專利名稱：煤膠質(zhì)層全自動智能測量儀及測量方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及煤膠質(zhì)層全自動測量，更準確地說本發(fā)明涉及一種全自動智能實現(xiàn)煤膠質(zhì)層高精度測量的儀器及其測量方法。
背景技術(shù)：
膠質(zhì)層指數(shù)是煤質(zhì)的一個重要指標。它反映了煤在受熱過程中生成膠質(zhì)體的數(shù)量，近似地表征了工業(yè)煉焦的過程。膠質(zhì)層測定方法是模擬工業(yè)焦爐條件，在恒壓(上部加壓固定)下對煤樣進行單側(cè)加熱，使煤樣形成一系列自下而上遞減的等溫面，按半焦、膠質(zhì)體、煤樣依次分布。通過膠質(zhì)體的測定可以初步預測煤在焦爐中的結(jié)焦情況及生成焦炭的質(zhì)量狀況。
用膠質(zhì)層指數(shù)評價煤質(zhì)是前蘇聯(lián)的薩保什尼柯夫和瓦西列維奇于1932年提出的。通過在實驗室測定煤膠質(zhì)層最大厚度(Y值)、最終收縮度(X值)，分析測定過程中煙煤體積曲線形狀、焦塊特征和焦塊抗碎能力等指標來判斷煙煤的結(jié)焦性。在現(xiàn)行的GB5751-86《中國煤炭分類》中，膠質(zhì)層最大厚度(Y值)是作為評定煙煤結(jié)焦性的一項重要指標。
目前，膠質(zhì)層最大厚度(Y)值的測定主要靠人的經(jīng)驗(或感覺)判斷，具有主觀性。另外，已經(jīng)獲得國家實用新型專利煙煤膠質(zhì)層自動檢測裝置(92230782.2)的煙煤膠質(zhì)層自動檢測裝置并沒有實際應用，原因是該專利沒有完全按照國家標準GB479-87煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測定方法的要求進行自動測量，而且該實用新型專利的驅(qū)動電機為直流電機，該種電機還需要配上相應的位移測量傳感器，比如電位計等，位移測量精度遠低于步進電機的精度，還有壓力傳感器是安裝在與絲杠連接在一起的微型軸承的外圈上，這樣，絲杠轉(zhuǎn)動時，為了保證壓力傳感器不轉(zhuǎn)動，則壓力傳感器一定會受到扭矩作用，這樣會影響壓力測量精度，還有由于退出時探針沒有旋轉(zhuǎn)和震動，探針就會帶出膠質(zhì)體，這會嚴重影響一些膠質(zhì)體較粘煤樣的膠質(zhì)層厚度測量。還有，已經(jīng)公布的發(fā)明專利煙煤膠質(zhì)層自動測量裝置及其測量方法(200610038384.1)，由于需要把導管插入壓盤中和需要導管固定夾的安裝，這種操作很不方便，有的安裝操作需要近一個小時，這嚴重影響測量進度。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明的目的是按照國家標準GB479-87煤膠質(zhì)層指數(shù)測定方法，提供一種安裝和操作方便，能夠全自動智能實現(xiàn)煤膠質(zhì)層高精度測量的儀器及其測量方法。
為解決上述問題，本發(fā)明是采取以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的煤膠質(zhì)層全自動智能測量儀，包括加熱爐、壓桿、砝碼、煤樣杯、煤樣壓閥、探針、測量裝置底座、計算機、熱電偶、硅碳棒、雙向可控硅，其特征是計算機通過輸入輸出數(shù)據(jù)卡連接著測量體積的位移傳感器、測量壓力的稱重傳感器、限制和確定探針位置的限位開關、測量煤樣溫度的熱電偶、可控硅調(diào)壓模塊、使探針上下和產(chǎn)生震動的直線步進電機和使探針旋轉(zhuǎn)的電機，探針驅(qū)動機構(gòu)延伸板和探針驅(qū)動機構(gòu)安裝底座之間采用螺栓和有一定夾角的長方孔固定，探針驅(qū)動機構(gòu)底座通過一根較粗的固定立桿固定在測量儀底座上，探針驅(qū)動機構(gòu)底座可以在固定立桿上移動和旋轉