专利名称：一种木材干燥过程参数自动检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型提供了一种木材干燥过程参数自动检测装置，使用在木材加工领域中 木材干燥过程参数木材含水率、平衡含水率、温度参数的实时在线自动检测。
背景技术：
木材干燥是木材加工中一种生产周期长、耗能多的环节。其加热介质、干燥窑的型 式种类多，目前干燥生产过程虽已有部分利用简单的仪器设备进行阶段性，非在线监测，但 大部分的生产过程仍是凭人工经验进行操作很难按科学的工艺基准进行生产，目前国能外 已有一些木材干燥微计算机监控装置，但大多与干燥窑固定配套，且价格昂贵。随着木材干燥工艺的逐渐发展成熟，以及计算机的广泛使用，木材干燥已由操作 人员手工控制发展为以计算机为基础的自动控制。但是，目前国产木材干燥设备的自动化 程度与国外相比还有一定差距。其主要表现在检测设备陈旧，许多木材干燥厂为了降低发 备成本，往往仍采用手动操作方式，控制仪表和检测装置不全，设备工作的可靠程度差、自 动化水平低；检测方法落后，用称重法测木材含水率，还停留在人工读数查表的水平上，测 试精度低、测试误差大而且与操作人员的熟练程度直接相关，劳动强度高、干燥木材缺陷 多、生产效率低、能源耗费大。近年来，国内外相继推出了一些带微处理器的变送器和数据 采集器，虽然测量精度高，抗干扰能力强，但存在先进检测设备造价高，价格昂贵，难以和国 产设备配套使用的问题；或者存在设计电路结构复杂，硬件调试困难，难以保证系统可靠工 作；或者参数检测单一，没有温度补偿功能，不能提供木材干燥自动控制系统所需的实时干 燥窑内温度、平衡含水率、木材含水率参数。经检索如中国专利96222663. 7 一种木材干燥 微计算机监控系统；中国专利98243294. 1木材含水率测量装置。
发明内容本实用新型的目的在于提供了一种木材干燥过程参数自动检测装置，可实现木材 干燥过程参数木材含水率、平衡含水率、温度的实时在线、宽量程自动检测。本实用新型包括温度传感器组、木材含水率传感器组、多路模拟开关、温度检测电 路、木材含水率检测电路、模拟电子开关、V/F转换电路、光电隔离电路、主控制器、看门狗 电路、串口通信电路、键盘显示接口电路、电源电路。主控制器分为测量CPU和辅助CPU，在 测量CPU程序控制下，温度传感器组、木材含水率传感器组将温度信号、木材含水率信号转 换为电信号，经多路模拟开关分别输入到温度检测电路和木材含水率检测电路，检测电路 输出信号在模拟电子开关的作用下，分时输入V/F转换电路并转换成与电压值对应的频率 值，经光电隔离电路输入到主控制器的测量CPU，测量CPU通过软件程序，计算出被测的温 度、木材含水率、平衡含水率参数值，并通过并行口将检测数据通讯至辅助CPU ；辅助CPU采 用键盘LED数码管显示接口直接显示采集数据，同时按照软件算法对木材含水率因温度变 化引起的误差进行数值补偿，还可以通过串行口通讯电路传输给计算机，为木材干燥过程 自动控制提供实时检测参数。[0006]本实用新型的木材含水率检测电路采用程控放大器，在主控制器测量CPU的控制 下，判断被测木材含水率的等效电阻范围，并依次切换量程，实现分段增益，程控放大器输 出电压与被测木材含水率等效电阻的变化成反比，扩大了木材含水率的测量范围。主控制 器选用WINB0ND公司TO78E58B作为主控制芯片完成系统设计，无需外扩程序存储器、数据 存储器、总线锁存器、多功能可编程接口芯片，电路设计结构简单，系统工作可靠。此外，由 于木材是靠内部的矿物质团来导电的，当定向长时间通电后，就会在木材内部以及含水率 传感器表面发生电离、极化，从而直接影响测量结果的精度，为了消除由此原因造成的测量 误差，对木材加载电压的极性及周期有严格控制，因此，主控制器采用双CPU结构，分别是 测量CPU和辅助CPU，测量CPU按照检测时序实现干燥窑内2点温度、2点平衡含水率、6点 木材含水率数据采集的前期任务；辅助CPU负责运算、转换、显示、温度补偿、与上位机串行 通信。双CPU间采用并行通讯传输数据，从设计角度解决了测量时序占用大量CPU时间且 不能被打断的问题，开行通讯方式克服了串行通讯速度慢的缺点，提高了测量精度及检测 的实时性，可靠性。
