霍亮生, 顧祖寶, 曹學(xué)麗, 裴海生

(1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京 100048;2.北京工商大學(xué)食品學(xué)院,北京 100048)

基于逆流色譜的分離設(shè)備動(dòng)平衡性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

霍亮生1, 顧祖寶1, 曹學(xué)麗2, 裴海生2

(1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院,北京 100048;2.北京工商大學(xué)食品學(xué)院,北京 100048)

由于天然活性物質(zhì)應(yīng)用越來越廣泛,產(chǎn)生了一種連續(xù)高效的逆流色譜法和基于逆流色譜的分離純化設(shè)備,而動(dòng)平衡性能是評(píng)價(jià)該設(shè)備的一個(gè)重要因素.選用壓電式加速度傳感器、光電編碼器、K60主控制器等器件對(duì)設(shè)備的動(dòng)平衡測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),并把測試結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)上,指導(dǎo)偏心質(zhì)量調(diào)整.測試過程自動(dòng)化程度和精度高,便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測.測試系統(tǒng)為該設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)行奠定了基礎(chǔ),同時(shí)也為其他工業(yè)設(shè)備的動(dòng)平衡性能測試及偏心質(zhì)量調(diào)整提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

逆流色譜;分離設(shè)備;動(dòng)平衡性能;壓電式加速度傳感器

天然活性物質(zhì)越來越廣泛地應(yīng)用于植物提取、保健品、化妝品、食品和制藥等行業(yè)中,所以天然活性物質(zhì)的分離提純方法和提取設(shè)備一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-2].傳統(tǒng)的分離提取方法,如萃取法、浸泡法、水蒸氣蒸餾法等,都只適合用于天然活性物質(zhì)的粗提取,提取物雜質(zhì)含量大,且提取效率低[3].人們一直在尋求一種高效的提取純化方式,逆流色譜法應(yīng)運(yùn)而生.逆流色譜是一種連續(xù)高效的液-液分配色譜技術(shù),無須任何固態(tài)載體,同時(shí)具有分配色譜和液液萃取的優(yōu)點(diǎn)[4-6].為了使逆流色譜技術(shù)更為高效地為社會(huì)各行業(yè)所用,對(duì)提取設(shè)備的要求也越來越高,其中動(dòng)平衡性能便是其中的一個(gè)重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).因此,對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)平衡性能測試具有重要的作用,而動(dòng)平衡性能的測試首先需要搭建測試系統(tǒng).

1 分離設(shè)備立體結(jié)構(gòu)分析

新型的分離設(shè)備主體結(jié)構(gòu)封裝在方形外殼中,具有公轉(zhuǎn)軸和自轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)動(dòng)力矩由電機(jī)通過齒形帶傳遞,在分離純化過程中圓柱形支撐體在公轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn).由此可見,此設(shè)備的運(yùn)行過程和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其中包括動(dòng)力傳遞、軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、軸與軸承的配合、軸與齒形帶輪及支撐體間的鍵連接等,此外,材質(zhì)不均勻、加工及裝配的誤差和設(shè)計(jì)時(shí)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響設(shè)備整體的動(dòng)平衡性能[7-9].分離設(shè)備主體結(jié)構(gòu)模型如圖1.

圖1 分離設(shè)備主體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Main structuremodel of separation equipment

若設(shè)備動(dòng)平衡性能不好,其產(chǎn)生離心力作用在機(jī)械零部件上,會(huì)引起振動(dòng),產(chǎn)生噪聲,加速零件磨損,縮短機(jī)械壽命,嚴(yán)重時(shí)能造成破壞性事故.為此,必須對(duì)設(shè)備的動(dòng)平衡性能進(jìn)行測試,力求找到影響設(shè)備動(dòng)平衡性能的最大慣性離心力的方位,以便在相應(yīng)的位置上進(jìn)行配重處理,減小不平衡力[10-12].

2 測試系統(tǒng)的總體構(gòu)成

動(dòng)平衡性能測試系統(tǒng)主要由壓電式加速度傳感器、電荷放大電路、光電編碼器、主控制器、上位機(jī)以及電平轉(zhuǎn)換電路組成[13],如圖2.

圖2 測試系統(tǒng)的組成Fig.2 Composition of testing system

光電編碼器主要是測量設(shè)備中的軸位置信號(hào),壓電式加速度傳感器和電荷放大器主要是接收外部離心力信息的激勵(lì)并響應(yīng),主控制器把傳感器的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭山邮盏臄?shù)字信號(hào),并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū),然后主控制器經(jīng)過對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理,得到最大離心力方位信息,此信息經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)時(shí)傳遞并在上位機(jī)上顯示.

2.1 主控制器

主控制器選用飛思卡爾公司最新推出的高性能、低功耗、低成本的K60芯片[14].其最高工作頻率為100 MHz,可以滿足數(shù)據(jù)采集處理的實(shí)時(shí)性要求,內(nèi)部的大容量存儲(chǔ)空間可以保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)準(zhǔn)確不丟失,提供了多路高精度的AD采樣通道,內(nèi)部的FTM模塊兼有PWM輸出、輸入捕捉和正交編碼等功能,為壓電式加速度傳感器和光電編碼器提供了接口,同時(shí)它內(nèi)部還集成了UART通信接口模塊,方便了和上位機(jī)間的通信.軟件采用C語言開發(fā),執(zhí)行效率高,可移植性好,C語言已經(jīng)成為電子開發(fā)、微機(jī)控制行業(yè)的主流開發(fā)語言.

