定量设计（通用12篇）
定量设计 篇1
0 引言
免疫荧光分析技术是新发展起来的精密的免疫标记检测技术, 与传统的酶联免疫法及金标法相比, 免疫荧光分析技术灵敏度高, 特异性强, 操作方便, 不用放射性物质作为标记物, 因此具有无放射性、标记物稳定、便于长期保存、试验重复性好、分析速度快、样品用量少及标准曲线量程宽等优点[1]。荧光分析法是测定物质吸收了一定频率的光以后, 物质本身所发射的光的强度。荧光的强度与物质数量之间存在正比关系, 可通过测定荧光的光谱和荧光强度, 对物质进行定性或定量的分析。免疫荧光分析技术是目前生物医学检验中常用的快速分析技术, 在微生物、病毒抗原或抗体检测、激素检测、肿瘤标志物检测、毒品海洛因、吗啡、摇头丸、氯胺酮等检测领域具有广阔的应用前景。
1 免疫荧光定量检测原理
将特异的荧光抗体先固体于硝酸纤维素膜的某一区带, 当该干燥的硝酸纤维素一端滴加样品后, 由于毛细管作用, 样品将沿着该膜向前移动, 当移动至固定有抗体的区域时, 样品中相应的抗原即与该荧光体发生特异性结合, 随着进一步的层析作用, 用此抗原的另一个抗体对此复合物进行捕捉, 多余的荧光抗体用其二抗进行捕捉, 两次捕捉的位置分别称为质控线 (C线) 和检测线 (T线) 。当光源照射到检测卡上时, 质控线和检测线分别激发出不同强度的荧光, 光电转换器接收不同强度的荧光产生不同大小的电信号, 电信号的强弱反映出待检测物的浓度, 从而实现特异性的免疫诊断。
2 免疫荧光定量分析仪系统设计
免疫荧光定量分析仪主要由光学部分、硬件电路部分以及系统软件部分组成。光学部分是荧光定量分析仪的核心部分, 用来激发出荧光, 而硬件电路部分和系统软件部分则用来进行荧光信号的检测处理以及控制整个仪器的正常运行。
2.1 光学部分设计
光学部分设计如图1所示, 光学部分由光源发射光路和荧光检测光路两部分组成。
光源发射光路由LED光源、凸透镜1、滤光片1和凸透镜2组成。LED光源的光轴与凸透镜1、滤光片1以及凸透镜2的光轴在一条线上。光源为绿色 (中心波长为580 nm) 高亮度LED光源, LED位于发射光路凸透镜1的焦点, 这样光源发出的光经凸透镜1后变为平行光, 滤光片1采用中心波长580 nm带宽为30 nm的窄带干涉滤光片, 平行光经过滤光片1后, 入射光中565 nm~595 nm范围以外的光被滤除掉, 出射的光为窄带光 (565 nm~595 nm) , 其经过凸透镜2后, 被聚焦到样品上, 激发出荧光, 荧光波长为610 nm。
荧光检测光路由凸透镜3、滤光片2、凸透镜4和光电转换器组成。光电转换器与凸透镜3、滤光片2、凸透镜4的光轴在一条线上。荧光检测光路光轴和发射光路光轴成45°角, 最大程度地减少了激发光对荧光信号检测的影响。荧光检测光路光轴和发射光路光轴的交点在检测试纸上, 且交点为凸透镜2和凸透镜3的焦点。滤光片2采用中心波长610 nm, 带宽为15 nm的窄带干涉滤光片。激发出的荧光被凸透镜3收集后变为平行光, 平行光通过滤光片2后, 原来的少量激发光会被滤光片滤除掉, 仅剩激发出的610 nm左右的荧光信号通过[2,3]。通过滤光片后的光被凸透镜4收集聚焦到荧光检测模块上的光电转换器上, 实现光信号到电信号的转换。
2.2 系统硬件电路部分设计
系统硬件电路的结构框图如图2所示, 仪器的测量原理是:处理器控制步进电机带动待检测样本到达检测器的检测口上方, 通过发光控制模块控制LED的发光强度以符合测量的强度要求, 光电传感器检测荧光信号的强弱, 传感器输出信号经放大和滤波处理后进入ADS1252转化为数字信号交给处理器进行处理[4]。
图2中检测器框中所示的部分包括上文2.1所描述的光学部分以及部分硬件电路, 两部分共同封装在检测器内, 提高了检测信号的稳定性和抗干扰能力。检测器硬件电路部分由发光控制模块和荧光检测模块组成。
为了保证光源的稳定性, 发光控制模块采用了恒流源驱动方式, 这样可以有效保证光源发光强度的恒定。对于有的样品, 照射光源不宜太强, 因此, 恒流源采用的是程控调节的恒流源, 通过输入不同的数字值, 可以控制LED的发光强度。即LED驱动电流的大小可以通过程序进行控制。
光电转换器选用内置运放的光电转换芯片OPT101。荧光检测模块包含了光电转换、信号放大滤波、电压偏置、模/数转换等部分。其中, 信号放大采用程控放大, 模/数转换采用24位的A/D转换芯片ADS1252, 可保证足够的转换精度和大的动态检测范围。检测器传输给控制器的是数字电信号, 数字信号比模拟信号有更强的抗干扰能力和准确性, 这就大大提高了系统的检测精度。
2.3 系统软件部分设计
系统软件使用C语言进行编写, 软件流程图如图3所示。系统初始化主要完成系统各外围模块的配置以及历史设置的读取和配置。待系统初始化完成后, 控制电机带动样品卡卡槽出仓, 并在显示屏上提示用户插入检测样品卡。系统循环检测样品卡是否插入卡槽内, 当检测到样品卡插入后系统打开二维码扫描枪并控制电机带动样品卡移动至扫描枪处进行二维码的读取。二维码包含检测项目、产品批号、标准曲线等信息。系统判断二维码信息有效后打开LED并根据二维码相关信息调整LED亮度同时控制电机带动待检测样本移动至检测器上方进行检测。采集到的数据将以txt文件的形式保存在SD卡内, 经一定的算法计算出T线与C线对应波峰的面积比后代入二维码信息中的标准曲线内, 得出待检测样品的浓度并将最终的荧光强度曲线及样品的浓度检测结果显示到显示屏上并自动存储和打印检测信息[5]。
3 测试结果及分析
本文设计的免疫荧光定量分析仪可以测量血液和尿液中多种物质的浓度, 本文以NT-pro BNP (N末端脑钠肽前体) 的浓度测量为例对仪器的运行效果进行分析。NT-pro BNP是由心脏分泌的一种神经内分泌激素, 已被证明是临床上诊断、治疗及判断心力衰竭患者预后的重要指标[6]。
3.1 荧光信号的采集
将样品卡插到仪器的卡槽内进行检测得到荧光强度曲线如图4所示。图中横坐标代表数据个数, 纵坐标代表光电转换器输出的电压值, 单位为m V。
3.2 标准直线拟合
得到样品荧光强度的曲线后, 利用高斯拟合可以计算出T线和C线对应的曲线波峰的面积, 利用T线和C线对应波峰的面积可以计算出待检测样品的浓度。这就需要一组标准浓度校验品, 根据标准浓度校验品的测量结果, 建立一定的数学模型计算出T线和C线对应波峰的面积与样品浓度之间的数学关系。
根据标准浓度校验品得到样品浓度与T线对应波峰的面积 (用AT表示) 与C线对应波峰的面积 (用AC表示) 之比AT/AC的对应关系如表1所示。
由表1中的对应关系, 利用最小二乘法得到的样品浓度与AT/AC数学量化关系, 如图5所示。
由图5可以得出, 最小二乘法拟合直线的表达式如式1所示:
直线拟合相关系数R=0.999 92, 说明这6种标准浓度校验品的浓度与AT/AC之间存在良好的线性关系。
3.3 系统测量误差分析
选择一组同一批次不同浓度标准浓度样品, 依据式1对样品浓度进行测量, 分析系统的检测误差, 得到的测量结果如表2所示。
由表2的实测结果可以看出, 对于标准浓度样品的测量误差在±8%以内, 满足实际的使用要求。下面选取一组医院的病人血液样品, 以进口的锐普智能荧光干式定量分析仪作为标准仪器进行对比测量。每个病例取75μL病人血液样本加到样品缓冲液中, 将溶液充分混匀后取75μL混匀后的样本滴加到样品卡的加样孔内, 等待15 min后将样品卡插入到仪器的卡槽内得到的测量结果如表3所示。
由表3的对比测量结果可以看出, 本文设计的免疫荧光定量分析仪与现已商品化的免疫荧光检测仪相比, 测量误差在±8%以内, 能满足临床应用要求。
4 结论
本文设计了免疫荧光定量分析仪, 对仪器的光学部分、硬件电路部分以及系统软件部分进行了详细介绍。从多个角度对仪器的运行结果进行了分析, 从测试结果可以看出, 仪器可以拟合出线性度良好的标准直线, 通过对标准校验品的测量试验和与标准仪器的对比试验表明仪器在小型化、快速性的基础上, 测量误差能够控制在±8%以内, 可以满足临床应用的要求。
摘要：设计了免疫荧光定量分析仪, 用以对人体血液和尿液中的各种分析物 (CRP、PCT、NTpro BNP、c Tn I等) 含量进行快速准确的定量分析。光源采用大功率LED灯珠, 采用窄带干涉滤光片对激发光和荧光进行滤光, 采用内置运放的光电转换芯片OPT101进行荧光强度的检测。采用步进电机驱动, 皮带传动方式带动双排滚珠宽体滑块在单根精密直线导轨上滑动, 实现对检测样品的扫描式检测。通过与标准仪器进行对比试验, 结果表明样机在小型化、快速性以及低成本的基础上, 测量结果准确, 测量精度高, 稳定性好, 能满足临床应用要求。
关键词：免疫荧光定量分析仪,干涉滤光片,OPT101
参考文献
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[4]王宜怀, 吴瑾, 蒋银珍.嵌入式系统原理与实践:ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京:电子工业出版社, 2012.
