廖超1,2     蒋敦1,2     莫劲风1,2     齐华1   张叠1

　　(1. 中联重科股份有限公司 , 湖南 长沙 410205；2. 国家混凝土机械工程技术研究中心 , 湖南 长沙 410205)

　　摘　要 ：混凝土配制过程中砂石原料含水率的变化会影响混凝土实际的配比精度，通过安装水分传感器对传送皮带上的砂石含水率进行在线检测的方法，检测精度受砂石厚度变化影响较大。本文针对砂石含水率在线检测技术进行研究，以高度探头对砂石厚度的实时测量为依据对含水率测量值进行修正补偿，并在测试验证中取得了不错的检测效果。

　　关键词 ：工程机械 ;搅拌站 ;在线检测 ;含水率

　　中图分类号 ：TU641 文献标识码 ：B

　　0 引 言

　　混凝土是建筑工程中应用最广泛的材料之一，其经济、性能指标对于整个建筑工程的质量和成本有着举足轻重的关系。混凝土搅拌站是集中生产混凝土的联合机械装置，可以根据设定好的配方对混凝土各配料(水泥、砂石骨料、水、掺合料和外加剂)进行称量，并按规定的顺序送入搅拌机搅拌，搅拌一定时间后卸入混凝土输送车中，完成混凝土的搅拌生产。在混凝土的生产过程中，混凝土所用砂石中的水分变化会对混凝土配比的精确度造成影响，需要对砂石的含水率进行检测用以调整和补偿混凝土配方中的水量和砂量。传统混凝土搅拌站一般采用人工定期采样，在实验室烘干称量的方式测量含水率，该方式样本抽取量小、采样时间间隔长、检测结果受人为因素影响且有一定的滞后性。

　　1 水分在线检测技术

　　目前微波水分在线检测技术因其精度高、穿透性强、抗干扰能力强且不需要与被测物料直接接触等优点而在材料水分检测领域得到广泛的应用 [1]。微波水分检测是利用水分子对特定频谱微波能量的吸收与被测物料所含水分子量呈相关性的原理进行水分检测的 [2]。以此原理为基础设计的微波水分传感器可安装在传送皮带上对物料进行水分在线检测，如图 1 所示。

图1 微波水分在线检测

　　不同类别的物料其含水率与对微波的吸收率之间的相关性并不相同，因此采用微波水分检测技术对物料进行水分测量前需要对该被测物料对应的相关性进行标定和建模，标定建模的方法是：将不同含水率区间的被测物料以固定的厚度匀速通过微波水分传感器测量区域，传感器测量值与实际含水率之间的拟合线性关系即为用于该物料含水率的水分模型，如图 2 所示。

图2 水分模型的标定(横坐标为传感器检测到的反应 微波吸收率的原始值，无量纲)

　　2 基于高度测量的含水率检测

　　根据微波水分测量原理，被测物料以固定的厚度匀速通过微波水分传感器测量区域时才能获得较为理想的测量精度，对于煤炭、食品、烟草等行业，传送带上的物料是单一且连续的，因此被测物料厚度的稳定性可以得到保证。但是混凝土搅拌站的传送皮带上会有多种砂石物料需要投送，且每次投送的砂料量根据混凝土配方的不同也不尽相同，因此投送过程中砂料的厚度也是不稳定的，如图 3 所示，因此单纯在传送带上安装微波水分传感器的检测方式很难满足混凝土搅拌站对砂石含水率检测精度的需求。

图3 砂料在传送带上的厚度不均匀图

　　针对上述问题，本技术方案采用更优的控制解决方案，在基于称量斗卸料门开控制信号和骨料投送延时计算控制方式的基础上，结合对物料厚度(高度)辨识的结果对骨料含水率进行在线检测，其结果上传至生产控制系统以实现混凝土配比自适应调整和控制。

　　具体而言，即设计基于物料厚度测量的砂石含水率检测装置，其总体组成及安装位置如图 4 所示。非接触式水分传感器安装在传送带正上方，对通过传送带投送的各种类砂石物料进行含水率检测。水分传感器内置了混凝土搅拌站所需测量的各类砂石骨料所对应的水分模型，可根据上位控制设备的信号进行切换调用[3]。高度探头与水分传感器安装在靠近位置，通过超声波信号发射到接收的延时时长对当前水分传感器测量区域内的被测骨料厚度进行实时测算。上位控制设备通常为工控机，通过工业数据线缆与水分传感器和高度探头相连，用于控制水分传感器的模型切换并实时接收传感器测量数据用于计算和分析。

图4 基于高度测量的砂石含水率检测示意

　　上位控制设备是通过 PLC自动控制装置调整水分传感器输出通道的方式实现对水分模型的控制切换的，对所述水分传感器内置水分模型切换控制是根据骨料称量斗卸料门开控制信号和物料投送延时计算进行的。当某类砂石对应的称量斗启动/停止投料时，延时设定时长后启动/停止所述水分传感器的检测，同时控制水分传感器调用该骨料对应的水分模型。延时时长的设定是根据该类砂石对应的称量斗到水分传 感器的传送皮带长度和传送皮带的运行速度决定的，公式如下：

