一种螺旋定量加料机分料装置粉体填充率检测装置及方法技术领域
本发明属于粉体定量加料技术领域，尤其涉及一种螺旋定量加料机分料装置粉体填充率
检测装置及方法。
背景技术
螺旋输送对粉体以及颗粒物料的输送有较好的可控制性和稳定性，广泛应用于工业矿物、
农用物料、化工、食品加工原料成品等运输、配料和包装生产过程中。要实现螺旋输送的定
量加料，粉体的填充率是特别重要的决定因素，但螺旋输送管道内粉体的运动情况十分复杂，
导致填充率波动大、不确定。所以及时掌握粉体的填充率是螺旋定量加料测控系统的重要功
能之一。
目前国内外对输送管内粉体的填充率检测方法主要有电容法、电容层析成像法和换热法。
如：2013年崔自强等人在申请专利具有双层旋转电极的电容层析成像传感器((授权公告号：
CN103454318B)中将检测电极附于旋转管壁上，可从任意角度测量电容值，存在测量次数多，
数据计算处理量大，处理复杂实时性差等缺点；2014年程俊利用换热原理检测密闭循环系统
中流体流量(申请公布号：CN103868558A)，存在受环境温度影响大，器件使用寿命短等缺
点。针对螺旋加料机输送管内的粉体参数检测，发明人2013年在专利一种螺旋输送管内粉体
流型检测装置及压缩感知流型辨识方法(申请公布号：CN103645029A)中，提出了一种螺旋
状的电极检测传感器，用于螺旋加料中间输送段物料流型的检测，改善了检测传感器灵敏场
的均匀程度。随后，发明人2014年在专利螺旋输送管内出料段粉体浓度分布检测装置与检测
方法(申请公布号：CN104316441A)中，提出了一种在管道内布置电容层析成像电极的检测
装置，利用图像重建获得了输送管内粉体浓度，但是由于受到料管内分料装置存在以及分料
装置各个空隙物料不均匀的影响，依据一般针对空心管体的电容层析成像检测方法得到的图
像，在物料与装置、物料与空隙之间界限模糊，成像质量差，同时由于两电极之间距离太近，
没有隔离装置，导致其他电极产生的杂散电容较大，各电极信号处理电路之间寄生电容较大，
对电容测量影响大，反映物料的填充率或者浓度误差大。
对螺旋定量加料机分料装置研究发现，分料装置能够使粉体物料在出料段稳定平移输送，
可大大改善粉体物料的无序杂乱运动状态。由于分料装置位于出料段，物料经过分料装置即
出料，及时获取分料装置段的物料填充率，依据填充率调节螺旋加料角度对实现定量加料非
常关键。
发明内容
为解决螺旋定量加料机分料装置内填充率检测难题，克服一般的针对空心管体的电容层
析成像检测方法得到的图像质量差、测量精度不高，以及测量数据计算处理复杂、实时性差
的不足，本发明提供一种测量简单、计算量小、实时性好、精度较高的螺旋定量加料机分料
装置粉体填充率检测装置及方法。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种螺旋定量加料机分料装置粉体填充率检测装置，包括分料装置、电容阵列传感器、数
据采集控制系统和上位机；
所述分料装置包括n个薄板，所述n个薄板在所述绝缘螺旋输送管道周向均匀的固定在
所述绝缘螺旋输送管道内壁上，
所述电容阵列传感器包括检测电极阵列、径向电极阵列、屏蔽罩，所述检测电极阵列包
括2n个检测电极，每两个检测电极为一对，粘贴于螺旋定量加料机分料装置n等分之一处的
圆柱绝缘管道外壁，且通过屏蔽线与数据采集和控制系统连接；所述径向电极阵列包括2n个
径向电极，每个径向电极竖直插入圆柱绝缘螺旋输送管道深4㎜处、并位于相邻两个检测电
极之间，所述屏蔽罩固定在圆柱绝缘螺旋输送管道外，所述径向电极与屏蔽罩相连；
所述数据采集控制系统包括电源模块、极板通道选择模块、电容/电压(C/V)转换模块、
单片机控制单元，
所述电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；
所述极板通道选择模块与所述测量检测电极阵列中的每一个检测电极连接，用于控制所
述检测电极阵列中每一个检测电极的状态，通过极板通道选择模块使得检测电极阵列中的一
对极板分别为激励极板和检测极板，其他n-1对检测电极处于接地状态，通过电容测量反映
分料装置处相应的被叶片隔离的区域的物料的信息，将电容信号传输到C/V转换模块上；