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定量设计 篇2
1、公司法人为安全责任人；另设安全分管领导；下设安保科，开展具体的安全工作。
2、办公室主任负责安全文件存档，安全文件起草，计划、总结、汇报，记录安全会议内容；配送车油票的购买、维修等工作。
3、财务科以科长为科室责任人，对财务室安全工作负责，统计员做好爆破器材购进销出数量记录及雷管编码工作，出纳员做好现金支出管理工作。
4、销售科以科长为科室责任人。对科室工作负责。
5、配送科以科长为安全责任人，对配送安全负责，司机负责车辆行车安全，押运员负责货物押运安全。
6、爆破器材仓库以仓库主任为仓库安全责任人，对仓库全面安全工作负责。下设保管员，对爆破器材收存、发放安全负责；警卫人员负责仓库警卫巡查工作；门卫负责外来人员、车辆的登记记录；操作人员对爆破器材的上下车入库安全负责。
7、各科室、仓库的安全工作均应配合安保科的检查监督，不得以任何理由拒绝检查或不接受整改。
爆破器材配送运输安全管理制度
公司为了搞好配送运输安全工作，有效防止爆破器材在运输中发生爆炸和丢失事故的发生，根据《中华人民共和国爆炸物品管理条例》特制定运输安全管理制度。
1、由熟悉爆破器材性质，具有安全驾驶经验取得资格培训的司机驾驶。
2、由身体健康、政治可靠、责任心强并取得押运资格的同志押运。
3、押运员必须确定押运的爆破器材的品种、数量无误，装载爆破器材不超高、不超载，而且牢稳安全。
4、车辆按照最佳路线，安全行车速度行驶，严禁运输中吸烟、用火，严防货物丢失、被盗，发生事故立即报警，保护好现场。
5、货物送达目的地后，监督收货单位在交接本上签注物品数量、雷管编码。
6、车辆每天配送结束必须根据车况进行维修与保养，确保运输车辆安全。
定量设计 篇3
关键词：定量综合实验；要素；教学策略
文章编号：1008-0546（201１）０８-00８１-0２中图分类号：G６３３．８文献标识码：Ｂ
doi：10.3９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０５４６．２０１１．０８．０３９
化学综合实验有定性和定量两大类，定性实验通常包括：①物质的制备、分离和提纯，②物质的检验，③性质探究等；而定量实验通常包括：①物质组成的测定，②物质（一般为有机物）结构的测定，③重要物理量的测定（如摩尔质量、阿伏加德罗常数等），④性质比较等。显然定量实验是在定性实验基础上展开的，它是化学实验的最高境界，因此能力要求将有所提升。要想很好地设计或解决定量实验问题，首先必须了解定量综合实验的设计要素，并有针对性地采取相应的教学策略。
一、实验目的——化学实验的方向指南
每个化学实验都有它的目的，所以在设计或解决定量实验前必须首先把握实验目的是什么，它是我们设计的方向指南，后面所有的设计都应当紧紧围绕实验目的展开进行。实验目的一般可描述为：①制备（或分离、提纯）×××②检验×××③探究×××④测定×××等。当然，实验目的是有层次的，我们可以将大目的分解为若干个小目的，小目的最终要服务于大目的。在设计实验方案时我们还要知道每一步的操作意图。
二、实验原理——化学实验的理论依据
在设计实验时，我们要发散思维，充分利用物质的性质、化学反应速率与化学平衡、电化学等知识，为达到某个实验目的而寻求最佳实验原理。在定量综合实验原理的设计教学中，教师要引导学生掌握常用的三种思路方法：
１．沉淀法
顾名思义，沉淀法就是通过反应生成沉淀，然后测量沉淀的质量，进而求出最终所需物理量。在沉淀法中必然会涉及到“生成沉淀→过滤→洗涤→干燥→称量”等一系列操作。所以在教学中我们要引导学生学会解决下列一系列问题：①如何判断沉淀是否完全②如何洗涤沉淀③如何判断沉淀是否洗净④如何判断沉淀是否已完全干燥……显然，在沉淀法中要采集的数据就是固体的质量，可用天平进行称量。
２．气体法
气体法就是通过反应生成气体，然后测量气体的质量或体积，进而求出最终所需物理量。
（１）测气体的质量
测定气体质量的方法一般采用差量法。如果是非气态的反应物发生反应只产生一种气体时，可以通过测定反应体系反应前后质量的差异，确定气体的质量（反应体系反应前的质量减去反应后的质量即为气体质量）。其他情况一般采用合适的吸收剂（如浓硫酸、碱石灰）和实验装置（如洗气瓶、干燥管）来吸收，通过测量吸收装置吸收前后质量差得到气体的质量（吸收后吸收装置的质量减去吸收前吸收装置的质量即为气体质量）。此时要特别注意：必须用其他无关气体将反应生成的气体全部赶入吸收剂中被吸收，而且通常要防止空气中的成分（如ＣＯ２、水蒸气等）干扰实验，所以一般要在尾部再接一个装有碱石灰的干燥管。
（２）测气体的体积
测量气体体积的方法一般采用排水量气法，要求气体不溶于水，知道气体体积后往往还要转化为气体的物质的量，故而还要知道当时的温度和压强。通常不会去测定所收集到气体的温度和压强，容易测定的是实验室的温度（Ｔ）和压强（ｐ），所以在读数前都要先将气体恢复到当时实验室的温度和压强。显然用这种方法时需采集的数据有Ｖ（气体）、Ｔ和ｐ。常用于排水量气的装置有以下三种（如图１～图３）：
在运用这些装置量气时，当实验结束时，要待恢复至室温后，再移动相关仪器，使两侧（或内外）液面相平，使气体的压强等于外界大气压。这三种装置中尤以图３为最佳，在用图２实验时，要特别注意在恢复至室温的过程中，一定要保证进入量筒的玻璃导管高于液面以防倒吸。如果在反应过程中需向反应容器内滴加溶液，最好采用恒压滴液装置（如图４），既保证溶液能顺利滴下，又不会因滴入溶液而影响到气体的体积。
３．滴定法
滴定法的基础是酸碱中和滴定，还可以迁移到氧化还原滴定等。运用这种方法时往往会涉及到溶液的配制、指示剂的选择、滴定操作和终点判断等问题。
三、实验用品——化学实验的基本保障
实验原理确定后，化学试剂也就确定了，再结合实验操作选择所需实验仪器。在教学时，教师要引导学生掌握实验中的操作及其相应装置，比如：（１）分离提纯类：溶解、过滤、蒸发、蒸馏、萃取、分液、灼烧（酒精灯、三脚架、泥三角、坩埚、坩埚钳、玻璃棒）等；（２）溶液配制类：配制一定质量分数的溶液、配制一定物质的量浓度的溶液；（３）滴定类：酸碱中和滴定、氧化还原滴定等。为减小定量实验中的测量误差，尽可能选择精度比较高的计量仪器，如量体积选用滴定管，称质量选择电子天平或分析天平等。
四、实验步骤——化学实验的进行程序
实验步骤是化学实验得以顺利进行的保障，所以在设计实验步骤时要特别严密，要有身临其境之感，假想当时自己在做这个实验，想象它的过程。设计时要注意控制实验条件，如浓度、温度、压强、催化剂、光、溶剂、固体颗粒大小、试剂、纯度、状态、用量、酸碱度（ｐＨ）、反应时间、环境气氛、变量控制、仪器等。为保证定量实验的准确性，要重视测量实验中的“恒量”操作和重复测量，即在重复测量时，要确保两次量之间的差异符合实验要求。在教学时，教师可以精选几个定量实验，给出实验原理和实验用品，请学生设计实验步骤，然后让学生分组讨论、完善方案，教师再结合学生暴露出的问题进行点评提升，经过几次这样的练习，学生的实验设计能力就会明显提高。
五、处理分析——定量实验的最终归宿
实验过程中需及时记录实验现象和数据，最后要进行数据处理和问题讨论分析。在处理数据时，首先要对几次的平行实验数据进行筛选，舍去有明显偏差的，再将合理的数据求算平均值，计算出最终结果。在进行问题讨论分析时，首先要对实验过程中的意外情况进行分析，此外还要进行误差分析，分析测量值出现误差的可能原因或由于不规范操作将导致的实验误差。在教学时，教师要让学生掌握误差分析的一般思路：先根据实验原理得出目标物理量的计算式，然后分析不规范的操作使得哪个物理量发生了变化，再分析这个变化导致目标物理量如何变化。
二甲醚自动定量装车系统设计实施 篇4
二甲醚是一种新兴的基本化工原料, 具有良好的易压缩、冷凝、汽化特性, 在制药、燃料、农药等工业中有许多独特的用途。随着石油资源的紧缺及价格上涨, 清洁环保理念的深入, 作为柴油替代资源的清洁燃料———二甲醚得到大力推广, 并逐渐进入了民用燃料市场和汽车燃料市场。
濮阳龙宇化工有限责任公司二甲醚产品储存于2个1000m3球罐内, 对外销售采用自动装车系统。
1 系统组成
汽车定量装车控制系统采用集散式控制结构。装车控制仪直接安装在栈桥上 (装车鹤位附近) , 根据设定 (远程设定/本地设定) 的装车数量打开和关闭装车阀门, 并对温度、流量、接地、高位探头、可燃性气体探头等现场仪表进行检测, 根据装车工艺实现定量装车;如有二甲醚气回收系统, 可以根据回收工艺自动打开或关闭相应气相管的接口阀门。装车控制系统现场仪表连接图如图1所示。
隔爆型 (Rosemount) 装车控制器电气连接装车控制阀、流量计、静电接地夹和液位开关等。装车时, 控制仪根据设定 (远程/本地) 的装车数量, 先小流量打开装车阀, 小流量装车, 防止物料与空气摩擦产生静电;当装车物料淹没鹤管口后, 全部打开阀门, 加大装车流量, 进行快速装车。装车过程中控制仪对流量信号进行累计, 达到设定的装车大提前量时, 部分关断阀门, 用小流量装车, 提高装车精度, 同时防止水击;当装车量达到设定的小提前量时, 控制仪关闭装车阀, 实现安全和准确装车。同时安有静电物料溢出保护器, 装车过程中检测静电接地和液位探头信号, 当发生静电接地不良或液位高信号时, 控制仪立即切断阀门, 防止静电聚集或者物料溢出, 确保装车过程的安全性。
装车控制仪与PLC控制系统连接, 对控制仪进行集中控制和管理, 完成装车数据输入, 监控装车过程, 记录装车数据并统计、汇总, 设置控制仪参数等功能。PLC控制系统从销售网络提取装车数据, 根据现场控制仪送来的装车单信息 (装车密码) 向对应控制仪发送发二甲醚的量和允许装车信号。二甲醚自动装车系统如图2所示。