　　其中：L 为类砂石对应的称量斗到水分传感器的传送皮带长度，v 为传送皮带的运行速度。

图5 砂石含水率在线检测装置

　　目前该检测装置已在湖南长沙、湖南岳阳及安徽宣城等搅拌站生产现场进行搭载，如图 5 所示。

　　3 基于物料厚度的含水率补偿修正算法

　　由于投送过程中砂料的厚度是不断变化的，因此水分传感器的实时检测值并不能准确反映砂石含水率的变化，需要对检测值进行有效性的判定和修正补偿。具体算法公式如下：

　　其中：mδ 为修正后的含水率值，m 为水分传感器的实时检测值，σ 为含水率的修正补偿值，d 为高度探头测量的物料实时厚度，D 为物料厚度临界设定值。

　　当所测物料厚度d 小于所设定的物料厚度临界值 D 时，即认为此时物料厚度没有达到用于含水率检测最低厚度的要求，此时传送带上由于物料太少因此将当前时刻所检测到的含水率数据认为是无效数据。在实际生产应用中，水分传感器是在物料厚度达到所设临界值之时才启动检测的，如图 6 所示。

图6 物料厚度在达到临界后启动检测(D = 80mm)

　　由上图可知，当所测物料厚度 d 满足所设定的物料厚度临界值 D 时，所测含水率值仍然受物料厚度影响，具体表现在其随时间的变化起伏波动较大(图 5 所示最大幅动超过 2%)，这与混凝土砂石物料含水率变化的一般规律不符(同一盘次砂石物料各部分含水率基本一致，记为m)。因此需根据高度探头所测物料厚度变化对水分传感器的检测值进行实时修正补偿，修正补偿值 σ 的计算公式如下：

　　其中：dτ为标准厚度，即在标定水分模型时所用的物料厚度;f 为含水率为 m 的砂石其物料厚度与含水率检测值之间的对应关系。

图7 投送过程中含水率检测值与厚度检测值的变化

　　以某盘混凝土砂石物料投送过程中含水率检测值与厚度检测值的变化为例，如图 7 所示。由图可知含水率检测值与物料厚度近似呈线性正相关性。可通过最小二乘法计算 m 和 d 的拟合直线斜率得到f [4]，其公式为：

　　其中：N 为当前盘次砂石的检测数据长度，mi 和 di 分别为第 i 个含水率和厚度检测数据。统计每个检测时刻含水率检测值和厚度的对应关系，根据式(4)可计算出该盘次砂石含水率对应的拟合值 f，如图 8 所示拟合直线斜率即为含水率检测值随砂石厚度变化的偏移相关程度。

图8 砂石含水率检测值与厚度的相关性

图9 含水率检测值修正补偿前后对比

　　联立式(2)(3)可利用 f 计算出滤除砂石厚度影响后的含水率修正补偿值，如图 9 所示(标准厚度 dτ =110mm)。由图可知，基于厚度测量修正后的含水率数据波动明显降低，有效降低了砂石厚度变化对含水率检测准确性的影响。根据均值算法可计算出该盘次砂石的含水率(本例中为 7.17%)：

　　4 测试与应用

　　根据所述算法对搭载现场78组砂石样本进行含水率检测准确性的测试验证，将利用厚度检测修正补偿得到的含水率检测值与取样烘干的实验室测量结果进行对比验证，结果如图10所示。结果显示93.59%的样本检测值与实验值的误差在0.6%以内，满足混凝土搅拌站对砂石含水率检测精度的需求，证明采用基于厚度测量的含水率在线检测方法能够得到较理想的含水检测精度。

图10 砂石含水率检测值与实验值对比

　　5 总 结

　　本文针对混凝土搅拌站砂石含水率在线检测技术进行研究，采用非接触式微波水分传感器对搅拌站多种类砂石物料的含水率进行在线检测。同时安装高度探头实时采集水分传感器检测区域内砂石物料的厚度，根据厚度的变化对水分传感器的实时测量数据进行修正补偿以降低物料厚度变化对测量精度的影响。试验测试表明该技术方案能够得到较准确的含水率检测值，该检测结果可以实时上传至搅拌站生产控制系 统中作为配比自动调整与补偿的依据。

　　参考文献：

　　[1] 都广雄 . 水泥混凝土搅拌设备砂含水率在线检测技术研究 [D]. 长安大学，2015.

　　[2] 张心同 . 基于微波透射技术的含水率检测方法及装置的研究[D]. 吉林大学，2015.

　　[3] 廖超，莫劲风，齐华，张叠 . 混凝土搅拌站砂石含水率在线检测技术研究 [J]. 建设机械技术与管理 ,2020(2):105-107.

　　[4] 商继敏，王海燕，蒋逢春，等 . 最小二乘法对温度传感器测温数据线性拟合及其应用 [J]. 大学物理实验，2019，032(002):81-84.

　　基金项目：2018 年度湖南省科技重大专项，面向新型建筑施工的智能化绿色工程机械研制及应用示范，课题编号(2018GK1040)

（责任编辑：彭保胜）