馬旭梁　劉澤宇　李大勇

摘 要：含泥量是原砂質(zhì)量的重要表征參數(shù)之一，含泥量通過(guò)影響以原砂為骨料的型砂的性能而影響鑄件質(zhì)量。目前原砂含泥量檢測(cè)以國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法為主，因其操作過(guò)程繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，不適合鑄造車(chē)間配砂現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。在遵循國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法基本原則的基礎(chǔ)上，采用濁度傳感器對(duì)渦洗之后的原砂進(jìn)行含泥量測(cè)定，開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量周期短、自動(dòng)化程度高的快速檢測(cè)方法及裝置。與國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法相比，測(cè)試時(shí)間減少90%，通過(guò)T檢驗(yàn)證明，與國(guó)標(biāo)檢測(cè)法測(cè)試結(jié)果接近程度為99%。

關(guān)鍵詞：原砂;含泥量;快速檢測(cè);濁度傳感器

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.018

中圖分類號(hào)： TG247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2020）06-0126-05

Turbidity Method for Detecting Mud Content in Base Sand

MA Xu-liang， LIU Ze-yu， LI Da-yong

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin，? 150040，China）

Abstract：The mud content is one of the important characterization parameters of the quality of the base sand. It affects the quality of castings by its effects on the mold sand， in which base sand is the aggregate. At present， the detection of mud content in base sand is mainly based on the national standard detection method， and the operation process is cumbersome and time-consuming， so it is not suitable for on-site inspection in sand mixing shop. Based on the basic principles of the national standard detection method， uses a turbidity sensor to measure the mud content of the base sand after vortex washing， and develops a rapid detection method and device with short measurement period and high degree of automation. Compared with the national standard detection method， the test time is reduced by 90%. Through T-test， it is proved that the test results are 99% close to those of the national standard.

Keywords：base sand; mud content; rapid detection; turbidity sensor

0 引 言

含泥量是原砂質(zhì)量的重要表征參數(shù)之一，對(duì)濕型黏土砂性能具有直接影響。含泥量增多致使型砂變脆，起模性變壞，同時(shí)也會(huì)使砂型的透氣性降低，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔、澆不足等缺陷。因此，為保證鑄件的質(zhì)量，需對(duì)原砂含泥量實(shí)施檢測(cè)和控制[1-10]。

目前，原砂含泥量檢測(cè)主要采用GB/T2684-2009規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，這也是目前最普遍的原砂含泥量測(cè)量方法[11]。該方法首先根據(jù)懸浮在水中的原砂和泥分的直徑不同，其下降速度也不同的原理使泥分與砂粒在水中形成分層，然后用虹吸管將洗砂杯上部分水和懸浮的泥分吸出。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)沉降和虹吸，直至將砂樣中的泥分洗凈為止。最后將剩余砂樣烘干、稱量并計(jì)算，獲得砂樣含泥量。

該方法主要靠人工操作完成，測(cè)量步驟繁雜、耗用時(shí)間長(zhǎng)，一般用于實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，不適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)檢測(cè)。為此，本文設(shè)計(jì)并試制了一種測(cè)試周期短、自動(dòng)化程度高的原砂含泥量測(cè)試裝置。

1 測(cè)試原理及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 原砂含泥量濁度法測(cè)試原理

渾濁度是水體物理性狀指標(biāo)之一。它是由水中存在顆粒物質(zhì)如黏土、污泥、膠體顆粒、浮游生物及其他微生物所致，用以表示水的清澈或渾濁程度。水中的不溶解物質(zhì)越多，渾濁度也越高。

國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法本質(zhì)上是通過(guò)渦洗+虹吸將原砂中的泥分排除出，然后測(cè)量被排除固體占總固體質(zhì)量的百分比，以此計(jì)算含泥量。洗砂過(guò)程中洗砂杯中混合液的渾濁度與混合液中含泥量存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可用洗砂杯內(nèi)混合液體的渾濁程度表征混合液中的含泥量，進(jìn)而用其表征被測(cè)原砂的含泥量，稱為濁度檢測(cè)法[12-13]。

1.2 原砂含泥量濁度法檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法

洗砂杯內(nèi)的混合液經(jīng)攪拌并靜置一段時(shí)間后，懸浮于水中的泥分使得混合液具有一定的渾濁度，渾濁程度可由濁度傳感器測(cè)得。濁度傳感器是一種光學(xué)傳感器，主要應(yīng)用于水質(zhì)檢測(cè)[14-18]，其內(nèi)部有IR958和PT958封裝的紅外對(duì)管，對(duì)管平行放置，紅外對(duì)管的發(fā)射端發(fā)出光線，光線的透過(guò)量取決于水中懸浮顆粒量，水質(zhì)渾濁度越高表明水中的懸浮顆粒越多，透過(guò)的光線也越少。紅外對(duì)管的接收端將透過(guò)的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓，水質(zhì)越清晰，電壓值越高，反之，水質(zhì)越污濁，則電壓值越低。因此，通過(guò)測(cè)量紅外對(duì)管的接收端電壓，即可計(jì)算出洗砂杯中液體的污濁程度，并間接測(cè)得被測(cè)原砂的含泥量。