2 系统主要功能
(1) 定量装车功能:控制仪与现场流量计、装车阀、泵、静电接地夹、防溢开关等仪表连接, 按工艺要求开启泵和阀, 检测流量, 当达到设定的流量时, 关闭泵和阀, 实现定量安全装车。
(2) 报警联锁功能:液位开关、静电接地与PLC控制系统联锁, 出现液位开关或静电接地信号时, 系统关闭阀门和泵, 暂停装车, 报警消除后, 按启动继续装车或退出装车。
(3) 阀门控制与回讯功能:装车阀控制开关的时间可根据LCD显示的信息由面板输入, 阀门的开关状态可直接由LCD显示。
(4) 流量检测控制:控制仪连接Rosemount CMF1700质量流量计, 计量稳定准确, 本地流量显示, 触屏操作, 可实现远距离测量和控制, Hart通信, 流量参数可设定, 无流量时自动停泵。
(5) 温度补偿功能:控制仪采集工业通用温度传感器信号PT100, 14位A/D转换器完成温度测量, 用于系统温度的自动补偿计算。
(6) 网络通信:控制仪采用RS-485总线通信, 所有控制仪通过一条两芯屏蔽双绞线与上位PLC控制系统连接, 接受电脑发送的二甲醚控制指令;电脑监控装车过程, 记录数据, 完成报表, 并在公司局域网内实现数据共享。
(7) 防雷保护:系统仪表和通信设备选型时已考虑了防雷保护功能, 除此之外, 在系统电源进线端加装防雷保护器。
(8) 装车急停功能:控制仪配有紧急切断按钮, 在紧急情况下及时切断二甲醚流, 故障排除后, 按启动继续装车或退出装车。
(9) 参数设定及掉电保护功能:控制仪参数在取得密码的情况下, 可用面板输入, 参数均保存在E2PROM内, 系统掉电时自动保存当前信息, 电源恢复时继续执行掉电前的操作。
(10) 自动复位功能:故障解除后系统自动保持原状态。
3 结语
定量设计 篇5
Taqman荧光定量PCR是核酸水平对管家基因GAPDH进行定量的好方法
目的比较Taqman荧光定量PCR法、SYBR Green I荧光定量PCR法和普通PCR法制作3-磷酸甘油醛(GAPDH)标准曲线的检出下限、线性范围的差异,确定一种较好的`GAPDH绝对定量方法.方法构建含GAPDH全长的质粒,经PCR和EcoR I限制性酶切鉴定确认后,紫外定量并连续稀释10倍作为标准品.分别用Taqman法和SYBR Green I法于荧光定量PCR仪上制作标准曲线,同时用普通PCR结合琼脂糖凝胶电泳利用Quantity One软件定量并制作标准曲线.结果Taqman法检出GAPDH的下限为2.0×104拷贝,线性范围:2.0×104～2.0×1010拷贝;SYBR Green I法检出GAPDH的下限为2.0×107拷贝,线性范围:2.0×107～2.0×1010拷贝;普通PCR检出GAPDH的下限为2.0×106拷贝,线性范围:2.0×107～2.0×109拷贝.结论Taqman荧光定量PCR法比SYBR Green Ⅰ荧光定量PCR法和普通PCR法的灵敏度高,线性范围宽,是核酸水平对GAPDH定量的好方法.
作 者：王萍 丛敏 李忆梅 唐淑珍 刘晓明 王宝恩 贾继东 尤红 Wang Ping Cong Min Li Yimei Tang Shuzhen Liu Xiaoming Wang Baoen Jia Jidong You Hong 作者单位：首都医科大学附属北京友谊医院肝病研究中心刊 名：首都医科大学学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF CAPITAL UNIVERSITY OF MEDICAL SCIENCES年，卷(期)：27(2)分类号：Q503关键词：PCR GAPDH 荧光定量
定量不灵了 篇6
大前年，吴大明下岗了，他在父母和亲朋的支援下，凑了一笔钱，买了一辆旧车。干起运输行业。他父亲原是一个熟练的司机，把精湛的技术，快速排除故障的本领，都原原本本地传给了他。小吴脑子灵光，加上扎实的高中文化，“雏凤清于老凤声”，他的技术水平便很快超过了他的父辈。随着车轮的响动，小日子过得甜甜的。但有一点令人担心，那就是喝酒的事儿，无论亲朋好友如何劝说，他都不当一回事儿。
吴大明喝酒有严格的定量。如果是啤酒只限一瓶，如果是白酒则只限四两，从不超过；喝酒的方法也很独特，一瓶啤酒分两杯，一杯一咕咚便下了肚；四两白酒分四口，一仰脖子便喝光。不用下酒菜，也不必垫肚子。他说：“大口喝酒，辛辣刺激。酒从嘴到胃，然后酒气迅速上升，强烈地刺激喉鼻。人，就是图这股子呛劲、冲劲呢！”为了保险起见，他也作了一些自我规定：啤酒，只限本地的“山城”;白酒呢，以厂前刘家馆子的“老白干”为准，按照他的这种规矩，操作了多年，倒也相安无事。
但上月却出了车祸。而且到底还是栽在这倒霉的酒上。
出事的那天，他开车到市里去提货。杯里揣着自炒的一包花生米和刘家馆子的四两老白干。真个是驾轻就熟，一路顺风。不一会儿就到达了目的地。装上车，不到12点便返程了。
车到半路，肚子饿了。吴大明便停下车来。走进了一个老饭馆。老规矩：一盘炒腊肉，四两大米饭。接着取出身上的酒和炒花生，不到10分钟就结束了战斗。然后，便又驱车上路了。不一会儿，吴大明感到一股燥热从“丹田”直冲“百会”，接着便觉得眼睛有些模糊了，手脚也不听使唤了……终于，不该发生的事情发生了。在一个“Ｓ”形地段，吴大明由于血管里的酒精的涌动，头脑一阵阵地发麻，迷糊之中，他竟把加速当成了减速，向左反而向右，结果车子冲出了马路，在一片麦子地里做了三个“前滚翻”……他付出了沉重的代价：额角上开了一条两寸多的口子，左手粉碎性骨折，他住进了医院。
躺在病床上，吴大明百思不得其解，四两酒，对他来说，充其量不过七成酒，怎么就醉了呢？多年的老规矩怎么就不灵了……
定量设计 篇7
“探究影响安培力大小因素”的实验是高中物理的重要内容.人教版选修1-1 (31页) 和3-1 (83~84页) [3]都以相同的演示实验, 让学生进行研究.然后用相同的方法得出结论:“分析了很多实验事实后人们认识到, 通电导线与磁场方向垂直时, 它受力的大小既与导线的长度L成正比, 又与导线中的电流I成正比, 即与IL成正比, 用公式表示为F=BIL.”
笔者认为, 突出物理学的人文特色的选修1-1[4]做这样的安排无可非议.但作为侧重让学生较全面地学习物理学的基本内容, 进一步了解物理学的思想和方法的选修3-1[4], 在探究的层次上应该比选修1-1有所提高.影响安培力大小因素的探究实验设计, 应有利于学生通过实验数据的收集、归纳和推理, 能从中得出公式F=BIL.从这一思路出发, 我设计了如图1所示的设计电路, 变定性研究为定量探究, 取得了较好的教学效果. 现将设计思路和探究过程做一梳理.
一、设计思路
1. 如何测量安培力的大小?
由于本实验测量的是作用在一根通电直导线上的安培力, 其测量值非常小, 只有0.01 N左右.普通的弹簧测力计的精度 (0.1N) 显然不能满足定量探究的需要. 为此改用电子秤来测安培力的大小, 其称量为200 g, 感量为0.01 g. 转化为测力计, 其称量为2 N, 感量为0.0001 N, 能满足测安培力大小的需要.利用其“去皮”功能, 能直接测出安培力, 并用电子秤示数的正与负表示安培力的方向. 若示数为正, 说明受到安培力的方向向下;若示数为负, 说明受到安培力的方向向上.
测量时, 将电子秤置于匀强磁场中, 直导线放在电子秤的秤盘上, “去皮”归零后, 闭合开关, 电流通过直导线, 读出电子秤的示数, 其示数的10-2倍即为安培力的大小, 单位为N.
2.怎样改变电流的大小?
利用如图3所示的学生电源, 用改变电源电压的方法来改变电流的大小, 并通过电流表直接显示. 同时采用功率为10 W、阻值为5Ω的绕线电阻R来保护电路.
3.怎样改变导线的长度?
用14 cm长的裸铜线作为直导线, 焊5个连接点, 安置在图4所示的导线架上 , 并连接到五个接线柱上.选择不同的接线柱, 可方便地改变置于匀强磁场中的导线长度, 分别为14cm、12cm、10cm和8cm.
4.怎样改变磁场的强弱?
用图5所示的两个长15 cm、高1 cm、厚1 cm的钕铁硼强磁铁代替蹄形磁铁, 增强匀强磁场的宽度, 达15 cm.将其放在两根下面有与仪器架连接的一排铁螺钉、上面有长 度刻度线的 导轨上.利用磁体的吸铁 性使其与导轨固定, 利用刻度线确定强磁铁之间的距离, 移动强磁体在导轨上的位置来改变磁体间的距离d.
5. 怎样描述力、电流、磁场三者方向的关系?
用箭头直观地描述电流方向 (向左“←”或向右“→”) 和磁场方向 (进去“×”或出来“·”) , 用电子秤显示数的正负描述安培力的方向 (向下“↓”或向上“↑”) , 从中归纳出用左手定则来判定安培力的方向.
二、制作仪器
根据上述设计思路, 制作安培力探究仪, 并将其与高中学生电源、电流表、保护电阻按图1所示电路图连 成电路, 其实物照片如图6所示.用它可以非 常方便地定 量探究影响 安培力F大小的三 个因素 (电流大小I、磁场强弱B、导线长短L, 其中导线与磁场方向垂直) , 揭示出描述安培力的方向与电流方向、磁场方向之间关系的方法 (左手定则) .
三、探究过程
1. 探究安培力的大小与电流大小的关系
将两个强磁体放置在导轨上, 使其间的距离为10 cm, 使匀强磁场的强度一定.再将A、E两个接线柱连入电路中, 磁场中导线的长度保持14 cm不变、直导线位于匀强磁场的中间, 与强磁铁平行.改变电源电压, 读出与其相对应的电流表和电子秤的示数, 将其记录在设计的表1中.
