磚坯水分快速測(cè)試儀工作原理與制作

磚坯水分快速測(cè)試儀工作原理與制作

　?? 本文在此介紹一種電路簡(jiǎn)單、裝調(diào)容易、使用方便、測(cè)試迅速及準(zhǔn)確度較高的磚坯含水量測(cè)量?jī)x，特別適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及抽樣檢測(cè)。
?? ? 在燒制磚瓦過(guò)程中，磚坯含水量是一個(gè)需嚴(yán)格控制的參量。按工藝要求，磚坯水分應(yīng)控制在14％到14.5％之間。目前通常按照烘干法檢測(cè)，即將現(xiàn)場(chǎng)磚坯取樣稱重，烘干后稱出樣品去除水分后的重量，經(jīng)計(jì)算得出泥磚的水分含量。這種檢測(cè)手段準(zhǔn)確度高，但周期太長(zhǎng)，一般均需幾小時(shí)才能得到測(cè)試結(jié)果。

　　一、工作原理
　　本測(cè)試儀是根據(jù)磚坯含水量變化時(shí)其電阻值也相對(duì)改變的原理進(jìn)行測(cè)量的。它可以分辨出0.1％的含水量變化。同時(shí)由于測(cè)量區(qū)段控制得較小，故其精度能達(dá)到較高程度。電原理如圖1所示。
　　含水量傳感信號(hào)由插入磚坯的檢測(cè)探頭獲得。含水量越大，探頭兩端電阻越??；含水量越小，探頭電阻越大，探頭阻值的變化對(duì)應(yīng)著磚坯含水量變化。圖1中核心元件采用能驅(qū)動(dòng)10位LED進(jìn)行線性模擬顯示的單片集成電路LM3914(國(guó)產(chǎn)型號(hào)為SF3914，上海無(wú)線電七廠產(chǎn)品)，LM3914具有LED顯示位數(shù)與其輸入電壓成良好線性關(guān)系的特性，其內(nèi)部電路如圖2所示。LM3914內(nèi)部有10個(gè)電壓比較器，與④、⑥腳間的浮接十級(jí)高精度分壓器相連，它還有一個(gè)浮接的直流電壓參考源、輸入緩沖器和顯示模式選擇放大器等電路?；鶞?zhǔn)電壓⑦、⑧腳間的電壓為1.25V，因此可分別在比較器同相端獲得125mV、250mV…1250mV的分壓?；鶞?zhǔn)電壓源最大可提供3～4mA的電流，并且每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流基本上是參考電壓源輸出電流的10倍，即圖1中每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流ILED＝10×1.25／R5(mA)。
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　　LM3914還具有點(diǎn)／線顯示選擇功能。當(dāng)其⑨腳與11腳相連時(shí)選擇點(diǎn)圖顯示，這時(shí)只有某位序號(hào)的LED顯示，其序號(hào)值對(duì)應(yīng)著輸入電壓的大小。當(dāng)LM3914的⑨腳與Vcc端相連時(shí)選擇線圖顯示功能，此時(shí)有若干位LED顯示，其LED顯示的數(shù)量與輸入電壓相對(duì)應(yīng)。
　　為了提高測(cè)量分辨率，圖1電路采用了分檔測(cè)試的方法。由于磚坯含水量與其電阻變化并不成嚴(yán)格的比例關(guān)系，而是具有較大的非線性，采用分檔測(cè)試則有利于改善線性，提高準(zhǔn)確度。圖中LM3914內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源UREF(1.25V)被R1-R4分壓后作為運(yùn)放A1的同相輸入，根據(jù)其分壓值大小，可確定其含水量測(cè)量區(qū)域，因此調(diào)K1可以選擇測(cè)量區(qū)域。例如當(dāng)開(kāi)關(guān)K1指向“14％”時(shí)，選定好含水量測(cè)量區(qū)域?yàn)?4％～15％。圖1電路根據(jù)制磚設(shè)備的實(shí)際需要，選定含水量總測(cè)量區(qū)域?yàn)?3％-16％。
　　測(cè)量過(guò)程可這樣分析：假設(shè)K1指向14％，這時(shí)電路中A1輸出電壓U01。，將在磚坯含水量為14％時(shí)等于零。當(dāng)磚坯含水量變化為14％＋0.1x％，A1、A2按比例轉(zhuǎn)換放大，使LM3914驅(qū)動(dòng)x個(gè)LED顯示(或第x位LED顯示)，故這時(shí)被測(cè)磚坯含水量值便等于LM3914驅(qū)動(dòng)的LED顯示值的千分?jǐn)?shù)加上14％，同樣可推出，K1指向其它檔時(shí)，被測(cè)值等于檔位指示數(shù)加上LED顯示值的千分?jǐn)?shù)。這樣，通過(guò)檔位轉(zhuǎn)換，使電路在含水量為
13％-16％測(cè)量范圍內(nèi)始終能分辨出0.1％的示值變化。圖1開(kāi)關(guān)K2為點(diǎn)／線轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可以根據(jù)需要，使LED實(shí)現(xiàn)點(diǎn)圖顯示或線圖顯示。
　　二、調(diào)試與制作
　　調(diào)試時(shí)可以烘干實(shí)驗(yàn)法測(cè)得的結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，調(diào)整各分壓電阻值(R1～R4)使電路測(cè)量準(zhǔn)確度滿足要求。這里以“13％”檔為例，調(diào)試步驟如下：首先置開(kāi)關(guān)K1刀位于"13％”檔處，將傳感探頭插入含水量準(zhǔn)確為13％的泥磚中，小范圍調(diào)整R1值，使A1輸出電壓為零，再將探頭插入含水量準(zhǔn)確為14％的泥磚中，調(diào)整R6或R7值，使LM3914的10位LED剛好都顯示為止，這時(shí)表示測(cè)量值為14％，R6或R7調(diào)好后，以后各檔調(diào)試可不用調(diào)整該值。
　　最后按以上步驟依次調(diào)校各檔，調(diào)整各分壓電阻值，使測(cè)量水份精度滿足要求。
　　為實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度測(cè)量，各電阻元件應(yīng)選用穩(wěn)定性良好的金屬膜電阻或線繞電阻。圖1中電路選用了精密運(yùn)放OP07，如果要求不很高，可選一片LM358雙運(yùn)放。

　　為使電路正常工作，應(yīng)采用±5V雙電源供電。LED顯示亮度由R5決定，一般選R5值為1～2.7kΩ。傳感器探頭用膠木和不銹鋼制作，外形尺寸如圖3所示。因傳感探頭的插入深度對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定影響(最大影響超過(guò)0.5％)，故每次測(cè)試過(guò)程探頭插入泥磚深度應(yīng)保證一致。
　　由于泥磚溫度、質(zhì)地及其雜質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響(如經(jīng)筆者測(cè)試，溫度每變化10℃，絕對(duì)示值誤差便增大0.15％左右)，故在實(shí)際使用本磚坯水份測(cè)試儀時(shí)還應(yīng)進(jìn)行小范圍示值修正。為剔除泥磚各部位成份差異對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，應(yīng)采用多次測(cè)量取其平均值的辦法。