(zhuǎn)，通過緊定螺釘可以使其固定不動，在探針驅(qū)動機構(gòu)中安裝了兩對限位開關，限制和確定探針位置，直線步進電機安裝在槽形驅(qū)動支架上，直線步進電機的推拉力通過絲杠和絲桿固定架傳遞給滾動導軌副的滑塊，探針通過壓力傳感器固定架上的稱重傳感器固定在滑塊上，探針與稱重傳感器之間是間隙配合，探針可以在稱重傳感器中旋轉(zhuǎn)，探針與傳感器之間還有一個彈簧，該彈簧在探針從煤樣中旋轉(zhuǎn)退出時起到柔性上拉的作用，而且步進電機還可以上下運動帶動探針震動，這可以減少探針帶出膠質(zhì)體的可能性，為了更好地避免探針退出時帶出較粘的膠質(zhì)體出來，本發(fā)明又增加了使探針旋轉(zhuǎn)的電機，并且把它也固定在滑塊上，與探針通過滑槽和探針固定帽聯(lián)接在一起，滑槽底部和電機軸頂部之間留有一定間隙，為稱重傳感器變形的留出了空間，探針通過安裝于導管固定夾上的導管準確插入煤樣中，導管起到加固探針和導向的作用，其中導管固定夾既可以安裝在滑塊上隨滑塊和探針一起上下運動，也可以把導管固定夾安裝在驅(qū)動機構(gòu)底部的外殼底板上，這樣可以保護探針不被操作人員不小心刮彎。
前述的煤膠質(zhì)層全自動智能測量儀，其特征在于上述的壓力傳感器采用0～3kg的懸臂梁式稱重傳感器。
利用前述的煤膠質(zhì)層全自動智能測量儀進行自動智能測量的方法，其特征是具有以下步驟(1)計算機通過熱電偶檢測出被加熱的煤樣溫度，再通過可控硅調(diào)壓模塊控制雙向可控硅的通斷來控制煤樣溫度，當溫度達到250度以后，利用安裝在壓桿上的位移傳感器測量出煤樣體積的變化；(2)利用差分算法判斷出煤樣體積變化，同時結(jié)合上次測量時間和煤樣現(xiàn)狀，開啟直線步進電機推拉滑塊，使其勻速(150～260mm/分鐘)直線運動，這樣探針就會插入和撥出煤樣，進行膠質(zhì)層的測量，另外也可以人工根據(jù)煤樣體積的變化情況來點擊計算機鼠標控制步進電機上下，進行煤樣膠質(zhì)測量；(3)在從煤樣中拔出探針前，通過測量探針旋轉(zhuǎn)電機功率(或者電流或者電壓)大小，得到探針受到的旋轉(zhuǎn)扭矩，這樣就可以得到煤樣膠質(zhì)粘力，當膠質(zhì)粘力大于一定閾值，計算機就指令旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動帶動探針在煤樣中旋轉(zhuǎn)，當檢測到的粘力小于閾值時，就可以停止旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動，拔出探針，或者通過步進電機上拉一下探針，檢測稱重傳感器受到拉力的大小，也就是檢測出煤膠質(zhì)體粘力的大小，當膠質(zhì)粘力大于一定閾值，指令使步進電機上下震動，當檢測到的粘力小于閾值時，就可以停止步進電機震動，拔出探針，或者兩種方法(探針旋轉(zhuǎn)和震動)組合起來，這樣可以大大降低了探針退出時帶出和破壞膠質(zhì)體的可能性。
(4)計算機通過輸入/輸出數(shù)據(jù)卡實時采集稱重傳感器的壓力，在探針向下測量時，根據(jù)壓力的變化確定出煤膠質(zhì)層的上下層位置對應的用于驅(qū)動直線步進電機的脈沖序號，通過計算確定出煤膠質(zhì)層的上下層位置；(5)再利用最小二乘法擬合出煤膠質(zhì)層上下表層的變化曲線，最后利用比較算法得出上下表層的最大距離，得到煤膠質(zhì)層的最大厚度值。