将表1中的数据画成如图7所示的安培力随电流变化的函数图像.由图像可知:在保持磁感应强度 (1.66×10-2T) 、导线的长度 (14 cm) 不变时, 垂直于磁场方向的通电直导线, 受到安培力F的大小, 与导线中的电流I成正比.
2. 探究安培力的大小与导线长度的关系
在上述实验序号1的基础上, 分别改变相应的接线柱, 使A、D (12 cm) , B、D (10 cm) , C、D (8 cm) 分别先后接入电路, 闭合电源开关, 分别读出电子秤的示数, 并记录在表2中.
将表2中的数据画成如图8所示的安培力随匀强磁场中导线长度变化的函数图像.由图像可知:在保持磁感应强度 (1.66×10-2T) 、导线中的电流 (1.46A) 不变时, 垂直于磁场方向的通电直导线, 受到安培力F的大小, 与导线的长度L成正比.
3. 探究安培力的大小与磁场强弱的关系
在探究1实验序号1的基础上, 在导轨上移动强磁体的位置, 改变它们间的距离d, 使其分别为8 cm、6 cm、5 cm、4 cm.闭合电源开关, 分别读出电子秤的示数, 并换算成磁场的强弱B (B为磁感应强度) , 记录在表3中.
分析表中第2行和第3行的数据可知, 两个相同的强磁体组成的匀强磁场, 其磁感应的强度随磁 极间距离的减小而增大. 再将表3中第3行和第4行的数据画成如图9所示的安培力随磁场的强弱而变化的函数图像.由图像可知:在匀强磁场中, 导线的长度 (0.14 m) 、电流一定时 (1.46 A) , 垂直于磁场方向的通电直导线, 受到安培力F的大小与磁感应强度B成正比.
4. 探究安培力的方向与电流方向、磁场方向之间的关系
分别改变电流方向 (由“→”改变为“←”) 和磁场方向 (由“×”改变为“·”) , 查看电子秤示数的正负 (“↓”为正, “↑”为负) , 并把三个方向分别记录在表4中.
分析表4中的实验现象可知:安培力的方向与电流的方向、磁场的方向都有关, 三者之间的方向关系可用左手定则来描述:伸开左手, 使大拇指跟其余四个手指垂直, 且都跟手掌在同一个平面内, 让磁感线直穿入手掌心, 使四指指向电流方向, 则大拇指所指的方向, 就是安培力的方向, 如图10所示.再让学生用左手定则逐一验证表4中实验序号1 (或2、或3、或4) 中三个方向之间的关系.
四、得出结论
综上分析可得:通电直导线在磁场中受到安培力F的大小, 与电流的大小I成正比, 与导线的长度L成正比, 与磁感应强度B成正比.由此可得计算安培力的公式F=ILBsinθ.
其中的B为磁感应强度, 它是描述磁场强弱和方向的一个物理量. 其大小为B=F/IL, 单位为特斯拉 (T) , 简称特.表3中的B1=1.66×10-2T、B3=1.76×10-2T、B4=1.91×10-2T、B5=2.01×10-2T、B2=2.14×10-2T, 都是利用公式B=F/IL, 将I=1.46 A、L=0.14 cm和F1=0.34 N、F2=0.36 N、F3=0.39 N、F4=0.41 N、F5=0.44 N等数据分别代入计算而得的.
五、教学探讨
对于探究影响安培力大小因素实验的教学, 若采用传统的教学方法, 教师会直接根据教材的安排, 通过演示实验 (插图3-2-1) 后, 让学生直接阅读“分析了很多实验事实后人们认识到, 通电导线与磁场方向垂直时, 它受力的大小, 既与导线的长度L成正比, 又与导线中的电流I成正比, 即与I L成正比, 用公式表示为F=BIL”.这样的教学, 表面上学生也经历了探究, 事实上学生的思维是禁锢的.这样的教学显然缺乏严谨的探究过程, 公式的得出显得苍白无力, 这对教学条件比较好的重点中学的理科学生而言, 是无法落实科学探究这一目标的.
本人认为, 在物理规律教学尤其是得出定量公式的教学之前, 教师应该认真研究如何让学生经历物理规律乃至公式的发现过程, 就需要对教材进行二次创造. 以学生原有的认知水平为思维起点, 创设与规律或公式的真实发现过程相似的情境, 变定性研究为定量探究, 引导学生经历物理学家的发现过程, 从而提升学生的思维能力, 丰富学生的思维品质.□◢
参考文献
[1]方红霞.向心力探究仪[J].物理教学, 2013 (2) :23~26.
[2]方红霞.多功能摩擦力实验仪[J].中学物理教学参考, 2013 (4) :93~94.
[3]张大昌.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].北京:人民教育出版社, 2007.
定量设计 篇8
1 设计要求及基本条件
1.1
物料基本特性 (表1)
1.2 包装能力及精度要求
根据磁性材料厂预烧料产品年生产量、客户对包装标准 (25公斤/包) 及精度的要求 (±50克) , 综合考虑设备有效作业率和日常检修、年修等要素, 对包装能力及精度设计要求如表2所示。
2 系统设计过程
2.1 设计概述
自动包装生产线实现功能基本一致, 一般分为以下几个关键环节:自动上袋—自动称重—自动装袋—自动缝包—自动输送—自动重量检测—自动喷码—自动剔除, 其工艺流程为:物料从成品料仓进入包装秤系统, 下料与计量装置通过粗细两种不同加料方式互相配合实现精确定量下料控制, 一旦物料重量增加到设定值范围内时, 称重系统发出粗加料方式停止指令, 等待细加料方式下加料装置中物料落入到秤斗中之后表示此次称重过程完成[2,3]。
在自动称重环节完成以后, 包装秤系统并不是立即进行物料下料机包装, 而是需要系统对其发出“投料”的指令才能进行下料和包装, 而判定系统是否下达“投料”指令的条件之一就是自动上袋动作已经完成, 在完成此动作基础上系统才会发出相关控制指令要求称重下料单元阀门打开, 阀门打开以后, 物料由称重斗下放至包装袋内, 下料动作完成后系统发出指令将下料阀门关闭, 装袋机底部设计了拍打敲击装置, 通过多次敲击和拍打使得物料包装过程更加紧凑, 便于后道各工序更好地完成相关作业, 此工序完成后, 安装在装袋机上的夹袋装置被打开, 装有成品物料的包装袋一路经过夹口整形装置、立袋输送装置, 按次序以及设定速率缓缓进入折边装置中。
当折边动作完成后, 装有物料的包装袋进行自动缝包装置中, 在自动缝包装置旁安装有相应的检测设施, 一旦检测装置检测到目标时, 自动缝纫装置开始进入缝制状态, 缝制结束后包装袋离开缝纫设备进入下一道工序:自动倒袋整形工序, 接着进入复秤装置中, 如果检测不合格, 此包物料将在最后码垛时由码垛机械手自动放置到剔除单元中完成剔除, 对于复秤合格的物料则顺利经过复秤装置继续向前输送, 再经喷墨打印设备进入自动码垛单元, 喷墨打印设备主要功能是按照各单位出厂要求及客户要求打印上相关的产品信息, 如:生产日期、批号以及国家标准等, 经复秤不合格的产品则省去此环节。
2.2 控制系统硬件设计
控制系统的硬件配置包含三种类型:国外进口设备以及国内制造设备、还有部分为非标设备为自行设计和委托加工, 国外进口设备主要包括上袋机、缝包机、喷码机以及机械手等, 在其中由于上袋机、机械手等设备动作较多, 相对而言较为复杂可以自成系统, 为保证匹配性特地选用进口方要求选用三菱公司FX2N系列PLC, 对于其他设备 (小袋输送、倒包机、校验秤、指示灯、码垛机等) 在控制设备的选型上则采用目前行业内比较认可的西门子S7系列PLC。
2.2.1 硬件架构及主控制器选型
本系统采用西门子S7-200 P LC, 包括CPU、存储器、电源以及模拟量和数字量输入输出模块, 整个硬件系统包括检测元件、控制单元、人机操作界面以及执行元件四大部分, 检测元件主要包含接近开关、光电开关以及真空开关等, 控制单元 (PLC系统) 主要采用数字量控制方式, 包括CPU、存储器、电源模块以及输入输出模块, 执行元件主要为电机及气缸等。
2.2.2 电气硬件接线及设计图
(图1, 图2)
2.3 控制程序设计
2.3.1系统程序主体设计架构 (图3)
2.3.2系统时序逻辑图 (图4)
3 应用及展望
自动定量包装生产线位于整个生产过程的尾端, 也是预烧料生产自动化程度最高的一部分, 本文通过预烧料生产工艺的分析, 阐述了自动定量包装控制技术和产品的国内外研究现状, 讨论了预烧料的物料特性、包装能力、精度及码垛设计要求, 对自动定量包装系统做了研究、设计及开发, 对系统在使用中暴露出来的问题通过理论分析结合实验研究方法进行了改进, 达到了预期的效果。
摘要：本论文简要介绍了预烧料自动定量包装系统的主要工艺流程、基本设计要求、软硬件设计思路, 在此设计基础上成功研究和开发了预烧料自动定量包装系统并应用于梅山预烧料包装系统中。
关键词：预烧料,定量,自动包装,PLC
参考文献
[1]陈建强.梅山氧化铁红生产线扩建工艺设计[J].梅山科技, 2004, 1.
[2]岳满林.全自动包装码垛生产线控制系统设计[J].石化技术, 2007 (2) :78-81.
