噴嘴噴霧角度自動檢測裝置設計

陳 峰，李芳敏

(常州常發農業機械營銷有限公司，江蘇 常州 213176)

噴嘴是一種較精密的部件[1]，其廣泛用于冶金、鋼鐵、石油化工、制藥、環保等眾多領域，滿足一定的流量特性，霧化液滴應盡量細小[2]，噴嘴霧化角度決定了霧化品質，直接影響其使用效果及性能[3]。目前，對噴嘴噴射角的測量方法主要有3 種，即三角法、積水容器法及照相法，上述測試方法因為人為誤差或者判斷標準不固定，因而無法達到很高的精度和重復性[4]。本文采用三角法和積水容器法的綜合方法，設計了一種噴嘴噴霧角度自動檢測裝置，在龍門結構的試驗裝置上，利用步進電機帶動橫梁噴嘴機構上下和水平運動，當噴霧打擊到壓力傳感器時，就可以收集噴嘴噴霧的打擊力數據，利用流量分布數據可以可測出測量噴霧高度H 和有效噴霧距離L，精確地計算出噴嘴噴霧角度。

1 噴嘴噴霧角度自動檢測裝置檢測原理

噴嘴噴霧角度自動檢測裝置，如圖1 所示，其主要包括：噴霧高度H 檢測系統，有效噴霧距離L 檢測系統兩大系統。其中，噴霧高度H 檢測系統，包括依次相連的計算機（8）、PLC 單片機（6）、步進電機驅動器（2）、噴嘴（3）、位移傳感器（4）（型號為WT23TDZ-1 位移傳感器），其中步進電機（1）與步進電機驅動器（2）相連，LCD 顯示（5）與PLC 單片機（6）相連。

有效噴霧距離L 檢測系統，包括依次相連的壓力傳感器（7）（型號為SJR-SM11A 壓力傳感器）、信號處理（10）、放大器（11）、A/D 轉換器（12）、PLC 單片機（6），另LCD 顯示（5）與PLC 單片機（6）、位移傳感器（9）（型號為WT23TDZ-1 位移傳感器）及計算機依次相連。

其工作過程：計算機（8）、PLC 單片機（6）、步進電機驅動器（2）控制步進電機帶動傳動軸，使絲杠控制工作臺上噴嘴作上下運動，通過位移傳感器（9）、計算機（8）可以準確地控制噴霧高度H，保證噴嘴與壓力傳感器（7）之間距離為200±0.025 mm。壓力傳感器（9）同步測量并將測量的數據通過信號處理、放大器及A/D 轉換器傳輸給PLC 單片機，確定位移當工作臺靠近接近開關時，PLC 單片機（6）發出信號通過步進電機驅動器（2）控制步進電機停止轉動。同時，根據噴嘴流量分布，確定有效噴霧距離L，由位移傳感器（4）輸入到計算機。經過數據處理后，根據檢測裝置工作參數和幾何關系，可以得到噴嘴角度α≈2arctan L/H。當再次啟動時，步進電機反轉快速靠近另一側的接近開關，回到初始點。

圖1 基于PLC 的噴嘴噴霧角度自動檢測裝置

通過步進電機帶動噴嘴上下移動，其噴霧高度H 在測量之前就固定，置于噴嘴下方的壓力傳感器測量出噴霧場中各點流量分布，通過位移傳感器（9）（型號WT23TDZ-1）記錄下各點位置，測量數據中有一個最大值Max。壓力傳感器（7）（型號SJR-SM11A）通過信號處理（10）、放大器（11）、A/D 轉換器（12）與PLC 單片機（6）連接，其中壓力傳感器（7）將壓力信號轉變為電壓信號，用于確定噴霧的有效噴霧距離L。同時，位移傳感器（9）通過計算機（8）與PLC 單片機（6）連接，這樣構成壓力與位移的數據處理系統。當流量小于最大值的10%時，則可以將它視為無效部分。于是可以確定有效噴霧距離L，根據反三角函數知，α ≈2arctan L/H，從而確定噴嘴的有效噴霧角度。整套裝置每隔一段時間對壓力傳感器（9）數據進行采集、儲存，數據處理完畢后以表格和圖表形式來表征噴嘴噴霧角度及流量密度分布規律。