图1木材干燥过程参数自动检测装置框图。图2温度检测电路。图3木材含水率检测电路。图4木材干燥过程参数自动检测装置电路图。以上的图a中有模拟电子开关(6)、V/F转换电路(7)、光电隔离电路(8)、主控制 器(9)、看门狗电路(10)、电源电路(13)。图b中有键盘显示接口电路(12)。图5含水率温度补偿程序流程图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4所示，本实用新型包括温度传感器组、木材含水率传感 器组、多路模拟开关、温度检测电路、木材含水率检测电路、模拟电子开关、V/F转换电路、光 电隔离电路、主控制器、看门狗电路、串口通信电路、键盘显示接口电路、电源电路。主控制 器分为测量CPU和辅助CPU，在测量CPU程序控制下，温度传感器组、木材含水率传感器组将 温度信号、木材含水率信号转换为电信号，经多路模拟开关分别输入到温度检测电路和木 材含水率检测电路，检测电路输出信号在模拟电子开关的作用下，分时输入V/F转换电路 并转换成与电压值对应的频率值，经光电隔离电路输入到主控制器的测量CPU，测量CPU通 过软件程序，计算出被测的温度、木材含水率、平衡含水率参数值，并通过并行口将检测数 据通讯至辅助CPU ；辅助CPU采用键盘LED数码管显示接口直接显示采集数据，同时按照软 件算法对木材含水率因温度变化引起的误差进行数值补偿，还可以通过串行口通讯电路传 输给计算机，为木材干燥过程自动控制提供实时检测参数。结合图1、图2、图3、图4以信号的走向说明本实用新型各电路模块的连接关系及
工作原理。本实用新型工作时，先将温度传感器组置于干燥窑的出风口和入风口，其中出风
4口和入风口分别用两支钼电阻温度传感器，一支用白纱布包好，将纱布另一端浸在水槽里， 即由毛细作用使纱布经常保持潮湿(湿球)；另一支直接测量窑内温度(干球)。由两个温 度传感器检测温度及两者之间的温度差，计算机编程可以得出干燥窑内的平衡含水率。本 实用新型测量平衡含水率和测温传感器共用同一样检测电路，简化了系统硬件电路。6点木 材含水率传感器按照上、中、下、前、后的位置安放在被干燥木材的材堆里。接通电源，主测 量CPU发出控制信号，控制多路模拟电子开关3，给温度传感器加载供电电源，利用四线制 检测方法，温度传感器输出信号经多路模拟电子开关3进入温度检测电路4。温度检测电路 见附图2，当温度范围为-40°C 200°C时，放大电路输出端Ut与PtlOO钼电阻温度传感器 之间的对应关系为19. 25mv/°C。测温放大电路输出经模拟电子开关6切换，输入V/F转换 器7，经光耦隔离8，输入主控制器9的测量CPU，计算出被测温度值，然后重复上述过程，依 次采集干球、湿球温度，计算出被测平衡含水率值。木材含水率在5% 95%范围内，对应的等效电阻变换范围为几百GQ 几kQ， 二者之间呈指数变化规律，所以，在设计木材含水率测量电路时，含水率的全量程采用分段 增益的方法把被测木材对应的等效电阻分为四段，每段的反馈电阻分别是Rfl，Rf2，Rf3，Rf4。木材含水率检测电路见附图3所示，电路中选用高精度斩波自稳零放大器 ICL7650，配合继电器构成可编程放大器。测量原理为 式中RX-被测木材含水率的等效电阻值；Rf_反馈电阻值；Umc-输出对应木材含水 率的电压值；Up-施加在被测木材上的定时变向直流5V电压源。从式(1)中可见在每一量程中，当Rf是定值时，电路输出电压与被测木材含水率 等效电阻值成反比。利用此设计方法，可以扩大电测法检测木材含水率的量程范围，以及测 量精度。输出经多路模拟电子开关6切换，输入V/F转换8，经光耦隔离8，输入主控制器9 的测量CPU，计算出被测木材含水率等效电阻值。所述的主控制器选用WINB0ND公司的W78E58B芯片，该芯片与8031单片机完全兼 容，256字节的片上暂存内存，32KB的电可擦除/可编程存储器，64KB的数据存储器地址空 间，64KB的程序存储器地址空间，适用于程序存储空间要求大的系统。选用W78E58B设计系 统无需外扩程序存储器、数据存储器、总线锁存器、多功能可编程接口，电路设计结构简单， 运行稳定可靠。由于温度是木材含水率的重要影响参数，在不同温度下，同一木材含水率能相差 最大可达20%。所以，用电阻法测量木材含水率，必须经过温度补偿，以补偿木材等效电阻 随温度的变化而带来的测量误差。