液体注肥器定量控制系统的设计 篇9
液体注肥器可以用来向灌溉水溶液中定量注入液态化学肥料、防治土壤病害的化学农药、植物生长调节剂以及植物生长所需的多种微量元素[1]。固态肥的施用一般采取人工抛撒,很难控制施肥量;若采用专门的施肥机进行撒肥,由于固态肥性状的不确定性,只有肥料特别均匀才能控制施肥量,也很难做到定量精确控制。对施肥量的精确控制一般采取将固态肥料溶解到水中形成液态肥料的方法,通过控制液体的输出量间接控制施肥量。
国内液态施肥机大多采用电机驱动水泵运转,通过按键控制电机运转时间来控制施肥量,一般需要凭借人的经验,这种控制方法比较简单和粗犷。有一些控制系统采用单片机或计时器精确控制泵的运转时间,一定程度上可以获取相对精确的施肥量,但采用这种方式受到诸多因素影响。随着工作运行时间的增加,蓄电池的电压会降低,造成电机转速下降,从而使得相同时间内的注肥量减少。另外,液体的粘度、管道的特性和液面高度等均在不同程度上影响系统的施肥量。
通过控制时间来调节注肥量是一种开环控制方法,很难实现对施肥量的精确控制。为达到对施肥量的定量控制,需要在控制环节中引入反馈量,采用闭环控制,以保证一定的精度。
基于精准施肥的要求,本文设计了一种定量控制注肥器系统。该注肥系统采用单片机为控制核心,通过流量传感器感知施肥量,获取信息后驱动直流电机输送液态肥料;最后,通过插入地下的注肥枪将液态肥料注入植物的根部,实现对注肥量的精确定量控制。施肥机保留了传统的控制方式,可以方便操作。
1 系统构成及功能实现
1.1 系统构成
液体注肥器主要由直流电机、离心泵、便携式水箱、胶管、注肥枪、过滤器、吸液管、蓄电池和控制箱等组成。其中,控制系统主要由AT89S52单片机、外围电路、继电器、电位器、液晶显示器以及流量传感器等构成。注肥器的系统结构图如图1所示。
水箱采用便携式小体积水箱,操作人员可以背负作业。为避免水体中的杂质或未溶解的肥料堵塞管道,实际操作最好采用干净水。
管道中的压力阀的作用是保护系统。压力阀平时处于关闭状态,当管道发生堵塞或者注肥口堵死时,管道内的压力增大;当压力超过安全值时,压力阀门打开。
为避免不同因素对系统的干扰,系统在注肥口安装了流量传感器。通过流量传感器来计算出液量,将传感器的数据引入控制系统,控制系统再控制电机是否运转。通过引入这种闭环控制,可以实现对出液量的实时监控。单向阀在系统停止工作后可以有效地防止管道内的液体由于惯性继续流动,引起传感器继续输出脉冲,造成检测误差过大。
1.2 控制系统硬件构成
控制系统采用AT89S52单片机为控制核心,构建单片机最小系统电路。AT89S52是Atmel 公司一种采用CMOS 工艺设计的低功耗、高性能8位微控制器,内部拥有8k在系统可编程Flash 存储器。芯片与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容,片上Flash允许程序存储器在系统编程,也适用于一般的编程器。单片机主要用于采集注肥量设定值,处理流量传感器的脉冲信号,控制小液晶的显示以及驱动继电器。
流量传感器采用了美国Gems公司生产的叶轮式流量传感器FT-110。它是一种根据霍尔效应设计的透平流量传感器,测量不受液体压力影响,比较适合于小流量的液体监测。其精度可达3%,满足注肥系统对测量的要求。流量传感器属于NPN型常开型,需要接2k的上拉电阻。
流量传感器采用12V电源供电,输出的电平信号与单片机的TTL电平信号不兼容。本系统采用光耦TLP521,可将流量传感器的12V电平信号转化为单片机可以识别的5V电平信号。流量与传感器的接口电路如图2所示。
开启光耦所需的电流很微弱,所以在电路中串入电阻R2以限流。当流量传感器的涡轮运转时,每碰到一次磁性元件,霍尔元件就会发出脉冲信号,传感器的2脚就会拉到低电平,TLP521输入端同为低电位,输出端不导通。此时,引脚输出端输出+5V,形成一个脉冲沿,单片机就可以采集这一信号。
显示设备采用字符型小液晶TC1602。TC1602液晶模块内带标准字库,可以同时显示32个字符。内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了192个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符。另外,还有512字节的CGRAM,供用户自定义字符。
小液晶主要用于显示时间、传感器的脉冲数以及实际的设定值等。TC1602工作所需要的外围元件少,功耗低,在开背光灯的情况下电流约为50mA。TC1602与单片机的接口电路简单,既可以采用串口传输数据,也可以采用并口传输。串口传输占据IO资源少,但是速度相对较慢。在本系统中,由于单片机有足够的IO口,采用并口传输,电路图如图3所示。其中,电位器R用来调节液晶的对比度。
单片机驱动电流小,不能直接驱动继电器,需要加放大电路才能驱动继电器。本文通过NPN三极管设计放大电路驱动继电器,驱动电路图3所示。
SW-SPDT为模式切换按键,下拨时电源与手动按键接通,系统采用手动控制模式。按下点动开关SW-PB,驱动继电器qudong得电自锁,继电器的另一触点接通,电机得电运转。在自锁电路中,串入了中间继电器的常闭触点,其意义在于当系统处于定量控制模式时控制系统避免采用自锁电路,而是直接通过中间继电器的另一触点间接控制电机的运转,避免自锁后单片机无法断开继电器。
当按键向上拨动时,系统处于定量施肥模式单片机控制IO口输出高电平,Q1三极管导通,中间继电器得电吸合,电机运转开始注肥。
采用手动按键控制时,此时单片机不参与控制,只是通过液晶显示器1602显示所处的工作模式以及设定的相应的数值。
电位器用于连续输入实际需要的施肥设定值。当操作人员旋转电位器时,其输出端输出0～5V的电压信号,此信号经过A/D转换芯片MAX157转换成数字量;单片机通过芯片获取数字量后,根据计算就能获取设定值。AD芯片采用美信公司生产的MAX157,它是10位精度双通道高速转换器,具有低功耗和转换时间短等特点,采用串行接口与单片机通信,其接口电路图如图4所示。
电位器通过旋转输出连续的0～5V电压信号,对应转化为数字量0～1 024,通过数字量再转化成实际的设定值。
1.3 系统工作模式
系统设置了两种工作模式,分别为手动注肥模式和定量注肥模式,可以通过控制按钮任意切换。
当按下启动按钮时,控制器打开继电器,电机运转,系统开始注肥;当按下关闭按钮时,继电器失电切断负载电路,电机停止运转,不再往外注肥。
当模式切换按钮未按下时,系统认定为定量注肥模式。首先,系统采集注肥设定值;然后,通过中断服务程序采集流量传感器发出的脉冲,经过控制器计算后,在液晶上显示脉冲数以及对应的注肥量。脉冲显示的最大值为99 999,如果系统持续计数超过最大值,显示值复位为0,重新开始计数。
如果在变量注肥工作期间,通过旋转电位器改变注肥定量的设定值,液晶屏上会刷新显示最新设定的注肥量;但如果设定处在当前工作周期内,控制器不会根据新的设定而改变本次的实际注肥量,只有在系统在进入下一次工作流程时候,系统才会跟随设定值,使得注肥量发生改变。
注肥器控制系统运行时,打开电磁阀,水泵运转后抽取液体进入管道。为避免管道堵塞,在进水口加入过滤器。如果超过一定的压力,则液体通过另一路管道回到水箱中。
在电机开始运转时,管道内由于有空气,使液体流动产生的气流推动流量传感器的叶轮,从而引起传感器输出脉冲,造成误差。所以在工作之前,先使得管道充盈液体,排空气体,再采用传感器计数。如果在变量注肥工作期间,通过电位器旋钮改变注肥定量设定值,液晶屏上会刷新显示新设定的注肥量;但在当前工作周期内,控制器不会根据新设定而改变本次的实际注肥量,只有在系统进入下一次工作流程时候,系统才会跟随设定值,使得注肥量发生改变。
2 系统的软件设计
控制器软件主要完成采集流量传感器的数据,由LCD显示数据,接受电位器数据输入,通过控制继电器和电磁阀来控制系统的稳定运行,包括主程序、流量传感器数据采集子程序、定时器中断服务程序及液晶显示子程序等。主程序流程如图5所示。
控制器进入程序控制后,首先检测模式按键,确定系统处于何种工作模式之下。
如果采用手动注肥模式,控制器关闭外部计数中断,不理睬流量传感器的输出信号。这时,注肥器只受按键的控制。当按下启动按键时,继电器得电自锁,电机运转;当按下停止按键时,电机停止运转。
当检测为定量喷药模式时,系统首先通过AD采集施肥的设定值;然后,开启外部计数,打开继电器,电机运转,采集到传感器的脉冲数并在液晶上实时显示。当脉冲数所对应的注肥量达到设定值时,关闭继电器,切断电机驱动电路。在定量注肥控制中,电路中的触点开关保持常闭状态,流量传感器不起作用。
流量传感器输出的是脉冲信号,脉冲数量反映了注肥量的多少。采集子程序通过单片机的外部计数中断,累加外输入脉冲数量。当数量达到对应的施肥量时,控制继电器停止。
脉冲传感器输出的脉冲信号可以通过单片机的外部中断计数获得。信号捕获采用外部中断方式,边沿触发有效。每当传感器发出一个脉冲信号,单片机就进入中断服务程序;服务程序执行完后,退出中断。中断服务流程图如图6所示。
液晶子程序用于在液晶上显示当前系统所处的工作模式、传感器的脉冲数、运行已经输出的肥量以及实际设定值,以供操作人员直观显示。
单片机开中断后,外部每来1个脉冲记1次数,通过AD采集设定值,将设定值与计数值进行比较。当达到设定的数值时,将标志位置位1,主程序根据标志位判断是否通过继电器,开启电机的驱动电路。
3 注肥控制试验
