廖超1,2     蔣敦1,2     莫勁風1,2     齊華1   張疊1

　　(1. 中聯重科股份有限公司 , 湖南 長沙 410205；2. 國家混凝土機械工程技術研究中心 , 湖南 長沙 410205)

　　摘　要 ：混凝土配制過程中砂石原料含水率的變化會影響混凝土實際的配比精度，通過安裝水分傳感器對傳送皮帶上的砂石含水率進行在線檢測的方法，檢測精度受砂石厚度變化影響較大。本文針對砂石含水率在線檢測技術進行研究，以高度探頭對砂石厚度的實時測量為依據對含水率測量值進行修正補償，并在測試驗證中取得了不錯的檢測效果。

　　關鍵詞 ：工程機械 ;攪拌站 ;在線檢測 ;含水率

　　中圖分類號 ：TU641 文獻標識碼 ：B

　　0 引 言

　　混凝土是建筑工程中應用最廣泛的材料之一，其經濟、性能指標對于整個建筑工程的質量和成本有著舉足輕重的關系。混凝土攪拌站是集中生產混凝土的聯合機械裝置，可以根據設定好的配方對混凝土各配料(水泥、砂石骨料、水、摻合料和外加劑)進行稱量，并按規定的順序送入攪拌機攪拌，攪拌一定時間后卸入混凝土輸送車中，完成混凝土的攪拌生產。在混凝土的生產過程中，混凝土所用砂石中的水分變化會對混凝土配比的精確度造成影響，需要對砂石的含水率進行檢測用以調整和補償混凝土配方中的水量和砂量。傳統混凝土攪拌站一般采用人工定期采樣，在實驗室烘干稱量的方式測量含水率，該方式樣本抽取量小、采樣時間間隔長、檢測結果受人為因素影響且有一定的滯后性。

　　1 水分在線檢測技術

　　目前微波水分在線檢測技術因其精度高、穿透性強、抗干擾能力強且不需要與被測物料直接接觸等優點而在材料水分檢測領域得到廣泛的應用 [1]。微波水分檢測是利用水分子對特定頻譜微波能量的吸收與被測物料所含水分子量呈相關性的原理進行水分檢測的 [2]。以此原理為基礎設計的微波水分傳感器可安裝在傳送皮帶上對物料進行水分在線檢測，如圖 1 所示。

圖1 微波水分在線檢測

　　不同類別的物料其含水率與對微波的吸收率之間的相關性并不相同，因此采用微波水分檢測技術對物料進行水分測量前需要對該被測物料對應的相關性進行標定和建模，標定建模的方法是：將不同含水率區間的被測物料以固定的厚度勻速通過微波水分傳感器測量區域，傳感器測量值與實際含水率之間的擬合線性關系即為用于該物料含水率的水分模型，如圖 2 所示。

圖2 水分模型的標定(橫坐標為傳感器檢測到的反應 微波吸收率的原始值，無量綱)

　　2 基于高度測量的含水率檢測

　　根據微波水分測量原理，被測物料以固定的厚度勻速通過微波水分傳感器測量區域時才能獲得較為理想的測量精度，對于煤炭、食品、煙草等行業，傳送帶上的物料是單一且連續的，因此被測物料厚度的穩定性可以得到保證。但是混凝土攪拌站的傳送皮帶上會有多種砂石物料需要投送，且每次投送的砂料量根據混凝土配方的不同也不盡相同，因此投送過程中砂料的厚度也是不穩定的，如圖 3 所示，因此單純在傳送帶上安裝微波水分傳感器的檢測方式很難滿足混凝土攪拌站對砂石含水率檢測精度的需求。

圖3 砂料在傳送帶上的厚度不均勻圖

　　針對上述問題，本技術方案采用更優的控制解決方案，在基于稱量斗卸料門開控制信號和骨料投送延時計算控制方式的基礎上，結合對物料厚度(高度)辨識的結果對骨料含水率進行在線檢測，其結果上傳至生產控制系統以實現混凝土配比自適應調整和控制。

　　具體而言，即設計基于物料厚度測量的砂石含水率檢測裝置，其總體組成及安裝位置如圖 4 所示。非接觸式水分傳感器安裝在傳送帶正上方，對通過傳送帶投送的各種類砂石物料進行含水率檢測。水分傳感器內置了混凝土攪拌站所需測量的各類砂石骨料所對應的水分模型，可根據上位控制設備的信號進行切換調用[3]。高度探頭與水分傳感器安裝在靠近位置，通過超聲波信號發射到接收的延時時長對當前水分傳感器測量區域內的被測骨料厚度進行實時測算。上位控制設備通常為工控機，通過工業數據線纜與水分傳感器和高度探頭相連，用于控制水分傳感器的模型切換并實時接收傳感器測量數據用于計算和分析。

圖4?基于高度測量的砂石含水率檢測示意

　　上位控制設備是通過 PLC自動控制裝置調整水分傳感器輸出通道的方式實現對水分模型的控制切換的，對所述水分傳感器內置水分模型切換控制是根據骨料稱量斗卸料門開控制信號和物料投送延時計算進行的。當某類砂石對應的稱量斗啟動/停止投料時，延時設定時長后啟動/停止所述水分傳感器的檢測，同時控制水分傳感器調用該骨料對應的水分模型。延時時長的設定是根據該類砂石對應的稱量斗到水分傳 感器的傳送皮帶長度和傳送皮帶的運行速度決定的，公式如下：