2.2 壓電式加速度傳感器

測試過程中涉及慣性離心力的測量,而控制器只能接收并處理電信號(hào),所以需要通過能量轉(zhuǎn)換把非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),以便控制器的采集處理.壓電式加速度傳感器體積小、靈敏度高、質(zhì)量輕、測量范圍寬,因而廣泛應(yīng)用于控制過程中慣性離心力的測量[15-16].壓電式加速度傳感器的壓電材料受到一定的機(jī)械載荷時(shí),會(huì)在壓電晶體兩極化表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷,而電荷量的大小則與載荷的大小成正比,因?yàn)閴弘娋w絕緣電阻很高,此時(shí)壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)可以簡化為一塊平行的電容板[17-18],如圖3.

圖3 壓電式加速度傳感器簡化結(jié)構(gòu)Fig.3 Simplified structure of piezoelectricity type acceleration sensor

其電容量的計(jì)算公式為:

若施加外載荷為F,所產(chǎn)生的電荷量計(jì)算如式(2):

式(1)和式(2)中,ε為壓電晶體的介電常數(shù);A為極板面積;L為壓電晶體的厚度;d為壓電系數(shù).

壓電晶體一旦確定后,ε、A、d、L都是常數(shù),所以壓電晶體上產(chǎn)生的電荷Q與所受載荷F成正比.當(dāng)加速度傳感器受到振動(dòng)時(shí),壓電晶體的兩個(gè)表面則會(huì)產(chǎn)生交變電荷,此交變電荷與所受載荷成正比.本測試系統(tǒng)中使用兩個(gè)壓電式加速度傳感器,分別安裝在設(shè)備外殼的頂面和一個(gè)側(cè)面.

2.3 電荷放大器

由于壓電式加速度傳感器是電荷輸出型器件,所以還需要有與傳感器匹配的電荷放大電路.電荷放大電路具有兩方面的作用,一是把傳感器輸出的微弱的電荷信號(hào)放大,提高采樣精度,二是把電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器可識(shí)別的電壓信號(hào)[19].電荷放大電路如圖4.

圖4 電荷放大電路Fig.4 Charge amplifier circuit

2.4 光電編碼器

為了找到最大離心力的位置,必須有標(biāo)記軸轉(zhuǎn)角度的光電編碼器,光電編碼器可輸出A、B和Z 3路脈沖,Z脈沖標(biāo)記軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù),A脈沖或B脈沖記錄當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù).360線光電編碼器安裝在電機(jī)軸上,電機(jī)軸帶輪與傳動(dòng)軸帶輪的傳動(dòng)比為2,測試元件安裝示意圖如圖5.

圖5 測試元件安裝示意Fig.5 Installation diagram of testing components

為了得到準(zhǔn)確的位置信號(hào),光電編碼器安裝時(shí),當(dāng)檢測到Z脈沖,在傳動(dòng)帶輪上標(biāo)記基準(zhǔn)位置.

2.5 上位機(jī)

上位機(jī)是相對(duì)于下位機(jī)而言,下位機(jī)一般指微控制系統(tǒng),上位機(jī)指的是可以發(fā)出控制命令并且可以接收顯示下位機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī),一般為PC機(jī).本文中上位機(jī)可以對(duì)測試系統(tǒng)發(fā)出開始和停止測試命令,實(shí)時(shí)顯示由控制系統(tǒng)分析計(jì)算所得到的離心力方位.上位機(jī)可以全過程監(jiān)控測試過程,使用戶直觀地獲取測試結(jié)果信息,因而在電子開發(fā)、工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛.

2.6 電平轉(zhuǎn)換電路

UART(異步串行通信)是一種較為簡單且應(yīng)用廣泛的通信方式,傳送速率可以通過寄存器設(shè)定,具有奇偶校驗(yàn)位以保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.本測試系統(tǒng)采用三線制全雙工通信實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的信息交互.但是下位機(jī)的TTL電平與上位機(jī)的RS232電平并不匹配,因此需要通過電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電平匹配.選用MAX3232芯片,電平轉(zhuǎn)換電路如圖6.圖6中UART0_TX、UART0_RX分別接入控制器UART模塊的發(fā)送和接收引腳,而DB_TXD和DB_RXD引腳接入九針串口公頭,通信時(shí)將此公頭插入PC機(jī)上的母頭.

3 測試過程及處理方法

圖6 電平轉(zhuǎn)換電路Fig.6 Level transformation circuit

整個(gè)測試過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送顯示和數(shù)據(jù)分析處理.數(shù)據(jù)采集是主控器的AD通道把壓電式加速度傳感器感知的電信號(hào)數(shù)字化的過程,數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性將直接影響分析結(jié)果.采集的結(jié)果經(jīng)過通信線路傳給上位機(jī)顯示,用戶可直觀地接收采集結(jié)果.數(shù)據(jù)的分析處理是針對(duì)采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)運(yùn)用有效的方法尋求結(jié)果的過程,當(dāng)判斷出最大離心力方位時(shí),還需進(jìn)行配重處理,使設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行,最后在不同轉(zhuǎn)速下測試設(shè)備動(dòng)平衡性能.