圖1 為濁度傳感器檢測(cè)原理圖，當(dāng)濁度傳感器浸入液體后，由濁度傳感器左側(cè)發(fā)射檢測(cè)光，光在液體中發(fā)生散射，其光線散射量與液體中的懸浮粒子量或膠體量成正比，剩余光線穿越被測(cè)液體到達(dá)右側(cè)的光電接收端，接收到的光強(qiáng)度代表液體的渾濁度。被測(cè)液體完全透明時(shí)，濁度散射量為0%，濁度傳感器輸出電壓達(dá)到最大值;而在被測(cè)液體完全隔光時(shí)，濁度散射量為100%，濁度傳感器輸出電壓為最小值。圖2為實(shí)驗(yàn)中所用濁度傳感器實(shí)體圖，其工作電壓為 5V，最大工作電流30mA，響應(yīng)時(shí)間小于500ms，可在-30℃～80℃溫度范圍內(nèi)工作，適合渦洗后洗砂杯內(nèi)液體的濁度檢測(cè)[19-21]。

2 測(cè)試裝置構(gòu)成及標(biāo)定

2.1 測(cè)試裝置構(gòu)成

根據(jù)上述測(cè)試原理，搭建了基于濁度傳感器的原砂含泥量測(cè)試裝置，該裝置主要由洗砂杯、傳感器、操作面板和數(shù)據(jù)采集與處理單元組成，檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集與處理單元對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，結(jié)果顯示于操作面板的顯示屏上。

因洗砂杯中不同高度處混合液的渾濁度會(huì)有差異，為保證測(cè)試精度，必須保證每次測(cè)量時(shí)渾濁度傳感器處于同一位置，本測(cè)試裝置設(shè)計(jì)了傳感器固定桿用于限定傳感器位置。

根據(jù)濁度傳感器的工作原理，自然光的強(qiáng)弱及變化將影響傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確度。為消除自然光對(duì)濁度檢測(cè)的影響，檢測(cè)裝置中設(shè)計(jì)了避光罩。

此外，為了減少每次檢測(cè)時(shí)水本身濁度的影響，采取了兩方面的措施，一是采用蒸餾水，二是對(duì)水本身濁度進(jìn)行檢測(cè)，作為零點(diǎn)校核，在測(cè)試中增加零點(diǎn)校核步驟。

使用圖3所示檢測(cè)裝置測(cè)定原砂含泥量的操作程序如下，打開(kāi)檢測(cè)裝置開(kāi)關(guān)，使傳感器通電，在容量為600mL的專用標(biāo)準(zhǔn)洗砂杯中，加入400mL蒸餾水（約為刻度線高度的三分之二處），放入檢測(cè)裝置避光罩內(nèi);按下“零點(diǎn)”按鈕，數(shù)據(jù)采集與處理單元自動(dòng)記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)，并作為裝置標(biāo)定零點(diǎn)值供后續(xù)含泥量測(cè)試時(shí)使用;取出洗砂杯，將稱好的50g被測(cè)原砂放入洗砂杯中，并將其放置在洗砂機(jī)托盤(pán)上鎖緊，以轉(zhuǎn)速4000r/min渦洗15min;取下洗砂杯，向杯中加入蒸餾水至標(biāo)準(zhǔn)高度125mm刻度線處，并用玻璃棒攪拌約30s;將洗砂杯放回檢測(cè)裝置避光罩中，靜置10min后按下操作面板上的“測(cè)試”按鈕，顯示屏即顯示原砂含泥量檢測(cè)結(jié)果。

2.2 測(cè)試裝置的標(biāo)定

濁度傳感器法原砂含泥量檢測(cè)裝置標(biāo)定，即建立原砂含泥量與渦洗后洗砂杯內(nèi)混合液體渾濁度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可通過(guò)配制不同含泥量的試驗(yàn)用砂和檢測(cè)所對(duì)應(yīng)的渾濁度建立數(shù)學(xué)模型。

標(biāo)定用不同含泥量（0.1%～1.0%）的配制砂是通過(guò)含泥量為1.0%的原砂和洗凈砂配制而成的，其配比如表1所示。

為保證所配制原砂含泥量的準(zhǔn)確性，用國(guó)標(biāo)檢測(cè)法對(duì)所配制的含泥量為0.3%、0.6%、0.9%三個(gè)組別的實(shí)驗(yàn)用砂分別進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果得出的含泥量值與所配實(shí)驗(yàn)用砂的含泥量值一致。

