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
【专利摘要】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。
【专利说明】
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
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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Cx、附加电容Co、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Co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Cx、附加电容Co、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Cx、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。
[0008] 所述的激励信号的频率不低于20MHz、不高于40MHz。
[0009] 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Tx，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To,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《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。
[0010] 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】
[0011] 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。
[0012] 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】
[0013]
【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。
[0014] 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】 [0015] 二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与一 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Cx、附加电容Co、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Co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Cx、附加电容Co、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Cx、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。其他与一相同。
【具体实施方式】 [0016] 三:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与一 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 他与一或二相同。
[0017]
【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Tx，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To,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j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=1?的关系fk丨 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。
[0018] 下面对本步骤中湿型砂体积含水量w与的关系-植|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I，If \分别对应单一的并联电容C、附加电容Co、湿型砂电容Cx的振荡周期。令 ，则可求得湿型砂的电容Cx为：
另一方面，湿型砂的电容Cx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。
[0019] 因此可得湿型砂的体积含水量w为：
其中k为常数，To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】 [0020] 五:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与四 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20_。其他与四相同。
[0021] 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。
[0022] 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。
【主权项】
1. 湿型砂含水量的测量装置，其特征在于，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)、口控(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口控(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巧)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口控(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。2. 根据权利要求1所述的湿型砂含水量的测量装置，其特征在于，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Rx和湿型砂电容Cx、附加电容Co、并联电容C、并联电感L、去禪有功电阻R、激励信号源（1- 1)和振荡器(1-3)，所述的去禪有功电阻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Co的第二端与振荡器（1-3)的第一端串联，所述的湿型砂电阻Rx、湿型砂电容Cx、 附加电容Co、并联电容C、并联电感L、去禪有功电阻R的第一端均并联在一起，所述的湿型砂 电阻Rx、湿型砂电容Cx、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。3. 根据权利要求1和2所述的湿型砂含水量的测量装置，其特征在于，所述的激励信号 源(1-1)的频率不低于20MHz、不高于40MHz。4. 基于权利要求1和2所述的湿型砂含水量的测量装置，其特征在于，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W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Ξ、来自A/D转换模块(9)的A/D转换周期结束信号脉冲触发口控(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Τχ，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 To,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-It)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 心-k. ? Γ -if )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。
【文档编号】G01N27/22GK106093145SQ201610668296
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610668296.3, CN 106093145 A, CN 106093145A, CN 201610668296, CN-A-106093145, CN106093145 A, CN106093145A, CN201610668296, CN201610668296.3
【发明人】石德全, 高桂丽, 康凯娇, 董静薇, 李大勇, 王俊博, 王傲
【申请人】哈尔滨理工大学