3.1 數(shù)據(jù)采集

因?yàn)閭鲃?dòng)輪盤一周加工有12個(gè)配重螺孔,所以傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)一圈時(shí),采集加速度傳感器的12個(gè)數(shù)值.傳動(dòng)比為2,電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈.即光電編碼器轉(zhuǎn)過720個(gè)脈沖,采集12個(gè)數(shù)據(jù),每過60個(gè)脈沖采集一次.采集結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)顯示.測試時(shí)逐漸由低到高調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)驗(yàn)中當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,可明顯感覺到設(shè)備的振動(dòng)較大.此時(shí)采集記錄傳感器數(shù)值并用MATLAB繪制成圖,如圖7.橫軸表示采樣點(diǎn)次數(shù),縱軸為傳感器采集的數(shù)字量,范圍為0～256.

3.2 偏心質(zhì)量調(diào)整

圖7 動(dòng)平衡性能測試結(jié)果Fig.7 Testing result of dynam ic balance

對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行偏心質(zhì)量調(diào)整,即需要改變轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布,使轉(zhuǎn)子圓周方向上的離心力分布均勻.由圖7結(jié)果可知,第5次采集的數(shù)值最大,即離心力最大,因?yàn)閆脈沖標(biāo)記的基準(zhǔn)為第一個(gè)配重螺孔,為抵消離心力,此時(shí)需要在第5個(gè)配重螺孔相對(duì)位置上增加配重墊片,實(shí)現(xiàn)設(shè)備在該轉(zhuǎn)速下的動(dòng)平衡(如圖8).

圖8 偏心質(zhì)量調(diào)整示意Fig.8 Eccentric mass adjustment diagram

3.3 動(dòng)平衡性能測試

前述過程進(jìn)行了一次配重調(diào)整,逐漸調(diào)高設(shè)備運(yùn)行速度,重復(fù)上述過程,最終可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)平衡.為了驗(yàn)證設(shè)備的動(dòng)平衡性能,分別在不同的轉(zhuǎn)速條件下采集數(shù)據(jù),如表1.

表1 不同轉(zhuǎn)速下設(shè)備的動(dòng)平衡性能測試結(jié)果Tab.1 Testing result of dynamic balance under different speeds

由表1中數(shù)據(jù)可知,轉(zhuǎn)速越高,采集結(jié)果越大,這是由壓電式加速度計(jì)的性能決定的.重點(diǎn)在于在任一轉(zhuǎn)速下,采集結(jié)果均在特定的范圍內(nèi)波動(dòng),且在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,已經(jīng)明顯察覺不到設(shè)備的振動(dòng),設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡.

4 結(jié)束語

針對(duì)逆流色譜的分離純化設(shè)備,結(jié)合了現(xiàn)代傳感器、電工電子、微機(jī)控制等技術(shù)手段,開發(fā)了其動(dòng)平衡性能的測試系統(tǒng),該測試系統(tǒng)自動(dòng)化程度高且測試結(jié)果較為精確,為該設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)行提供了條件,同時(shí)該測試系統(tǒng)可以很方便地移植到其他工業(yè)設(shè)備上,豐富了動(dòng)平衡性能測試方面的經(jīng)驗(yàn).

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Design of Dynam ic Balance Testing System of Separation Equipment Based on Countercurrent Chromatography

HUO Liangsheng1, GU Zubao1, CAO Xueli2, PEIHaisheng2
(1 School ofMaterials and Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University, Beijing 100048,China;2 School of Food and Chemical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Because of the wide use of the natural bioactive substance,a continuous and efficient countercurrent chromatography and the separation equipment based on itwere presented.The dynamic balance was one of the important factors to evaluate the equipment.The dynamic balance testing system was designed using piezoelectricity type acceleration sensor,optical encoder,and the main controller K60. The result could be shown on the host computer in order to instruct eccentric mass adjustment.The testing system had high automation and accuracy and itwas real-timemonitoring.The testing system provided the foundation for the stable of the equipmentand practical experience for other industrialequipments and eccentric mass adjustment.

countercurrent chromatography;separation equipment;dynamic balance;piezoelectricity type acceleration sensor

TS203;TM932;O6-332

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.04.009

2095-6002(2014)04-0045-05

(責(zé)任編輯:檀彩蓮)

霍亮生,顧祖寶,曹學(xué)麗,等.基于逆流色譜的分離設(shè)備動(dòng)平衡性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì).食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2014,32 (4):45-49. HUO Liangsheng,GU Zubao,CAO Xueli,et al.Design of dynam ic balance testing system of separation equipment based on countercurrent chromatography.Journal of Food Science and Technology,2014,32(4):45-49.

2013-09-02

霍亮生,男,教授,博士,主要從事食品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)控制的研究.