木材干燥窑内，装备风机以加快干燥的速度，当风机的正 反风向不同时，安装在干燥窑内外两侧的温度值有差异，所以需要选用合适点温度对含水 率进行补偿，该木材干燥过程参数自动检测装置通过与上位机串行口交互通信，判定风机 方向，并选温度点对含水率做温度补偿，在辅助CPU里实现含水率温度补偿，程序流程图见 图4。所述的电源电路采用电源隔离技术，使各个电路模块具有独立隔离电源供电，以 切断通过电源串入的各种干扰。使用具有直流隔离功能的DC/DC变换器获得隔离电源的方 法，其外引线见附图4，选用DC/DC变换器一5S5/100mA，其输出电压是5V，输出电流最大为100mA，输入电压与输出电压之间已经被隔离。此外，还选用DC/DC变换器一5D9/100mA，其 输出电压是士9V，输出电流最大为100mA，可以给其它需要9V供电的芯片供电，且输入电压 与输出电压之间也被隔离。所述的V/F变换器电路接通Ut (温度变化对应的电压变化信号)和Umc (含水率变 化对应的电压变化信号)，变化范围是_5V 5V。经过高精度高速V/F转换器，由3脚输 出接单片机78E58的定时/计数器Ttl，频率范围是0Hz IOOKHz。所述的显示电路用于显示2点温度、2点平衡含水率、6点木材含水率参数值。键 盘电路用于被测参数的量程及输入方式选择。所述的串行口通讯电路用于与上位机通讯，传输被检测数据。
权利要求一种木材干燥过程参数自动检测装置，其特征在于包括温度传感器组(1)、木材含水率传感器组(2)、多路模拟开关(3)、温度检测电路(4)、木材含水率检测电路(5)、模拟电子开关(6)、V/F转换电路(7)、光电隔离电路(8)、主控制器(9)、看门狗电路(10)、串口通信电路(11)、键盘显示接口电路(12)、电源电路(13)；主控制器(9)分为测量CPU和辅助CPU，在测量CPU程序控制下，温度传感器组(1)、木材含水率传感器组(2)将温度信号、木材含水率信号转换为电信号，经多路模拟开关(3)分别输入到温度检测电路(4)和木材含水率检测电路(5)，检测电路输出信号在模拟电子开关(6)的作用下，分时输入V/F转换电路(7)并转换成与电压值对应的频率值，经光电隔离电路(8)输入到主控制器(9)的测量CPU，测量CPU通过软件程序，计算出被测的温度、木材含水率、平衡含水率参数值，并通过并行口将检测数据通讯至辅助CPU；辅助CPU采用键盘LED数码管显示接口(12)直接显示采集数据，同时按照软件算法对木材含水率因温度变化引起的误差进行数值补偿，还可以通过串行口通讯电路(11)传输给计算机，为木材干燥过程自动控制提供实时检测参数。
2.按照权利要求1所述的一种木材干燥过程参数自动检测装置，其特征在于所述的木 材含水率检测电路(5)采用程控放大器，在主控制器(9)测量CPU的控制下实现分段增益， 程控放大器输出电压与被测木材含水率等效电阻的变化成反比。
3.按照权利要求1所述的一种木材干燥过程参数自动检测装置，其特征在于所述的主 控制器(9)采用测量CPU和辅助CPU的双CPU结构，测量CPU按照检测时序实现干燥窑内 参数检测；辅助CPU实现运算、显示、温度补偿、与上位机串行通信功能。
4.按照权利要求1所述的一种木材干燥过程参数自动检测装置，其特征在于所述的辅 助CPU具有依据风机的正反风向选择温度点，实现木材含水率的温度补偿功能。
专利摘要本实用新型公开了一种木材干燥过程参数自动检测装置，包括硬件电路，温度传感器组(1)、木材含水率传感器组(2)、多路模拟开关(3)、温度检测电路(4)、木材含水率检测电路(5)、模拟电子开关(6)、V/F转换电路(7)、光电隔离电路(8)、主控制器(9)、看门狗电路(10)、键盘显示接口电路(12)、电源电路(13)；主控制器(9)对木材干燥过程的温度、木材含水率、平衡含水率参数实时在线检测，其中检测电路采用程控放大器，依据反向比例原理，扩大了检测范围及精度；该装置还具有温度数值补偿功能，通过串行口传输给计算机并采用LED显示采集数据，为木材干燥自动控制系统提供实时检测参数。
文档编号G01N27/04GK201653954SQ200920244190
公开日2010年11月24日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者孙丽萍, 张佳薇, 曹军 申请人:东北林业大学;曹军;张佳薇