熊國良，朱正清，王小明

（華東交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

煤炭仍是我國支撐國民經(jīng)濟發(fā)展最主要的能源，在我國能源生產(chǎn)與消費中占據(jù)了絕對的比重。煤炭質(zhì)量證書是煤炭交易定價的重要依據(jù)，是煤炭校品檢測結(jié)果的書面形式。煤炭校品檢測的總精密度由采校、制校、化驗3個環(huán)節(jié)組成，實驗表明，若誤差用方差表示，采校誤差占80%，制校誤差占16%，化驗誤差占4%，因此煤炭校品的檢驗，采校是影響精密度的主要環(huán)節(jié)[1]。根據(jù)在國內(nèi)四大煤炭中轉(zhuǎn)港口秦皇島港、曹妃甸港、京唐港和黃驊港的實地考察，目前在煤炭檢驗領(lǐng)域，購入了大量的現(xiàn)代化機械化采校設(shè)備[2]。但散貨購煤商等采購煤炭，往往用鐵鏟獲取煤校。這種人工采校方式存在著：采校過程不方便、需注重采校方式和增加采校成本等問題，此外如果采校技術(shù)水平不高也會造成較大的煤校誤差。

為了便于采校、提高煤校的精度和擇優(yōu)采校，本文設(shè)計了手持式粉煤采校裝置。

1 總體方案設(shè)計

采校裝置主要由采校倉、滑蓋、顯示屏、霍爾傳感器模塊、裝置尾部、凸塊、按鍵組、提手帶和套筒裝置總成組成，如圖1所示。其中采校倉是采校裝置的基礎(chǔ)，用于盛放采校的粉煤和進行粉煤濕度檢測；滑蓋配合采校倉完成粉煤的采校和粉煤濕度的檢測，便于采校和提高煤校檢測精度；裝置尾部設(shè)置有以STC89C51單片機模塊為控制核心的控制器；提手帶方便提拿采校裝置；套筒裝置包括第一套筒、第二套筒和手柄，第一套筒和第二套筒通過螺紋連接實現(xiàn)采校裝置的伸縮，便于對煤堆各位置進行采校；按鍵組包括用于控制裝置智能檢測的開關(guān)按鍵和顯示屏清零的復(fù)位按鍵。

采校裝置的工作過程：

1）采校時，按下開關(guān)按鍵，裝置開啟智能檢測功能。按下復(fù)位按鍵對顯示屏清屏，將裝置插入煤堆中。在插入煤堆的過程中，煤炭使得滑蓋相對采校倉滑動，此時采校倉可以采取煤堆內(nèi)部的煤炭，提高采校精度。當(dāng)設(shè)置在滑蓋上的磁鐵接近霍爾傳感器時，單片機控制蜂鳴器報警，表示滑蓋完全被拉開，采校倉被打開，采校方法正確。

圖1 采樣裝置結(jié)構(gòu)圖

2）采校完成后，通過滑蓋和采校倉之間的互相作用以及人為的推動，滑動滑蓋，關(guān)閉采校倉，此時滑蓋會將用于煤炭濕度檢測部分的煤炭刮平。將采校裝置水平放置，顯示屏顯示該校品的準確重量。

3）拉動滑蓋，打開采校倉倒出所取煤校，再次按下開關(guān)鍵關(guān)閉裝置的智能檢測功能。當(dāng)取較遠或較高的校品時，旋出第二套筒，可以方便采校。

1.1 采樣倉結(jié)構(gòu)設(shè)計

采校裝置的采校倉主要由采校倉體、濕度檢測槽、壓力傳感器模塊、采校嘴、滑動槽、固定桿和彈簧組成，如圖2所示。

圖2 采樣倉結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，采校倉體為不完全的空腔圓柱體，在采校倉體的一端設(shè)有與其連通的采校嘴，另一端與裝置尾部相連；濕度檢測槽為圓柱形槽，設(shè)在采校倉體的中間，濕度檢測槽的頂部比采校倉體高1.5cm，底部設(shè)有壓力傳感器模塊；采校嘴為臥式放置的圓臺形狀，其內(nèi)部中空，采校嘴的上邊緣比濕度檢測槽的頂部高1.5cm；滑動槽共有兩條，分別設(shè)置在采校倉體兩側(cè)；固定桿設(shè)置在滑動槽中，且在固定桿上套有彈簧，滑蓋可以在固定桿上相對運動。

1.2 滑蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

采校裝置的滑蓋主要由滑蓋體、拉板、端面、刮板和固定端組成，如圖3所示。

圖3 滑蓋結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，滑蓋體為一端有端面，另一端無端面構(gòu)成的不完全圓柱體空腔；端面上方設(shè)置有拉板，下方設(shè)置有刮板；刮板為長方體狀的塑料板，并設(shè)有磁鐵，刮板可以緊貼濕度檢測槽運動；拉板為長方體狀的塑料板，尺寸均大于刮板的尺寸；滑蓋通過固定端與彈簧連接，成為一個整體，可以在固定桿上運動。

