濁度法檢測原砂含泥量

馬旭梁　劉澤宇　李大勇

摘 要：含泥量是原砂質量的重要表征參數之一，含泥量通過影響以原砂為骨料的型砂的性能而影響鑄件質量。目前原砂含泥量檢測以國標檢測方法為主，因其操作過程繁瑣，耗時較長，不適合鑄造車間配砂現場檢測。在遵循國標檢測方法基本原則的基礎上，采用濁度傳感器對渦洗之后的原砂進行含泥量測定，開發了一種測量周期短、自動化程度高的快速檢測方法及裝置。與國標檢測方法相比，測試時間減少90%，通過T檢驗證明，與國標檢測法測試結果接近程度為99%。

關鍵詞：原砂;含泥量;快速檢測;濁度傳感器

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.018

中圖分類號： TG247

文獻標志碼： A

文章編號： 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

含泥量是原砂質量的重要表征參數之一，對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，同時也會使砂型的透氣性降低，導致鑄件產生氣孔、澆不足等缺陷。因此，為保證鑄件的質量，需對原砂含泥量實施檢測和控制[1-10]。

目前，原砂含泥量檢測主要采用GB/T2684-2009規定的標準檢測方法，這也是目前最普遍的原砂含泥量測量方法[11]。該方法首先根據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。經過多次反復沉降和虹吸，直至將砂樣中的泥分洗凈為止。最后將剩余砂樣烘干、稱量并計算，獲得砂樣含泥量。

該方法主要靠人工操作完成，測量步驟繁雜、耗用時間長，一般用于實驗室檢驗，不適合生產現場隨時檢測。為此，本文設計并試制了一種測試周期短、自動化程度高的原砂含泥量測試裝置。

1 測試原理及實現方法

1.1 原砂含泥量濁度法測試原理

渾濁度是水體物理性狀指標之一。它是由水中存在顆粒物質如黏土、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。水中的不溶解物質越多，渾濁度也越高。

國標檢測方法本質上是通過渦洗+虹吸將原砂中的泥分排除出，然后測量被排除固體占總固體質量的百分比，以此計算含泥量。洗砂過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應關系，因此可用洗砂杯內混合液體的渾濁程度表征混合液中的含泥量，進而用其表征被測原砂的含泥量，稱為濁度檢測法[12-13]。

1.2 原砂含泥量濁度法檢測的實現方法

洗砂杯內的混合液經攪拌并靜置一段時間后，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得。濁度傳感器是一種光學傳感器，主要應用于水質檢測[14-18]，其內部有IR958和PT958封裝的紅外對管，對管平行放置，紅外對管的發射端發出光線，光線的透過量取決于水中懸浮顆粒量，水質渾濁度越高表明水中的懸浮顆粒越多，透過的光線也越少。紅外對管的接收端將透過的光強度轉化為電壓，水質越清晰，電壓值越高，反之，水質越污濁，則電壓值越低。因此，通過測量紅外對管的接收端電壓，即可計算出洗砂杯中液體的污濁程度，并間接測得被測原砂的含泥量。

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

2 測試裝置構成及標定

2.1 測試裝置構成

根據上述測試原理，搭建了基于濁度傳感器的原砂含泥量測試裝置，該裝置主要由洗砂杯、傳感器、操作面板和數據采集與處理單元組成，檢測裝置結構簡圖如圖3所示。數據采集與處理單元對傳感器數據進行采集和處理，結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有差異，為保證測試精度，必須保證每次測量時渾濁度傳感器處于同一位置，本測試裝置設計了傳感器固定桿用于限定傳感器位置。