本發(fā)明的工作原理是把安裝有探針的稱重傳感器固定在高精度滾動導軌副的滑塊上，這樣，探針不受任何扭矩作用，提高了測量精度；另外，直線步進電機可以實現(xiàn)探針位置的高精度測量，測量精度達到0.0079mm；專利(92230782.2)是通過直流電機配有的位置測量電路測量探針位置，前者測量精度要遠遠高于后者。還有，探針驅(qū)動機構(gòu)延伸板和探針驅(qū)動機構(gòu)安裝底座之間采用螺栓和有一定夾角的長方孔固定，另外探針驅(qū)動機構(gòu)底座可以在固定立桿上移動和轉(zhuǎn)動，這些保證了靈活調(diào)整探針驅(qū)動機構(gòu)位置，也就是使探針導管對準煤樣測量孔，使探針沿著導管順利插入和撥出煤樣中，還有，探針驅(qū)動機構(gòu)中安裝了兩對限位開關既可以保護直線步進電機，也可以起到定位作用，還有，在從煤樣中拔出探針前，通過測量探針旋轉(zhuǎn)電機功率(或者電流或者電壓)大小，得到探針受到的旋轉(zhuǎn)扭矩，這樣就可以得到煤樣膠質(zhì)體粘力，當膠質(zhì)粘力大于一定閾值，計算機就指令旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動，帶動探針在煤樣中旋轉(zhuǎn)，或者通過步進電機上拉一下探針，檢測稱重傳感器受到拉力的大小，檢測出煤膠質(zhì)體粘力的大小，指令使步進電機上下震動，減小探針帶出膠質(zhì)體的可能性，當檢測到的粘力小于閾值時，就可以停止旋轉(zhuǎn)電機或者步進電機震動，拔出探針，或者把探針旋轉(zhuǎn)和震動組合起來，這樣就大大降低了探針退出時帶出膠質(zhì)體的可能性，還有，探針與傳感器之間還有一個彈簧，該彈簧在探針從煤樣中退出時起到柔性上拉的作用，有減小漏氣和帶出膠質(zhì)體作用，再有，通過熱電偶檢測出被加熱的煙煤溫度，當溫度達到250度以后，利用安裝在壓桿上的位移傳感器測量出煙煤體積的變化，然后利用曲線形狀判斷算法得出煤樣體積變化情況，同時結(jié)合上次測量時間和煤樣現(xiàn)狀，開啟安裝在槽形驅(qū)動支架上的直線步進電機，直線步進電機的推動力通過絲杠和絲桿固定架傳遞給滾動導軌副的滑塊，阻力小精度高的滾動導軌副滑塊向下勻速(150～260mm/分鐘)直線運動，通過稱重傳感器安裝在壓力傳感器固定架上的探針也隨同滑塊一起直線運動，探針就勻速沿著導管扎入煙煤中，同時計算機通過輸入/輸出數(shù)據(jù)卡實時采集稱重傳感器的壓力，由于不同煤樣、膠質(zhì)體和半膠體具有不同的表面性質(zhì)，則探針觸及各表面時所受壓力不同，這樣，根據(jù)壓力的變化確定出煙煤膠質(zhì)層的上下表層位置對應的用于驅(qū)動直線步進電機的脈沖序號，通過計算確定出煙煤膠質(zhì)層的上下表層位置，再利用最小二乘法擬合出上下表層位置的變化曲線，最后利用比較算法得出上下表層的最大距離，就可以得到煙煤膠質(zhì)層的最大厚度值。
本發(fā)明專利的有益效果是提高了測量位移精度，減少了壓力測量誤差，安裝靈活，操作方便，降低了探針退出時帶出和及破壞膠質(zhì)的可能性，同時嚴格按照國家標準GB479-87中煤膠質(zhì)層指數(shù)測定方法實現(xiàn)全自動測量，經(jīng)過近百種煤樣的測試，該自動測量儀適用于國家標準中的各種煙煤，測量誤差低于0.5mm，低于國家測量標準中允許的誤差。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明專利進一步說明圖1煤膠質(zhì)層全自動智能測量儀結(jié)構(gòu)圖的主視圖；圖2煤膠質(zhì)層全自動智能測量儀結(jié)構(gòu)圖的俯視圖；圖3探針驅(qū)動機構(gòu)圖；圖4探針驅(qū)動機構(gòu)延伸板；圖5探針驅(qū)動機構(gòu)安裝底座。
具體實施例方式
如圖1-5所示的本發(fā)明煤膠質(zhì)層全自動智能測量儀，其中1.測量儀底座，2.位移傳感器，3.壓桿，4.砝碼，5.探針驅(qū)動機構(gòu)，6.稱重傳感器，7.壓力盤撐桿，8.探針，9.探針驅(qū)動機構(gòu)的安裝底座，10.固定立桿，11.導管固定板，12導管，13.煤杯，14.加熱爐，15.煤樣壓力盤，16.壓桿立柱，17.煤樣，18.熱電偶，19.硅碳棒，20.絲杠，21.直線步進電機，22.限位開關，23.槽形驅(qū)動支架，24.滾動導軌，25.絲杠固定架，26.滑塊，27.壓力傳感器固定架，28.探針驅(qū)動機構(gòu)延伸板，29.探針固定帽，30.彈簧，31.滑槽，32.旋轉(zhuǎn)電機軸，33.旋轉(zhuǎn)電機，34.探針驅(qū)動機構(gòu)封裝殼。