由于流量传感器输出的是脉冲信号,累计的脉冲数不能直接反映实际的注肥量,为了获取注肥量与脉冲之间的对应关系,做了相应实验。实验采用脉冲计数器计算实际输出脉冲,选定好一组设定的脉冲数,计量设定脉冲下系统实际出肥量。计数器采用脉冲递减模式,当脉冲自设定数减为0时,自动切断电路。每次设定好脉冲后,开启系统做注肥试验,将注肥口喷出的液体注入量杯,再将液体倒入量筒测量体积。每一设定脉冲下,试验重复做10次,取平均值作为每次试验的实际注肥量。
通过不同的设定脉冲值n,测得喷药系统每次的流量L,结果如表1所示。
通过Matlab对结果进行曲线拟合,得到注肥量与脉冲数之间的函数关系为
L=0.148n+1.98 (1)
由此可见,系统的施肥量与脉冲之间具有良好的线性关系,一旦设定好脉冲数确定,其注入体积也就基本确定。
当脉冲设定值比较少时,由于系统存在惯性,而电机从启动到正常运行也需要时间,这时系统几乎喷不出任何液体,误差比较大;当脉冲数的设置大于50时,实际注肥量与理论值之间的误差比较小。
4 结语
在传统的以时间控制施肥量的系统中,其控制精度容易受到多种因素影响,如液体的粘度、管道的特性以及液面高度等。通过在管系中加入流量传感器,引入流量的反馈信号,可以实时获取已经排除的液体体积。
液体注肥器定量控制系统保证了施肥量与脉冲之间存在着良好的线性关系。通过多次试验和测量,就可以获取二者之间的线性曲线。通过控制器设定相应的脉冲数,就可以获得实际需要的注肥量大小,有效控制误差大。系统操作简单,在一定程度上确保了注肥的精确度,满足了定量注肥的要求。
参考文献
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定量设计 篇10
随着国家产业结构的调整和人们环保意识的提高,纸及纸制品的需求量逐年提高,废纸纸浆的用量也越来越大。废纸纸浆主要用于抄造板纸,而包装工业的发展使板纸的需求量急剧上升。因此,研究废纸制浆造纸对造纸工业意义重大。纸张定量水分检测控制是其中及其重要的一环。目前国内的水分定量控制系统普遍采用采用关键部件进口、控制系统等国产化的方式开发整套系统。同时,国产的采用部分部件进口的定量水分传感器的检测精度已越来越向国际水平靠近,已经有了相当的实用价值,因此,我们基于西门子S7-300PLC为控制核心,设计了主要用于板纸机的定量水分控制系统,以进口设备1/3的成本很好的解决了高定量纸机的水分定量检测及自动控制问题,目前此系统已在浙江富阳等地多家造纸厂有成功应用。
2 造纸生产QCS系统结构
在造纸行业中,QCS是对造纸过程的定量、水份、灰份、厚度、涂布量等进行检测和控制的专业控制系统。造纸QCS控制方式虽然属于流程控制技术领域,但是大量涉及各种复杂控制结构甚至先进控制算法,例如前馈控制、解藕控制,温度补偿、位置补偿等。造纸生产过程的QCS是提高产品质量、节约原材料、降低成本、提高自动化程度和企业经济效益的重要手段和措施。它由计算机控制工作站、智能扫描架、传感器、执行机构和控制算法软件等部分组成。
根据中小型纸机实际情况,以3400mm五叠网涂布白板纸机为例设计系统如图1所示:
成纸扫描架、原纸扫描架、操作站组成QCS子系统,进行成纸、原纸的定量水分的检测,并与湿部子系统及干部子系统进行通讯,以控制上浆流量和上浆浓度以及烘缸压力,以达到显示、控制纸张定量水分的目的。
2.1 系统网络结构
整个车间构成一个PROFIBUS-DP网络,这样,各个站点间可以很方便地相互访问,同时,最高达12Mbps的通讯速率以及站点间最远达1000M的通讯距离既保证了分布在车间各个位置的子系统连成一个网络,又保证了系统运行过程中扫描架与其他子系统大量数据的高速通讯。各子系统内部采用SIEMENS自有通讯协议MPI,以实现内部少量数据传输且使得内部通讯不干扰到整个车间的网络,保证整个车间通讯安全性。通过适当的CPU选型可在几乎不增加成本的情况下实现这种组网方式。同时,为了方便各个操作站之间的数据共享,利用操作站自带网卡可以不增加成本的情况下组成以太网,这样可以很方便地利用以太网简单、易用的共享功能实现各个操作站之间的高速互访,也可以方便地接入、拆除工程师站,使对各个操作站的调试、维护变得非常方便[1]。
2.2 系统硬件配置
扫描架硬件配置:
1)选用3400mm的O型扫描架。扫描架及其他机械部分采用关键部件进口、国内组装加工的扫描架,具有较高的精度及可靠性。
2)仪表部分配备定量探头和水分探头。同时预留接口以便以后扩充其他探头。
定量探头部分,采用Kr85为放射源,它具有0~2000g的定量测量范围以及长达11.6年半衰期,是目前国际上测量纸张定量用的最多的放射源。在定量探头方面,国内技术瓶颈在于放大器及电离室,所以采用美国进口的电离室及放大器,保证了测量的精度、稳定性以及放射源的安全性。
水分探头部分,因为白板纸纸浆原料主要为废纸,纸张内存在大量墨点,对红外线吸收严重,再加上红外测量还有些先天的其他缺陷,所以如果采用传统的红外探头,测量精度根本无法达到要求,因此必须采用微波水分探头,国产微波水分探头的实际测量精度和稳定性还无法达到进口产品的水平,一般选用瑞典的L&W公司的微波水分探头,测量精度和工作稳定性都比较理想。
3)控制站配置:西门子S7-300系列PLC作为现场控制站主控制器,原纸和成纸两个扫描架采用独立的控制系统设计,提高了整个系统的可靠性与灵活性,扫描架之间数据传输依靠PROFIBUS网络通讯,以西门子信号模块(如AI、AO、DI、DO模块)作为和现场设备的接口,每个扫描架配置如下:
·CPU采用带PROFIBUS-DP通讯接口和脉冲计数功能的314C-2DP,与编码器连接可方便地控制扫描架的运行,同时300系列P L C较高的处理速度和较大的内存资源才能满足这两个CPU分别处理大量数据和复杂算法的要求。
·数字量输入输出模块(DIO):选用SM323,1块(16点DI、16点DO/块)。可处理16点数字量输入信号和16点数字量输出信号。
·模拟量输入模块(AI):选用SM331,1块(8点/块)。处理8路模拟量输入信号。
·模拟量输出模块(AO):选用SM332,1块(4点/块)。处理4路模拟量输出信号。
此配置留有一定裕量,根据需要增加对纸张其它质量指标的检测和控制,比如厚度、灰分、白度、平滑度、涂布量、横向分布等。
湿部控制系统配置:
浓度计采用瑞典B T G公司的智能转动叶片浓度变送器MBT-2400,对制浆流速的敏感度较低,变送器输出值稳定;浓度调节阀采用配备进口执行器的四开关电动阀,动作时间为60S,在增加很少成本的条件下实现调节精度比普通30S的国产电动阀高一倍。此组合可以以较低成本实现满足精度要求的浓度测量、调节。
控制上浆流量是控制调节绝干浆量和纸张定量最关键也是最有效、反应最快的一环,因此流量控制回路及其重要。流量计采用横河的AXF系列电磁流量计,拥有高稳定性及极佳的性价比;调节器选用BTG的VBW1000定量阀,其内部为高精度步进电机驱动,可使调节分辨率达到1/7000,再加上其良好的线性,因此在进行精度控制时远优于普通国产的调节阀。
湿部控制站配置:采用西门子S7-300系列PLC。一般情况下湿部有些其他测控点也会加到此控制站因此CPU采用集成了PROFIBUS-DP通讯功能的300系列的中高端CPU-315-2DP,可满足数十个普通控制回路的运算需要,AI/AO模块则根据现场实际需求配置。
干部控制系统配置:
纸张干燥部是纸张消耗能源的最主要的部分,同时供汽系统设计的好坏也直接影响到纸张质量,本系统采用目前蒸汽冷凝水热力系统中采用的核心设备之一的蒸汽喷射式热泵,其特点是各段烘缸排出来的乏汽,经汽水分离器,将闪蒸出来的蒸汽通过热泵升压后又回到本工段使用,而烘缸中的冷凝水则送往下一段的汽水分离器,闪蒸后的蒸汽供下一工段使用。因此可以高效的利用回收热能,大大的减少了新鲜蒸汽消耗量,降低了成本。同时,各段烘缸进汽温度可独立调节,有利于建立合理的温升曲线,使干燥后纸张质量有了进一步改善。
干部控制站配置:同湿部控制站一样,采用西门子S7-300系列PLC,CPU采用315-2DP,AI/AO模块根据现场需求配置。
4)操作员站和工程师站:如图二中所示,共三个操作站、一个工程师站。操作员站具体配置为:Intel双核CPU/1G内存/160G硬盘/19’LCD/CP5611通讯卡/HP1020打印机/上海山特2000VA带稳压功能UPS;便携式工程师站为DELL商用笔记本电脑,平时可办公用,只有在系统维护时才接入现场的工业以太网。各个操作站、工程师站可通过以太网共享此打印机,方便地记录生产状况及系统运行情况。
3 定量水分的测量
要完成定量水分的控制,首要任务当然是进行定量和水分的准确测量。定量和水分探头本身输出的电信号(0~10V电压或4~20m A电流)不能直接线性地反映纸张定量水分,需要进行一系列复杂的变送和补偿运算,由扫描架内S7-300CPU完成。
3.1 定量测量及补偿措施[2]
当从放射源放出的β射线穿过纸张时,与纸张物质产生散射、吸收、激发等复杂的相互作用而衰减。衰减程度与纸张性质和定量等因素有关,而衰减曲线并非线性的,因此要对采集的定量原始信号进行补偿使其能反映纸张的真实定量。对定量测量主要采用如下补偿措施:灰尘补偿、温度补偿、Z轴距离补偿、动态补偿和KCM补偿。
(1)灰尘补偿:当放射源与电离室之间存在灰尘、纸毛,或其间空气密度发生变化,并且它们所导致的定量变化超过一定限度时,就需要进行灰尘补偿。
(2)温度补偿:放射源与电离室之间被划分为4个区域:上、下气柱和上、下气隙。这4个区域的温度变化会导致空气密度的改变,从而影响定量检测。这一影响通过温度补偿来解决。
