶皱，在常压下会因液体较大的表面张力而无法完全充满整个孔隙，造成测量偏差较大，应用面较窄［15-17］。气体置换法是基于理想气体状态方程，检测孔隙率的有效方法之一，其测定装置主要有定容型［18-20］、变容型［21］和比较型［22］。现行测量方法需要多次改变测量工况参数，来换算物料的实际体积，精度较高的测量范围为物料真实体积占样品容器容积的40%～70%。在测定不同散体物料时需要更换不同容积的样品容器。传感器误差、零部件加工误差、气体泄漏以及物料填充率等都会影响气体置换法的测 量精度与可靠性［23］。为消除测定过程变工况参数与物料填充率对测定结果的影响，提高测量精度及可靠性，拓展测量范围，本文基于理想气体状态方程测试原理［24］，设计一种一次加压恒定条件下，得到散体物料孔隙率的定容型测定装置，实现测定过程的自动控制与数据自动采集。针对不同测定工况，利用不同形态的散体物料考证其测量精度。在恒定条件下利用表面致密的高精度钢球对测定装置进行校准，消除填充率对测量精度的影响，并通过稻谷试验证实其检测精度与可靠性。
1 测定装置工作原理和总体设计
1.1 工作原理
图1 孔隙率测定装置原理图Fig.1 Schematic diagraMof porosity measurinGdevice1.节流调速阀 2.单向阀 3.容器 A 4.压力表 5.节流调速阀 6、9、11.电磁阀 7.容器 B 8.节流调速阀 10.空气压缩机
孔隙率测定装置工作原理如图1所示，容器A与容器B为容积相等的刚性容器，容积为V。测量时，容器B充填待测物料，开启电磁阀9，使容器 B与大气相通。系统开启电磁阀11后，
自动关闭电磁阀6，控制压气机对容器A充气，压力数据由气压传感器实时传输到处理器。达到设定压力上限后，关闭电磁阀11，等待容器A气压稳定，采集表压并记为p1，然后，系统自动关闭电磁阀9，开启电磁阀6，联通容器A和容器B，待压力容器压力平衡后，采集表压并记为p2，由理想气体状态方程得到孔隙率，即
式中 V——容器A内空气体积，cm3
Vk——容器 B内空气体积，cm3
M 1——容器A（含连接管道）内空气的质量，g
耐高温防爆玻璃
M 2——容器B（含连接管道）内空气的质量，g
V1——容器A连接管道内气体的体积，cm3
V2——容器B连接管道内气体的体积，cm3
M——容器A和容器B及其连接管道内的气体质量的总和，g
T——空气热力学温度，K
R——空气气体常数，为 287.1 J/（kg·K）
pa——当时当地大气压，Pa
杜邦导电银浆
ε——孔隙率
在式（5）中，连接管道容积 V1、V2很小，不足容器容积V的万分之一，同时，把连接管道V2的容积
封条锁
设计为近似于 εV1，这样，式（5）简化为
1.2 测定系统设计
容器A与容器B的加工精度、气密性以及人为读数操作引入的误差等皆会影响测量精度。本装置通过结构上的承压密封设计与电控系统来确保装置密封性和杜绝人为操作引入的误差。
1.2.1 测定装置结构设计
为使测定装置能消除管道引入误差和有足够的充气上限压力，容器容积设计应远大于管道容积并在承受1 MPa气压下不发生变形，容器结构如图2所示，设计参数如表1所示。筒体环向应力
式中 σ——筒体环向应力，MPa
［σ］——304不锈钢许用应力，［σ］＝620 MPa
p——压力容器工作压力，MPa
D——容器外径，mm
δ——容器壁厚，mM n——安全系数
图2 压力容器结构图Fig.2 Construction diagraMof pressure vessel1.端盖 2.上法兰 3.气动接头 4.下法兰 5.压力传感器6.O型密封圈
表1 设计参数Tab.1 Design paraMeters参数 数值容器材质 304不锈钢容器外径/mM 134容器内径/mM 124容腔高度/mM 200容器壁厚度/mM 5 O型圈内径×线径/mm×mM 140×3.5 O
型圈沟槽宽度/mM 4 O型圈沟槽深度/mM 2____O型_________圈压缩率/%_______________________________________________28
由设计要求可知最大工作压力p＝1 MPa，外径D＝134 mm，安全系数选 n＝8，壁厚 δ＝5 mm，计算得环向应力小于许用应力，满足强度要求。
容器内外壁面光滑，上下端面设计有固定法兰，下法兰固定在支架上，上法兰与端盖连接。上法兰端面设计了O型密封沟槽，密封圈压缩率为28%。气动接头设计在容器中部。
1.2.2 电控系统设计
电控系统由上位机、A/D模数转换模块、压力传感器、电磁阀和电源模块等组成，如图3所示。
图3 电控系统框图Fig.3 DiagraMof electric control system
PLC通过模数转换模块将压力传感器信号传输给上位机，组态软件通过多次查询压力数值，从而判定容器压力是否达到所设置的上限值或平衡值。依据设定的测定程序，由组态
软件向下位机PLC发出指令，控制电磁阀开关，自动控制测定过程。开发的上位机运行的人机交互界面，如图4所示。
图4 人机交互界面Fig.4 Human-computer interaction interface
人机交互界面分为装置动态反馈、参数设定与显示以及数据保存。实时反馈装置在动态加载、卸载过程及平衡状态下的状态参数测量值并输出显示各电磁阀开闭状态与气流流动情况。系统的输入量为容器充气上限压力，控制量是充气压力，检测量为压力，输出量是实时的压力、装置的各阀门的开闭状态及孔隙率。控制系统的控制器本身是一套完整的独立控制单元，同时又是一个基本的数据采集节点，实现数据的自动存储。测定时，在人机界面上点击开始按钮，装置便自动运行直至获得孔隙率。具体设计参数与主要元件如表2所示。
2 测定装置试验与结果分析
2.1 正交试验
2.1.1 试验材料与设备
试验材料利用可精确测得其体积且形态各异的标准不锈钢球体、塑料四棱柱体、鹅卵石以及细石子。将鹅卵石和细石子在干燥箱内干燥，去除挥发物。通过计算和排水法分别测得各试验样品体积，并根据压力容器容积设定试验样品孔隙率如表3所示。试验测定装置实物如图5所示。