通過熱電偶(18)檢測出被加熱的煤樣(17)溫度，計算機利用可控硅調(diào)壓模塊控制雙向可控硅的通斷實現(xiàn)溫度控制，當溫度達到250度以后，利用安裝在壓桿(3)上的位移傳感器(2)測量出煤樣體積的變化，然后利用曲線形狀判斷的差分算法得出煤樣體積變化情況，同時結(jié)合上次測量時間和煤樣現(xiàn)狀，開啟安裝在槽形驅(qū)動支架(23)上的直線步進電機(21)，直線步進電機(21)的推拉力通過絲杠(20)和絲桿固定架(25)傳遞給滾動導軌副的滑塊(26)，阻力小精度高的滾動導軌副滑塊(26)向下勻速(150～260mm/分鐘)直線運動，安裝在壓力傳感器固定架(27)上的稱重傳感器(6)的探針(8)也隨同滑塊(26)一起沿著滾動導軌(24)直線運動，探針(8)就勻速從安裝于導管固定板(11)上的導管(12)扎入煤樣(17)中，其中導管既可以固定在驅(qū)動機構(gòu)底部的外殼底板上，這樣可以保護探針不被操作人員不小心刮彎，也可以聯(lián)接在稱重傳感器固定板上，隨探針一起上下運動，當探針扎到煤樣底部準備退出時，檢測出的煤樣膠質(zhì)體粘力大于一定閾值時，計算機就會指令旋轉(zhuǎn)電機(33)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)電機(33)的扭力就可以通過電機軸(32)傳遞到滑槽(31)，滑槽(31)與探針(8)之間通過探針固定帽(29)連接在一體，這樣旋轉(zhuǎn)的扭力就使探針(8)旋轉(zhuǎn)起來，由于在探針(8)準備退出時，先提拉了一下，這樣彈簧(30)就被壓縮，使探針(8)具有邊旋轉(zhuǎn)邊柔性拔出的效果，這可以減小對膠質(zhì)的破壞和帶出，同時計算機通過輸入/輸出數(shù)據(jù)卡實時采集稱重傳感器(6)的壓力，由于煤樣、膠質(zhì)體和半膠體具有不同的表面性質(zhì)，則探針(8)觸及各表面時受壓力不同，這樣，根據(jù)壓力的變化確定出煤樣膠質(zhì)層上下表層位置對應的用于驅(qū)動直線步進電機(21)的脈沖序號，通過計算脈沖個數(shù)確定出煤樣膠質(zhì)層的上下表層位置，再利用最小二乘法擬合出上下表層位置的變化曲線，最后，利用比較算法得出上下表層的最大距離，就得到了煤樣膠質(zhì)層的最大厚度值。通過國家標準中的近百種煤檢驗實驗，該煤膠質(zhì)層全自動測量儀的測量誤差小于0.5mm，測量精度遠高于專利(92230782.2和200610038384.1)的測量精度，小于國家標準中允許的誤差(1～2mm)。
除上述實施例外，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.煤膠質(zhì)層全自動智能測量儀，包括加熱爐、壓桿、砝碼、煤樣杯、煤樣壓閥、探針、測量裝置底座、計算機、熱電偶、硅碳棒、雙向可控硅，其特征是所述計算機通過輸入/輸出數(shù)據(jù)卡連接著位移傳感器、稱重傳感器、限位開關、熱電偶、可控硅調(diào)壓模塊、直線步進電機和探針旋轉(zhuǎn)電機，探針驅(qū)動機構(gòu)延伸板和探針驅(qū)動機構(gòu)安裝底座之間采用螺栓和有一定夾角的長方孔固定，探針驅(qū)動機構(gòu)安裝底座通過一根較粗的固定立桿固定在測量儀底座上，探針驅(qū)動機構(gòu)安裝底座可以在固定立桿上移動和旋轉(zhuǎn)，通過緊定螺釘可以使其固定不動，探針驅(qū)動機構(gòu)中安裝了兩對限位開關，直線步進電機安裝在槽形驅(qū)動支架上，直線步進電機的推拉力通過絲杠和絲桿固定架傳遞給滾動導軌副的滑塊，探針通過壓力傳感器固定架上的稱重傳感器固定在滑塊上，探針與稱重傳感器之間是間隙配合，探針與傳感器之間還有一個彈簧，探針旋轉(zhuǎn)電機也固定在滑塊上，并且與探針通過滑槽和探針固定帽聯(lián)接在一起，滑槽底部和電機軸頂部之間留有一定間隙，探針通過安裝于導管固定夾上的導管插入煤樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤膠質(zhì)層自動測量儀，其特征在于上述壓力傳感器采用0-3kg的懸臂梁式稱重傳感器。