　　其中：L 為類砂石對應的稱量斗到水分傳感器的傳送皮帶長度，v 為傳送皮帶的運行速度。

圖5 砂石含水率在線檢測裝置

　　目前該檢測裝置已在湖南長沙、湖南岳陽及安徽宣城等攪拌站生產現場進行搭載，如圖 5 所示。

　　3 基于物料厚度的含水率補償修正算法

　　由于投送過程中砂料的厚度是不斷變化的，因此水分傳感器的實時檢測值并不能準確反映砂石含水率的變化，需要對檢測值進行有效性的判定和修正補償。具體算法公式如下：

　　其中：mδ 為修正后的含水率值，m 為水分傳感器的實時檢測值，σ 為含水率的修正補償值，d 為高度探頭測量的物料實時厚度，D 為物料厚度臨界設定值。

　　當所測物料厚度d 小于所設定的物料厚度臨界值 D 時，即認為此時物料厚度沒有達到用于含水率檢測最低厚度的要求，此時傳送帶上由于物料太少因此將當前時刻所檢測到的含水率數據認為是無效數據。在實際生產應用中，水分傳感器是在物料厚度達到所設臨界值之時才啟動檢測的，如圖 6 所示。

圖6 物料厚度在達到臨界后啟動檢測(D = 80mm)

　　由上圖可知，當所測物料厚度 d 滿足所設定的物料厚度臨界值 D 時，所測含水率值仍然受物料厚度影響，具體表現在其隨時間的變化起伏波動較大(圖 5 所示最大幅動超過 2%)，這與混凝土砂石物料含水率變化的一般規律不符(同一盤次砂石物料各部分含水率基本一致，記為m)。因此需根據高度探頭所測物料厚度變化對水分傳感器的檢測值進行實時修正補償，修正補償值 σ 的計算公式如下：

　　其中：dτ為標準厚度，即在標定水分模型時所用的物料厚度;f 為含水率為 m 的砂石其物料厚度與含水率檢測值之間的對應關系。

圖7 投送過程中含水率檢測值與厚度檢測值的變化

　　以某盤混凝土砂石物料投送過程中含水率檢測值與厚度檢測值的變化為例，如圖 7 所示。由圖可知含水率檢測值與物料厚度近似呈線性正相關性。可通過最小二乘法計算 m 和 d 的擬合直線斜率得到f [4]，其公式為：

　　其中：N 為當前盤次砂石的檢測數據長度，mi 和 di 分別為第 i 個含水率和厚度檢測數據。統計每個檢測時刻含水率檢測值和厚度的對應關系，根據式(4)可計算出該盤次砂石含水率對應的擬合值 f，如圖 8 所示擬合直線斜率即為含水率檢測值隨砂石厚度變化的偏移相關程度。

圖8 砂石含水率檢測值與厚度的相關性

圖9 含水率檢測值修正補償前后對比

　　聯立式(2)(3)可利用 f 計算出濾除砂石厚度影響后的含水率修正補償值，如圖 9 所示(標準厚度 dτ =110mm)。由圖可知，基于厚度測量修正后的含水率數據波動明顯降低，有效降低了砂石厚度變化對含水率檢測準確性的影響。根據均值算法可計算出該盤次砂石的含水率(本例中為 7.17%)：

　　4 測試與應用

　　根據所述算法對搭載現場78組砂石樣本進行含水率檢測準確性的測試驗證，將利用厚度檢測修正補償得到的含水率檢測值與取樣烘干的實驗室測量結果進行對比驗證，結果如圖10所示。結果顯示93.59%的樣本檢測值與實驗值的誤差在0.6%以內，滿足混凝土攪拌站對砂石含水率檢測精度的需求，證明采用基于厚度測量的含水率在線檢測方法能夠得到較理想的含水檢測精度。

圖10 砂石含水率檢測值與實驗值對比

　　5 總 結

　　本文針對混凝土攪拌站砂石含水率在線檢測技術進行研究，采用非接觸式微波水分傳感器對攪拌站多種類砂石物料的含水率進行在線檢測。同時安裝高度探頭實時采集水分傳感器檢測區域內砂石物料的厚度，根據厚度的變化對水分傳感器的實時測量數據進行修正補償以降低物料厚度變化對測量精度的影響。試驗測試表明該技術方案能夠得到較準確的含水率檢測值，該檢測結果可以實時上傳至攪拌站生產控制系 統中作為配比自動調整與補償的依據。

　　參考文獻：

　　[1] 都廣雄 . 水泥混凝土攪拌設備砂含水率在線檢測技術研究 [D]. 長安大學，2015.

　　[2] 張心同 . 基于微波透射技術的含水率檢測方法及裝置的研究[D]. 吉林大學，2015.

　　[3] 廖超，莫勁風，齊華，張疊 . 混凝土攪拌站砂石含水率在線檢測技術研究 [J]. 建設機械技術與管理 ,2020(2):105-107.

　　[4] 商繼敏，王海燕，蔣逢春，等 . 最小二乘法對溫度傳感器測溫數據線性擬合及其應用 [J]. 大學物理實驗，2019，032(002):81-84.

　　基金項目：2018 年度湖南省科技重大專項，面向新型建筑施工的智能化綠色工程機械研制及應用示范，課題編號(2018GK1040)

（責任編輯：彭保勝）