然后對(duì)所配制好的不同含泥量的實(shí)驗(yàn)用砂分別進(jìn)行渾濁度的測(cè)定，其結(jié)果如表2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 原砂含泥量-渾濁度關(guān)系數(shù)學(xué)模型

利用matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖4所示。

擬合結(jié)果經(jīng)過(guò)零點(diǎn)校核變形得到：

y=-0.9784x+k（1）

式中：x為含泥量，y為濁度測(cè)量值，k為清水的濁度測(cè)量值。

將擬合的曲線作為含泥量與渾濁度測(cè)量值之間的數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而導(dǎo)出本方法測(cè)量含泥量為

x=-1.022y+1.022k（2）

3.2 原砂含泥量的對(duì)比測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證基于濁度傳感器的原砂含泥量測(cè)試方法的準(zhǔn)確性，分別利用該方法和國(guó)標(biāo)檢測(cè)法對(duì)未知含泥量的原砂進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)法與快速檢測(cè)法所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別服從正態(tài)分布N（μ1，σ21）和N（μ2，σ22）。其中：μ1、μ2為總體均值，σ21、σ22為總體方差。

在顯著性水平α=0.01下，進(jìn)行原假設(shè)為μ1=μ2的假設(shè)檢驗(yàn)，由表3可知：

標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)法：

n1=6，X-=0.847，S21=0.00427（3）

快速檢測(cè)法：

n2=6，Y-=0.852，S22=0.0005（4）

其中：n1、n2為樣本容量，X-、Y-為樣本均值，S21、 S22為樣本方差。

對(duì)其進(jìn)行T分布假設(shè)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

T=X--Y-SW1n1+1n2～t（n1+n2-2）（5）

其中：

SW=（n1-1）S21+（n2-1）S22（n1+n2-2）（6）

將式（3）和式（4）代入式（6），計(jì)算結(jié)果代入式（5）得：

|t|=|X--Y-|SW1n1+1n2 =0.177（7）

經(jīng)查表可知：

|t|=0.177< t0.005（10）= 3.1693（8）

故兩種測(cè)試方法在顯著性水平α=0.01下無(wú)顯著差異。這說(shuō)明在T檢驗(yàn)條件下，兩種檢測(cè)法檢測(cè)所得的原砂含泥量結(jié)果一致性好，相似程度為99%，說(shuō)明本方法測(cè)試精度較高。

此外，標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)定原砂含泥量的主要過(guò)程為預(yù)熱、稱量、洗砂、虹吸、過(guò)濾、烘干、稱量、計(jì)算，整個(gè)過(guò)程大約需要5 h。而基于濁度傳感器的原砂含泥量檢測(cè)方法主要過(guò)程為稱量、洗砂、測(cè)試，省去了繁瑣的反復(fù)虹吸渦洗過(guò)程，省時(shí)省力，且不需使用電烘箱，減少了能源損耗。在測(cè)量時(shí)只需要進(jìn)行一次渾濁度的測(cè)定即可直接測(cè)出原砂含泥量，整個(gè)過(guò)程只需0.5 h。比標(biāo)準(zhǔn)法減少時(shí)間90%。

4 結(jié) 論

1）在遵循原砂含泥量國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法原則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于濁度傳感器的原砂含泥量快速檢測(cè)新方法，可實(shí)現(xiàn)原砂含泥量生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。

2）設(shè)計(jì)和試制了一種基于濁度傳感器的原砂含泥量測(cè)試裝置，試驗(yàn)確定了原砂含泥量與渾濁度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法相比，采用新裝置測(cè)定原砂含泥量速度提高90%。

3）分別利用標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法和基于濁度傳感器的檢測(cè)方法對(duì)原砂含泥量進(jìn)行了測(cè)試，經(jīng)T檢驗(yàn)表明，兩種檢測(cè)方法所得的檢測(cè)結(jié)果相似度為99%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏華勝. 鑄造工程基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：1.

[2] 蒙睿，郭永斌，張敏. 型砂各參數(shù)對(duì)其透氣性的影響[J].化工管理，2015（20）：158.

MENG Rui， GUO Yongbin， ZHANG Min. Influence of Molding Sand Parameters on Its Permeability [J]. Chemical Management， 2015 （20）： 158.

[3] 陳時(shí)云. 探索砂的含泥量檢測(cè)[J].城市建筑，2014（4）：331.

CHEN Shiyun. Exploration on the Detection of Sand Mud Content [J]. Urban Architecture， 2014 （4）： 331.

[4] 黃春雨. 鑄造用原砂含泥量檢測(cè)中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].鑄造技術(shù)，2014，35（1）：201.