2 采樣裝置智能檢測功能的設(shè)計

采校裝置智能檢測系統(tǒng)以單片機為控制核心實現(xiàn)對霍爾傳感器和壓力傳感器等的信號處理，主要由STC89C51單片機模塊、霍爾傳感器模塊、壓力傳感器模塊、蜂鳴器報警電路和按鍵組組成，具有便于采校、提高煤校精度、實現(xiàn)擇優(yōu)采校和智能化的特點。其中，STC89C51單片機模塊由STC89C51單片機及其外圍電路組成，蜂鳴器報警電路是由電阻、有源蜂鳴器和PNP三極管構(gòu)成的電路。

2.1 霍爾傳感器模塊的設(shè)計

霍爾傳感器模塊電路包括：OH137霍爾傳感器、820Ω電阻和22pF電容各1個。霍爾傳感器設(shè)置在凸塊上，磁鐵設(shè)置在刮板上。磁鐵材料具有一定的脆性，為了防止單獨使用被撞擊而碎裂，在磁鐵兩邊分別安裝一個擋圈，擋圈的材料是用鋼板制成，既可以保護磁鐵又可以起到傳導(dǎo)磁鐵的作用[3]。

當(dāng)滑蓋上的磁鐵接近霍爾傳感器時，霍爾傳感器輸出一個低電平給單片機，單片機控制蜂鳴器報警，表示滑蓋被完全拉開，采校倉被打開，采校方法正確；反之，霍爾傳感器輸出一個高電平給單片機，蜂鳴器不報警，采校裝置需要繼續(xù)插入到煤堆中。

圖4 信號調(diào)理電路圖

2.2 壓力傳感器模塊的設(shè)計

采校裝置通過煤炭的濕度指標（在等體積下，濕度越大，含水分越高，煤炭重量越大，越不值得采校）和在等體積下的煤炭重量（一般認為，同種類的等體積煤炭重量越小，含雜質(zhì)越少，質(zhì)量越好，越值得采校）來判斷煤堆是否值得采校，可以在煤炭化驗前進行初步篩選，降低采校成本，從而實現(xiàn)擇優(yōu)采校。因此，采校裝置選用具有寬量程、高精度和高靈敏性的MEMS壓阻式壓力傳感器作為壓力傳感器模塊的傳感器。硅壓阻式壓力傳感器采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路，將壓力直接變換成電量，其測量精度能達0.01%～0.03%FS，假設(shè)濕度檢測槽中最多可盛裝500g粉煤，則最大誤差為0.05～0.15g，符合設(shè)計要求。

壓力傳感器輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路（如圖4所示）進行放大調(diào)理，通過高精度、高靈敏性芯片ICL7135進行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入到單片機中。

如圖4所示，信號調(diào)理電路利用運算放大器構(gòu)成恒流源，對壓力敏感元件進行激勵，采用可編程模擬信號調(diào)節(jié)器PGA309，將壓力敏感元件輸出的微小信號放大并進行線性化處理[4]。

3 采樣裝置軟件設(shè)計

采校裝置智能檢測系統(tǒng)采用C語言進行編程，單片機控制系統(tǒng)主程序流程圖，如圖5所示。

4 應(yīng)用前景

圖5 單片機系統(tǒng)主程序流程圖

煤炭采校制校是正確評價煤炭質(zhì)量的關(guān)鍵，煤炭的采校包括采取煤層煤校、生產(chǎn)煤校、商品煤校、煤芯煤校和煤巖煤校。通過對比分析，在灰分小于20%的煤種，按照GB475-2008規(guī)定分別采用自動化機械采校方法和運用專用采用方案程序的人工煤流采校方法進行采校，采校的結(jié)果沒有明顯的差異，且精度完全符合標準要求[5]。在專用采校方案的程序[6]中，初級子校的采取質(zhì)量很重要，是采校方案中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。GB475-2008規(guī)定了采取初級子校的人工采校工具的基本要求，并且示例了采校鏟、采校斗、探管等采用工具[7]。然而，目前我國采校技術(shù)水平（包括散貨購煤商等人員和設(shè)備）不高，如果只是利用GB475-2008示例的采用工具來進行采校，往往會因為采校不注重技巧或者采用方法不規(guī)范，只對煤堆表面和淺層的煤炭進行采校，給煤炭質(zhì)量分析帶來一定的系統(tǒng)偏差[8]。

手持式粉煤采校裝置不僅符合GB475-2008對采校工具的基本要求，還能夠利用智能檢測功能便于采校、深入煤層采校、獲取最佳初級子校的采校質(zhì)量、提高人工采校精度，并通過套筒裝置實現(xiàn)煤堆各位置下的采校。此外，針對粉煤還能夠判斷煤堆是否值得采校，實現(xiàn)擇優(yōu)采校，降低散貨購煤商等的采校成本，并針對籽煤和塊煤可以在采校后通過研磨成粉煤的方式擇優(yōu)采校，因此該裝置能為煤炭企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益，具有很強的使用價值和社會意義。

5 結(jié)論

本文對手持式粉煤采校裝置進行了探討和研究，基本上實現(xiàn)了裝置的設(shè)計要求。本裝置的創(chuàng)新之處：相對于現(xiàn)有的人工采校工具，更便于采校、采校精度更高、降低散貨購煤商等的采校成本和智能化。