(3)Z轴距离补偿:扫描架在运行过程中在垂直方向(即Z轴方向)会发生微小形变,导致上下气隙距离发生变化。当扫描头巡回扫描时,定量检测产生动态波动。这一定量波动可以通过Z轴距离来补偿。
(4)动态补偿:纸张静止不动时是相对松弛的,在动态测量时是张紧的、抖动的。同样的纸张,在静、动两种不同状态下,检测到的定量数值是不同的。这一差异可以通过动态补偿来解决。
(5)KCM补偿:当现场纸种和系统出厂前标定用纸种不同时,纸张对射线的吸收性质会有差异,从而导致测量不准确。这一误差可通过K C M补偿给予解决。
3.2 水分测量及补偿措施[2]
传统的红外线水分测量仪是根据水分子对红外线有选择性吸收的原理制成的,其受所测物体颜色、成分、反光度等影响很大,在文化纸等纸种上还可以有一定应用,在以废纸为主要纸浆原料的白板纸上则无法正常使用。
微波水分探头原理:水分子具有很强的极化特性和很大的介电常数,其介电常数值与电磁波频率的变化存在着规律性的关系,通过测量在一频率段内水的较高介电常数所引起的微波传播速度、波长等的变化参数,可间接但又准确地测出物质中水分的含量,不受其他物体影响,因此微波水分仪克服了红外探头的缺点,从根本上提高了测量的精度和稳定性,是纸张水分测量的发展方向。
由于测量曲线为非线性,再加上其他外界因素的影响,对水分测量结果仍然要进行以下几种补偿:
(1)Z轴修正:用于消除因上下扫描头之间的距离在扫描过程中变化而引起的测量误差,修正量大小与Z轴距离的变化成正比。
(2)灰尘修正:用于克服因传感器窗口灰尘积累而造成的测量误差。灰尘积累的定量计量方法是由出厂时Ref通道的净电压与现场标准化时Ref通道的净电压的比值得到的。
(3)曲线修正:曲线修正分为两段:高端曲线修正和低端曲线修正。前者用于高水分场合,后者用于低水分场合。
(4)定量修正:用于修正纸张定量变化对纸张水分测量所带来的影响。纸张定量变化对纸张水分测量绝对值的影响不大。同时将测得的水分质量与同时刻所测得纸张定量经单位变换、比例计算后,得到水分含量的百分比。
4 控制方案设计
普通长网纸机的控制难点具体表现在如下5个方面[3]:
(1)定量控制回路的大时滞特性;(2)水分回路的大惯性特点;(3)定量水分之间的强耦合;(4)抄纸过程自身的参数摄动、时变等非线性因素;(5)纸种自动切换的要求。对板纸机的控制除了具有以上难点之外,又出现了两个新的控制问题:
(1)定量控制问题:对于普通长网纸机,定量波动可以通过改变上网浆流量来调节,但对于板纸机来说单纯的运用这一方案便不再可行,需要同绝干量控制相结合才能发挥良好的控制效果。
(2)流量分配问题:对于普通长网纸机,纸种的快速切换一般通过改变流量设定值来实现,但对于板纸机,则需要增加新的分配机制,如比值联动调节措施等。
因此,在此次设计的控制系统中,大多数回路采用PID/PI控制,针对板纸机控制的难点,采用了一些高级过程控制算法,如自模糊PID/PI控制、比值控制和前馈解耦控制等。
4.1 浓度控制回路
纸张定量的控制效果对上网浆浓有很大的依赖关系,板纸机对上网浓度要求非常严格,其不但要参与定量控制,而且要参与绝干浆量调节。因此,浓度控制回路采用改进的模糊PI控制算法,目的是为了尽快反映浓度波动对定量的影响或保持浓度稳定。
4.2 流量控制回路
在控制算法上,为了更好地为调节纸张定量服务,采用流量比值联动调节:引入模糊判断,实现流量比值联动调节,从而实现绝干浆量控制以及改变定量控制内环的设定值,具体实现流程示意图见图3。
4.3 定量及水分的前馈解耦控制
根据上文所提到定量及水分的控制难点,提出图4所示定量及水分的复合控制方案。
主回路检测纸张定量和水分,经前馈解耦和控制运算后,对浆流量和烘缸蒸汽压力分别实行串级控制,流量内环和蒸汽内环都采用PID/PI控制。在外环的先进控制算法中,采用了同浓度控制类似的模糊PID/PI控制算法,以有效解决上文提到的定量水分控制中的诸多难点,尤其是不同纸种、不同车速下的定量控制大滞后、水分控制大惯性的问题[3,4]。
4.4 扫描架运行软件
扫描架是在运动过程中完成定量水分的检测的,因此需要对扫描架的运行过程进行控制,其中包括根正常运行时的扫描头的正转、回退、定点、断纸时的强制回库以及定量水分定时标准化。
鉴于扫描架运动的特性,其定量水分等信号的采集处理也和常规有所不同。扫描架是通过驱动电机的编码器值对扫描头进行运动控制,因此其信号采集方式也一般不采用常用的“定时采集”,而采用“定点采集”,即编码器到某个值之后即进行一次采集,且间隔尽量短。这样采集出的信号才可真实反映扫描架定量水分的横幅,便于现场人员监控设备运行情况、调整设备,如果在用在稀释水流浆箱,这点尤为重要,是定量水分横幅的自动控制的基本条件。
本控制系统软件分为上位机及下位机两部分。下位机采用SIEMENS Step7 V5.4软件平台进行软件编程;用于监控的上位机软件采用SIEMENS WINCC V6.0 SP3平台。
5 运行结果
本系统在线检测精度,定量可达0.5g/m2,水分可达0.2%,对于定量在250~400g/m2、水分在6.5%~7.5%之间的涂布白板纸机,控制精度可达到定量±3~±5g/m2,水分可达±0.4%。不仅使纸张质量明显提高、废品率明显降低,还可以使“定量偏下限、水分偏上限”运行,在保证质量的前提下提高了经济效益,也有效节约了资源。此系统目前已经在浙江富阳多家造纸厂的涂布白板纸机上运行成功,下图5给出了此系统在浙江富阳某3400mm/300m涂布白板纸机实际运行中纸张定量水分纵向控制效果画面。
6 结束语
随着目前国内造纸成套装备采用“关键部件进口、其他部分国产”的QCS系统的质量及稳定性的不断提高、控制方法的不断完善,达到上述控制效果的系统完全可以在中小型纸机上替代国外同类产品,并可以尝试面向大中型纸机推广。从笔者接触的几家国内主要的QCS生产厂家/公司的产品看,国产的QCS产品与国外同类产品在软件水平上已差距不大,其主要弱点还在于检测设备的精度及稳定性上,只有在产品的测量精度及硬件可靠性上多下工夫,国内QCS产品才能取得质的进步,最终在大、中、小型纸机上全部替代进口产品。
摘要：针对板纸机定量水分控制系统的难点,基于S7-300系列PLC为控制核心,设计了适用于板纸机的整套质量控制(QCS)系统。该系统由绝干浆量控制子系统、热泵供汽子系统、扫描架子系统三部分组成。采用多种算法对定量水分测量进行补偿;采用线性PID/PI、模糊控制、前馈解耦等多种高级过程控制算法,利用子系统间相互通讯,实现了定量水分大闭环控制。目前已在浙江等地多个厂家的板纸机上成功投用。
关键词：QCS,定量,水分,板纸,S7-300 PLC
参考文献
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[3]王孟效,孙瑜,汤伟,张根宝.制浆造纸过程测控系统及工程[M].北京:化学工业出版社,2003.
从定性到定量 篇11
【关键词】定性 定量 化学反应速率
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）35-0135-01
定性——用文字语言进行相关描述，定量——用数学语言进行描述，定性分析与定量分析应该是统一的，相互补充的;定性分析是定量分析的基本前提，定量分析使之定性更加科学、准确，它可以促使定性分析得出广泛而深入的结论。化学教学中的定性是指研究对象的性质，包括物理性质和化学性质，例如看到浓盐酸就要想到它有挥发性，看到硫酸铜溶液就要想到蓝色，等等;然后主要考虑化学性质，例如看到金属就应该想到其具有还原性，在反应中失去电子，看到非金属单质如Cl2、O2应该想到其具有氧化性，在反应中得到电子。 定量主要是针对定性中的化学性质而言的，主要是要考虑反应物的用量问题，反应物是恰好完全反应，还是某一种反应物有剩余，如“适量”表示恰好完全反应，“过量”表示该物质有剩余，等等。下面我结合化学反应速率的教学来谈谈化学教学中从定性到定量的变化。
化学反应速率在高一化学2中已经涉及，但仅限于让学生了解化学反应有快有慢，化学反应的快慢可以用化学反应速率来表示。高二选修《化学反应原理》专题2第一单元的教学中又重新出现了化学反应速率这个知识点，这两次出现在教学要求上有什么不同呢？认真对比教材的编写内容，你就会发现《化学反应原理》中关于化学反应速率的教学其教学目标是让学生定量地认识化学反应的快慢。也就是高一你要知道爆炸反应快，钢铁腐蚀反应慢，高二的教学要让学生了解爆炸反应比钢铁腐蚀快了多少？同一个化学反应在不同时间段内反应的速率是否相同呢？用什么方法测定一个化学反应的反应速率呢？我的教学设计如下：
通过图片对比天津爆炸案发生的极快，溶洞的形成极慢来说明化学反应有快慢之分，向学生提问，用哪个物理量来描述化学反应的快慢，引入化学反应速率的概念。
观察与思考：在室温下，有少量催化剂存在时，过氧化氢在水溶液中发生分解反应：2H2O2=O2↑+2H2O反应过程中过氧化氢的物质的量浓变化如下表所示。
学生完成作图：
让学生分析图像中，随着反应时间的变化，以H2O2的表示的化学反应速率变化趋势，及前20分钟与后20分钟所表示的速率是否相同。
通过这样的教学活动，使学生认识到，化学反应速率是平均速率，瞬时速率可以通过数学方法得到。在单一反应物中随着反应物浓度的降低，反应速率在下降，那么在多组分的反应混合物中用不用物质表示的速率会有什么变化呢？
投影：N2O5在四氯化碳溶液中发生反应的实验数据如下：
请同学们分析，同一时间段内，同一个化学反应用不同的物质表示其反应速率，数值是否相同，数值之间有什么联系？