根據濁度傳感器的工作原理，自然光的強弱及變化將影響傳感器的靈敏度和準確度。為消除自然光對濁度檢測的影響，檢測裝置中設計了避光罩。

此外，為了減少每次檢測時水本身濁度的影響，采取了兩方面的措施，一是采用蒸餾水，二是對水本身濁度進行檢測，作為零點校核，在測試中增加零點校核步驟。

使用圖3所示檢測裝置測定原砂含泥量的操作程序如下，打開檢測裝置開關，使傳感器通電，在容量為600mL的專用標準洗砂杯中，加入400mL蒸餾水（約為刻度線高度的三分之二處），放入檢測裝置避光罩內;按下“零點”按鈕，數據采集與處理單元自動記錄當前數據，并作為裝置標定零點值供后續含泥量測試時使用;取出洗砂杯，將稱好的50g被測原砂放入洗砂杯中，并將其放置在洗砂機托盤上鎖緊，以轉速4000r/min渦洗15min;取下洗砂杯，向杯中加入蒸餾水至標準高度125mm刻度線處，并用玻璃棒攪拌約30s;將洗砂杯放回檢測裝置避光罩中，靜置10min后按下操作面板上的“測試”按鈕，顯示屏即顯示原砂含泥量檢測結果。

2.2 測試裝置的標定

濁度傳感器法原砂含泥量檢測裝置標定，即建立原砂含泥量與渦洗后洗砂杯內混合液體渾濁度之間的對應關系，可通過配制不同含泥量的試驗用砂和檢測所對應的渾濁度建立數學模型。

標定用不同含泥量（0.1%～1.0%）的配制砂是通過含泥量為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確性，用國標檢測法對所配制的含泥量為0.3%、0.6%、0.9%三個組別的實驗用砂分別進行了測試，測試結果得出的含泥量值與所配實驗用砂的含泥量值一致。

然后對所配制好的不同含泥量的實驗用砂分別進行渾濁度的測定，其結果如表2所示。

3 實驗結果與分析

3.1 原砂含泥量-渾濁度關系數學模型

利用matlab對實驗數據進行數據擬合，結果如圖4所示。

擬合結果經過零點校核變形得到：

y=-0.9784x+k（1）

式中：x為含泥量，y為濁度測量值，k為清水的濁度測量值。

將擬合的曲線作為含泥量與渾濁度測量值之間的數學對應關系，從而導出本方法測量含泥量為

x=-1.022y+1.022k（2）

3.2 原砂含泥量的對比測試結果

為驗證基于濁度傳感器的原砂含泥量測試方法的準確性，分別利用該方法和國標檢測法對未知含泥量的原砂進行測試，結果如表3所示。

設標準檢測法與快速檢測法所得實驗數據分別服從正態分布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，進行原假設為μ1=μ2的假設檢驗，由表3可知：

標準檢測法：

n1=6，X-=0.847，S21=0.00427（3）

快速檢測法：

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。

對其進行T分布假設檢驗，檢驗統計量為：

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），計算結果代入式（5）得：

|t|=|X--Y-|SW1n1+1n2 =0.177（7）

經查表可知：

|t|=0.177< t0.005（10）= 3.1693（8）

故兩種測試方法在顯著性水平α=0.01下無顯著差異。這說明在T檢驗條件下，兩種檢測法檢測所得的原砂含泥量結果一致性好，相似程度為99%，說明本方法測試精度較高。

此外，標準法測定原砂含泥量的主要過程為預熱、稱量、洗砂、虹吸、過濾、烘干、稱量、計算，整個過程大約需要5 h。而基于濁度傳感器的原砂含泥量檢測方法主要過程為稱量、洗砂、測試，省去了繁瑣的反復虹吸渦洗過程，省時省力，且不需使用電烘箱，減少了能源損耗。在測量時只需要進行一次渾濁度的測定即可直接測出原砂含泥量，整個過程只需0.5 h。比標準法減少時間90%。

4 結 論

1）在遵循原砂含泥量國標檢測方法原則的基礎上，提出了一種基于濁度傳感器的原砂含泥量快速檢測新方法，可實現原砂含泥量生產現場快速檢測。

2）設計和試制了一種基于濁度傳感器的原砂含泥量測試裝置，試驗確定了原砂含泥量與渾濁度關系的數學模型，與標準檢測方法相比，采用新裝置測定原砂含泥量速度提高90%。

3）分別利用標準檢測方法和基于濁度傳感器的檢測方法對原砂含泥量進行了測試，經T檢驗表明，兩種檢測方法所得的檢測結果相似度為99%。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2019-03-10

基金項目： 黑龍江省自然科學基金（E2018045）.

作者簡介：

馬旭梁（1973—），男，博士，教授，碩士研究生導師;

劉澤宇（1995—），男，碩士研究生.

通信作者：

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