3.一種利用權(quán)利要求1所述的煤膠質(zhì)層自動測量儀進行自動測量的方法，其特征在于具有以下步驟(1)加熱步驟計算機通過熱電偶檢測出被加熱的煤樣溫度，再通過可控硅調(diào)壓模塊控制雙向可控硅的通斷來控制煤樣溫度，當溫度達到250度以后，利用安裝在壓桿上的位移傳感器測量出煤樣體積的變化；(2)比較步驟利用差分算法判斷出煤樣體積變化，同時結(jié)合上次測量時間和煤樣現(xiàn)狀，開啟直線步進電機推拉滑塊，使其勻速(150～260mm/分鐘)直線運動，這樣探針就會插入和撥出煤樣，進行膠質(zhì)層的測量，另外也可以人工根據(jù)煤樣體積的變化情況來點擊計算機鼠標控制步進電機上下，進行煤樣膠質(zhì)測量；(3)測量步驟在從煤樣中拔出探針前，通過測量探針旋轉(zhuǎn)電機功率(或者電流或者電壓)大小，得到探針受到的旋轉(zhuǎn)扭矩，這樣就可以得到煤樣膠質(zhì)粘力，當膠質(zhì)粘力大于一定閾值，計算機就指令旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動帶動探針在煤樣中旋轉(zhuǎn)，當檢測到的粘力小于閾值時，就可以停止旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動，拔出探針，或者通過步進電機上拉一下探針，檢測稱重傳感器受到拉力的大小，也就是檢測出煤膠質(zhì)體粘力的大小，當膠質(zhì)粘力大于一定閾值，指令使步進電機上下震動，當檢測到的粘力小于閾值時，就可以停止步進電機震動，拔出探針，或者旋轉(zhuǎn)和震動方法組合，使探針退出時盡量少帶出和破壞膠質(zhì)體；(4)確定步驟計算機通過輸入/輸出數(shù)據(jù)卡實時采集稱重傳感器的壓力，根據(jù)壓力的變化確定出煤膠質(zhì)層的上下層位置對應的用于驅(qū)動直線步進電機的脈沖序號，通過計算確定出煤膠質(zhì)層的上下層位置；(5)計算步驟再利用最小二乘法擬合出煤膠質(zhì)層上下表層的變化曲線，最后利用比較算法得出上下表層的最大距離，得到煤膠質(zhì)層的最大厚度值。
全文摘要
本發(fā)明涉及煤膠質(zhì)層全自動智能測量，本發(fā)明中的煤膠質(zhì)層全自動測量儀，包括計算機、輸入/輸出數(shù)據(jù)卡、自動加熱控溫部分、煙煤體積測量部分、探針上下驅(qū)動機構(gòu)、探針旋轉(zhuǎn)部分和壓力自動測量部分。利用煤膠質(zhì)層自動測量儀進行自動測量的方法，通過熱電偶檢測出煤樣溫度達到250度以后，利用體積測量部分判斷出煤樣體積處在波峰或者波谷時，開啟探針驅(qū)動機構(gòu)進行測量煤膠質(zhì)層，通過直線步進電機的脈沖序號計算從而確定出煙煤膠質(zhì)層的上下表層位置，再利用最小二乘法擬合出上下表層的變化曲線，就可以得到煤膠質(zhì)層的最大厚度值。本發(fā)明安裝方便、操作靈活，測量精度高，通過對近百種的煤樣驗證，該發(fā)明測量誤差低于0.5mm，完全滿足測量要求。
文檔編號G01N11/10GK1963387SQ20061009747
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者徐貴力, 嵇盛育, 王海濱, 許正永, 張賀 申請人:南京航空航天大學, 常州市華海智能設備開發(fā)有限公司