HUANG Chunyu. Some Problems of Detecting Clay Content in Casting Raw Sand [J]. Foundry Technology， 2014，35 （1）： 201.

[5] 肖寧寧，孫志揚(yáng)，宋述同，等. 濕型砂性能檢測(cè)及成分控制[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2014（5）：46.

XIAO Ningning， SUN Zhiyang， SONG Shutong， et al. Performance Test and Composition Control of Green Sand [J]. Standardization and Quality of Machinery Industry， 2014 （5）： 46.

[6] KHATIB J M，ELLIS D J.Mechanical Properties of Concretecontaining? Foundry Sand[C]// Fifth CANMET ACI International Conferenceon Recent Advances in Concrete Technology. 2001.

[7] 石德全，高桂麗，李大勇，等.濕型砂組分和性能參數(shù)檢測(cè)技術(shù)評(píng)述[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16（6）：77.

SHI Dequan， GAO Guili， LI Dayong， et al. Review of Green Sand Composition and Performance Parameters Detection Technology [J]. Journal of Harbin University of Technology， 2011，16 （6）： 77.

[8] 霍卯田，武炳煥，劉永安. 自動(dòng)控制系統(tǒng)中含泥量對(duì)型砂性能和鑄件質(zhì)量的影響[J].鑄造工程：造型材料，2003，27（3）：1.

HUO Maotian， WU binghuan， LIU yongan . Influence of Mud Content in Automatic Control System on Sand Properties and Casting Quality [J]. Foundry Engineering： Molding Materials， 2003，27 （3）： 1.

[9] 沈東明，張亞挺. 探討一種定量檢測(cè)人工砂含泥量的方法[J].水力發(fā)電， 2016，42（2）：120.

SHEN Dongming， ZHANG Yating. Discussion on a Quantitative Detection Method of Clay Content in Artificial Sand [J]. Hydropower， 2016，42 （2）： 120.

[10]李遠(yuǎn)才. 鑄型材料基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：13.

[11]GB-T2684-2009.5.2 含泥量的測(cè)定. [S].

[12]楊耀天. 細(xì)顆粒泥沙靜水沉降實(shí)驗(yàn)研究[D].咸陽(yáng)：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.

[13]李大鳴，呂小海，焦?jié)櫦t. 泥沙靜水沉降阻力系數(shù)[J].水利學(xué)報(bào)，2004，35（1）：1.

LI Daming， LV Xiaohai， JIAO Runhong. Resistance Coefficient of Sediment Deposition in Still Water [J]. Journal of Water Resources， 2004，35 （1）： 1.

[14]王志丹. 光學(xué)濁度傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2016.

[15]劉建華，李平，張成成，李旭. 濁度計(jì)法測(cè)定工業(yè)廢水中的懸浮物[J].綠色科技，2015（11）：181.

LIU Jianhua， LI Ping， ZHANG Chengcheng， et al. Determination of Suspended Solids in Industrial Wastewater by Turbidimeter[J]. Green Technology， 2015 （11）： 181.

[16]姜德志，姬光榮，陳艷麗. TS濁度傳感器在洗衣機(jī)中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2007（8）：68.

JIANG Dezhi， JI Guangrong， CHEN Yanli. Application of TS Turbidity Sensor in Washing Machine [J]. Foreign Electronic Components， 2007 （8）： 68.

[17]諶丹，陳健. 散射式紅外濁度傳感器的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（19）：97.

CHEN Dan， CHEN Jian. Design of Scattering IR Turbidity Sensor [J]. Microcomputer Information， 2009，25 （19）： 97.

[18]左輝. 濁度的檢測(cè)原理及方法[J].中國(guó)計(jì)量，2012（4）：86.

ZUO Hui. Detection Principle and Method of Turbidity [J]. China Metrology， 2012 （4）： 86.

[19]丁小田. 基于MSP430的地下水檢測(cè)儀的研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2016.

[20]李紹鵬，汪亮，程曦. 混凝土用砂含泥量檢測(cè)方法改進(jìn)與裝置設(shè)計(jì)[J].混凝土與水泥制品，2018（6）：78.

LI Shaopeng， WANG Liang， CHENG Xi. Improvement of Detection Method for Mud Content of Sand for Concrete and its Device Design [J]. Concrete and Cement Products， 2018 （6）： 78.

[21]翟直上. 自動(dòng)渦洗式洗砂機(jī)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2019-03-10

基金項(xiàng)目： 黑龍江省自然科學(xué)基金（E2018045）.

作者簡(jiǎn)介：

馬旭梁（1973—），男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師;

劉澤宇（1995—），男，碩士研究生.

通信作者：

李大勇（1958—），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail： dyli@hrbust.edu.cn.