学生之间进行分组交流与讨论：得出结论。
同一个化学反应用不同的物质表示其反应速率，数值不一定相同，但是数值之比等化学方程式的系数之比。教学纠正为化学计量数之比。
教师，以上的实验数据是怎样获得的呢，阅读教材P34页，了解化学反应速率的测定方法，然后进行活动探究：盐酸与大理石反应的化学反应速率测定，实验装置如下：
图2-3 大理石与盐酸反应的实验装置图
本实验中反应速率是mL·s-1说明我们表示化学反应速率时基单位是可以根据需要灵活选用的，让学生进行交流对比后可以发现不同组的数据差异很大，所以提出可以用更精确的实验方法来测定，向同学们展示DIS实驗设备，对上述实验用压强传感器进行测定反应过程中的压强变化，同时可以得到时间压强变化曲线，这个演示实验可以让学生感受到科技的力量。然后让学生阅读P35页，化学动力学的发展。了解技术进步对于研究化学反应速率的影响。
定量设计 篇12
目前,市场上销售的马铃薯收获机以小型机为主,能够实现将薯块挖掘出土的功能[1,2]。近几年,联合马铃薯收获机的研究取得了较大进展,但我国的地块相对较小,大型联合马铃薯收获机的普及尚需时日,小型马铃薯收获机将会在很长的时间里仍然作为主力机型[3]。马铃薯收获方式主要是依靠小型挖掘机进行挖掘,铺放在田间,再由人工进行拾捡装袋,效率比较低下[4]。
基于上述原因,在小型马铃薯收获机的基础上通过技术改进,加长输送部分,在马铃薯收获机的后方设计一个临时薯块收集器[5],实现了马铃薯的连续挖掘收获及收集薯块间隔定向定量堆放功能。该马铃薯收获机的设计在较大程度上降低了人工弯腰捡拾的劳动强度,提高了工作效率。
1 总体结构及工作原理
1. 1 总体结构
基于定向定量堆放的马铃薯收获机由挖掘装置、杆条式抖动输送装置、传动系统、定向定量堆放装置、悬挂架及机架等构成,如图1所示[6]。
1. 悬挂架 2. 动力系统 3. 定向定量堆放装置 4. 行走装置 5. 杆条式抖动输送装置 6. 挖掘装置
1. 2 工作原理
该机械针对单垄单行进行作业。作业时,切土防漏圆盘沿垄滚动,在压碎表层土块的同时进行导向;切土防漏圆盘在挖掘铲两侧以刃口纵向切开土壤,同时挡住可能侧漏的薯块; 挖掘铲沿垄将含薯土壤铲起,并沿铲面拾升、后移,期间部分碎土顺铲片间隙及延伸筛条杆间隙漏下; 含薯土壤越过挖掘铲及延伸栅条后落在输送链上,经抖动、输运,到达输送链末端时大部分土壤被抖落,薯土分离彻底; 最后进入定向定量堆放装置,实现马铃薯的定向定量堆放。
通过调整导向限深轮、挖掘铲角度调节机构及支撑行走轮等处各调节螺杆上的螺母,可改变并确定挖掘铲的铲面倾角、导向限深轮和支撑行走轮的高度。收获机和拖拉机通过前三点悬挂联接。
2 主要工作部件的设计
2. 1 挖掘装置
挖掘装置设计的基本原则是: 能有效降低牵引阻力,防止土壤壅堵,保证马铃薯挖净率,不伤、切薯块[7]。要满足这一原则,必须做到: 1铲面倾角可进行微调; 2挖掘深度稳定,进入机器的土壤量应尽可能少; 3在克服各种阻力时消耗能量最少,防止缠草等; 4挖掘深度稳定,进入机器的土壤量应尽可能少。挖掘装置的结构示意图如图2所示。
1. 切土圆盘 2. 切土圆盘调节机构 3. 机架 4. 挖掘铲角度调节装置 5. 挖掘铲及延伸栅条
2. 1. 1 装置结构
挖掘铲由3个三角形挖掘铲组合而成,铲片与铲片之间留有4cm间隙。三角形铲的结构简单、维修方便、成本低。延伸栅条末端延伸至升运链导向撑链轮的上方。通过切土圆盘调节,装置和挖掘铲角度调节,可以实现对切土圆盘高度和挖掘铲角度的调整,以适应不同工作环境的需要。
2. 1. 2 挖掘装置主要参数的确定
若杂草和根茎都能滑离铲刀,则必须满足
式中F1—作用于铲刃上的阻力( N) ;
μ1—茎秆对钢的摩擦因数,μ1≈0. 85 ~ 0. 9。
从图3中可得到下列不等式
铲面与地面的夹角越小,铲刃上的滑切速度越大,防挂草能力越好; 但铲尖的长度会随之增加,铲尖变得更尖,开出的沟槽不平整。一般土壤对铲刃的摩擦角φ= 26. 5° ~ 35°[8]。取φ = 30°,则根据以上公式可知θ≤120°。本设计中取θ = 100°,即挖掘铲刃切口夹角为100°,此时挖掘铲有较好的入土性能。
挖掘铲长度和铲面倾角α主要由提升掘起物所需的高度及土壤质地因素所确定[9],经受力分析可得
式中P—沿着挖掘铲移动掘起物所需的力( N) ;
F—土壤对铲的摩擦力( N) ;
N—铲对土壤的反作用力( N) ;
G—铲面上掘起物的重力( N) ;
μ—土壤对挖掘铲的摩擦因数。
由式( 3) 、式( 4) 、式( 5) 联立可求得
挖掘铲工作阻力是由铲起的土壤沿铲移动和切割土壤共同造成的。理想状态下不考虑垄台沿着挖掘铲移动速度变化,则挖掘铲所受总阻力可表示为
式中φ—土壤对钢的摩擦角;
A—挖掘垄沟的横截面积( m2) 。
查资料得知: K为挖掘垄沟的比阻系数,轻质土壤K = 16 000 ~ 20 000N / m2,中等轻质土壤K = 20 000 ~24 000N / m2,中等坚实土壤K = 24 000 ~ 3 000N /m2。
铲长可由挖掘深度h与倾角α关系计算得出,即
由马铃薯农艺要求可知,挖掘深度h在15 ~ 25cm时能将马铃薯完全挖出,且不损坏马铃薯。增大α角有利于破碎土垡,但导致铲的入土阻力增加和造成壅土。以中等轻质土壤为例,综合各个公式可得: 该机械选取的铲面倾角α = 25°, = 30°,铲的长度L =45cm。
2. 2 杆条式抖动输送装置
杆条式抖动升运装置由导向撑链轮、输送链、托链轮、偏心抖动轮及驱动轮等组成,如图4所示。输送链的倾角一般为20° ~ 30°,在设计中角度应越小越好,太大会有薯块滑落的现象[10]。结合本设计所需的升运高度,综合考虑取倾角为23°,输送链有效输运距离为1 750mm,相较其他的收获机加长了至少500mm,有利于增加薯土在链上的时间,宽度与挖掘铲总宽度相同。杆条链式抖动输送装置的作用是去除夹杂在马铃薯中的土壤,实现彻底的薯土分离,并将马铃薯运至收集箱。
1. 导向撑链轮 2. 偏心抖动轮 3. 驱动轮 4. 输送链 5. 托链轮 6. 橡胶挡片
在杆条上错位安装了橡胶挡片( 如图5所示) ,从而防止马铃薯在输送链上滚动,保证马铃薯的升运。片状挡片较针状挡片而言,降低了马铃薯的伤薯率,防滑效果更优越。
2. 3 定向定量堆放装置
2. 3. 1 工作原理
定向定量堆放装置采用重力开启方式,主要由收集箱、挡板、棘轮、配重块及挡块等组成[10],如图6所示。挡板将收集箱分成4个分区: 来自输送链末端的马铃薯从进薯口进入收集箱,其中一个临时集薯区便开始收集马铃薯; 当临时集薯区的薯块达到一定质量时,会使挡板往下沿逆顺时针转动,挡板及配重块绕固定轴旋转,使装置开启,马铃薯由临时集薯区经排薯区排出[11]; 同时由于挡块右端的压力消失,配重块绕逆时针旋转,挡块复位; 在后续收集的马铃薯重力的作用下,下一分区转到临时集薯区开始收集薯块,从而实现单靠薯块质量实现四分区的单向转动。四分区装置中心轴上安装有棘轮,能保证挡板的单向转动; 收集箱下面有导向板,可以实现薯块侧向或者中间堆放; 挡块上具有刻度,可以通过调节配重块位置实现定量收集。
1. 收集箱 2. 棘轮 3. 挡板 4. 配重块 5. 固定螺栓 6. 挡块
2. 3. 2 主要参数确定
收集箱的长度 为96cm,高度为80cm,宽度为10. 5cm,临时集薯区的有效体积为20 160cm3,马铃薯的密度为1. 0 ~ 1. 2g /cm3。所以,单个临时集薯区所能收集马铃薯的质量为20. 16 ~ 24. 19kg。堆放装置的开启利用杠杆原理,依靠收集薯块重量打破力矩平衡,马铃薯由临时集薯区进入排薯区。开启装置的受力分析如图7所示。
图7( a) 中,F1为挡块对挡板的支持力; G1为所收集的马铃薯的重力; FO1为挡板的转动轴对挡板的支持力。由受力关系得
由上式可知: 挡块对挡板的支持力F1随着收集的马铃薯的重力G1增大而逐渐增大。图7( b) 中,G2为配重块的重力; FO2为固定轴的支持力; F2为收集箱壁对挡块的支持力; F'1为挡板对挡块的压力。由平衡关系可得
当所收集马铃薯的重力G1达到一定数值时,使得F2= 0,为临界状态; 当G1再继续增大时,将会打破原有的平衡,触发定向定量堆放装置启动开关,挡板逆时针转动,收集箱中马铃薯迅速下落,从而实现了定向定量堆放。
3 结论
1) 基于定向定量堆放的马铃薯收获机的挖掘铲角度调节机构可通过对挖掘铲和升运链导向链轮的同步调节,实现挖掘铲铲面倾角较大范围的连续调整,为不同土壤条件下综合优化作业提供了条件。
2) 杆条式运输链的长度进行加长,使马铃薯和土壤的分离更加彻底。杆条上错位分布的橡胶挡片加强了输送的平稳性,降低了伤薯率。
3) 定向定量堆放装置在无额外动力情况下,有效的实现了马铃薯的定向定量堆放。
4) 定向定量堆放功能的实现大大降低了人工捡拾的劳动强度,提高了工作效率,降低了人工成本。
摘要：在研究小型马铃薯收获机的基础上,设计了一款能根据收集薯块质量往特定方向堆放的马铃薯收获机,主要由挖掘装置、输送装置及定向定量堆放装置等组成。在马铃薯收获机的后部设计一个四分区临时集薯器,能根据所收获马铃薯的质量来打开集薯器,将收集的马铃薯向中间或者一侧堆放,从而实现了马铃薯的连续挖掘及收集薯块的定向定量间隔堆放,可在较大程度上降低人工捡拾的工作量,同时避免拖拉机碾压伤薯。
关键词：马铃薯收获机,定向定量堆放,集薯器,重力开启方式
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