2 噴霧高度H 檢測

噴霧高度H 檢測系統如圖2 所示，其工作過程：計算機（8）、PLC 單片機（6）、步進電機驅動器（2）控制步進電機（1）帶動傳動軸，使絲杠控制工作臺上噴嘴（3）作上下運動，通過位移傳感器（4）、計算機（8）可以準確地控制噴霧高度H，保證噴嘴（3）與壓力傳感器7 之間距離為200±0.025 mm。壓力傳感器（7）同步測量并將測量的數據通過信號處理（10）、放大器（11）及A/D 轉換器（12）傳輸給PLC 單片機（6），確定位移當工作臺靠近接近開關時，PLC 單片機（6）發出信號通過步進電機驅動器（2）控制步進電機（1）停止轉動。同時根據噴嘴（3）流量分布，確定有效噴霧距離L，由位移傳感器（9）輸入到計算機（8），其中位移傳感器（9）的功用是將直線運動的機械位移值變換成與之對應的電量輸出，用于測量噴霧高度H。經過數據處理后，可以得到噴嘴角度α ≈2arctan L/H。當再次啟動時，步進電機反轉快速靠近另一側的接近開關，回到初始點。

圖2 噴霧高度H 檢測系統示意圖

3 有效噴霧距離L 檢測

有效噴霧距離L 檢測系統如圖3 所示，其工作過程：計算機（8）經PLC 單片機（6）、步進電機驅動器（2）控制步進電機（1）帶動傳動軸，使絲杠控制工作臺上噴嘴（3）作上下運動，通過位移傳感器（4）、計算機（8）控制噴霧高度H；壓力傳感器（7）同步測量并將測量的數據通過信號處理（10）、放大器（11）及A/D轉換器（12）傳輸給PLC 單片機（6），置于噴嘴打擊面下方的壓力傳感器（7）就可以測量出霧場中各段的流量，并記錄下各段的位置，測量數據中必有一個最大值Max，如圖1 所示。如果流量小于最大值的10%時，則數據視為無效部分，于是有效噴霧距離L 可以確定下來。當工作臺靠近接近開關時，PLC 單片機（6）發出信號通過步進電機驅動器（2）控制步進電機（1）停止轉動；同時根據噴嘴（3）流量分布，確定有效噴霧距離L，由位移傳感器（9）輸入到計算機（8），根據檢測裝置工作參數和幾何關系，得到噴嘴角度；再次啟動時，步進電機反轉快速靠近另一側的接近開關，回到初始點；通過步進電機帶動噴嘴上下移動，置于噴嘴下方的壓力傳感器測量出噴霧場中各點流量分布，通過傳感器記錄下各點位置，測量確定有效噴霧距離L，確定噴嘴的有效噴霧角度。

圖3 有效噴霧距離L 檢測系統示意圖

4 結束語

本文設計的噴嘴噴霧角度自動檢測裝置，適用于噴嘴霧化角、霧滴群尺寸分布、平均尺寸、流量等工作參數的自動檢測，在噴霧燃燒、噴霧冷卻、噴霧干燥、鋼坯除鱗、電廠除硫、紡織加濕、農藥等有廣泛的應用前景，對于上述行業改善噴嘴霧化特性，提高噴霧利用率，充分利用資源等有著十分積極的意義。

[1]宋會江.扇形噴嘴的霧化特性研究[J].連鑄，2011，(3):31-33.

[2]金仁喜，袁江濤，楊 立，等.壓力噴嘴常溫下霧化特性實驗研究[J].海軍工程大學學報,2012，24(3):52-56.

[3]孔德文. 噴嘴霧化性能檢測控制系統設計[J]. 裝備制造技術，2008，(5):70-71.

[4]徐 行，郭志輝，顧善建. 新型氣動霧化噴嘴噴霧特性的實驗研究[J].航空動力學報，1997，(7):234-295.