所述C/V转换模块，用于将激励极板和检测极板间的电容值转化为模拟电压值；
所述单片机控制单元，通过异步串口与上位机相连，用于控制极板通道选择模块，并将
模拟电压值转换为数字电压信号，并传输至上位机；
所述的上位机，配置有RS232标准串行接口COM，通过串行接口接收单片机控制单元发
送的一系列数字电压信号，并根据电压和填充率的关系，算得由分料装置叶片隔离的各个小
区间的填充率，进一步得到螺旋定量加料机分料装置粉体填充率。
进一步地，所述检测电极为长方形检测电极，所述长方形检测电极张角是25°，相邻长
方形检测电极间的间隔角是5°，每一个检测电极的轴向长度为分料装置叶片的轴向长度。
进一步地，所述径向电极为长方形径向电极，所述径向电极的轴向长度为分料装置叶片
的轴向长度，宽度为检测电极宽度的0.8倍。
进一步地，所述检测电极、径向电极均采用2㎜厚的铜箔制成，表面镀敷绝缘层。
进一步地，所述屏蔽罩轴向长度l屏长＝0.6d绝内+l导，其中，d绝内为圆柱绝缘螺旋输送管道
内径，l导为一个导程长度，所述屏蔽罩与圆柱绝缘螺旋输送管外的距离为l距＝l径宽-4mm，其
中，l径宽为径向电极阵列中长方形电极的宽度，屏蔽罩采用2㎜厚的铜箔制成。
进一步地，连接电极的线均采用屏蔽线。
进一步地，所述N个薄板通过焊接固定在所述绝缘螺旋输送管道内壁上。
(1)单片机控制单元控制极板通道选择模块给检测电极阵列中的第1对检测电极中的一
个施加激励电压，其余n-1对检测电极接地，第1对检测电极中两个电极分别作为激励极板
和检测极板，测得第1对检测电极之间的电容C1，并将电容信号传输到C/V转换模块；C/V
转换模块将检测电极阵列传感器测得的电容C1转化为电压值U1；单片机控制单元电压值传输
给单片机控制单元，由单片机控制单元进行存储处理；
(2)单片机控制单元控制极板通道选择模块给检测电极阵列第2对检测电极中的一个检
测电极施加激励电压，其余n-1对检测电极接地，测得第2对检测电极之间的电容C2，并将
电容信号传输到C/V转换模块；C/V转换模块将检测电极阵列传感器测得的电容C2转化为电
压值U2；电压值传输给单片机，由单片机进行存储处理；
(3)单片机控制单元控制极板通道选择模块给检测电极阵列下一对检测电极中的一个检测电
极施加激励电压，其余n-1对检测电极接地，测得所述下一对对检测电极之间的电容Ci，并
将电容信号传输到C/V转换模块；C/V转换模块将检测电极阵列传感器测得的电容Ci转化为
电压值Ui；电压值传输给单片机，由单片机进行存储处理；直到完成第n对检测电极间的电
容测定、C/V转换及存储；
(4)所述单片机控制单元将N个电压值U1，U2，…，Ui，…，Un经过归一化处理后，
得到电压测量值向量[U'1U'2…U'i…U'n]，传输至上位机；
(5)上位机依据得到的归一化电压测量值，以及其与填充率的关系t＝KU'，分别计算
得到各分料装置叶片隔离的小区间的填充率[t1t2…ti…tn]，依据
计算得到总的填充率t总，其中，t为填充率，K为填充率与
归一化的电压值关系系数，其与装置结构尺寸、物料特性等有关，通过标定试验确定，U'为
归一化的电压值，V1，V2，…，Vi，…，V6分别为n个小区间的容积。
本发明所述的螺旋定量加料机分料装置粉体填充率检测装置及方法具有如下优点：
(1)由于分料装置的分料结构将出料端分为多个区域，设计了专门的针对各个区域的检
测电极对，提高了填充率检测的精度和灵敏度。
(2)在测量电极之间添加了径向电极阵列，改善了检测电极之间的杂散电容对电容测量
的影响。
(3)通过控制了径向电极插入圆柱绝缘螺旋输送管道的深度为4㎜，使的激励电极的电
势场集中在各个待检测区域，极大减少了其他电极对检测区域的影响，增加检测的精度。
(4)采用屏蔽线代替普通信号线，很好地克服了检测电极信号处理电路之间的寄生电容
等对电容测量造成的影响。
(5)通过所述方法的检测，计算量小，实时性高，在粉体定量加料方面具有良好的应用
前景。
附图说明
图1是本发明所述的螺旋输送管内出料段粉体填充率检测系统示意图。
图2是本发明的螺旋输送管以及电容阵列传感器装配图。
图3是本发明的螺旋输送管出料段以及电容阵列传感器截面示意图。
图4是本发明的数据采集和控制系统结构框图。
图中，
1-上位机，2-数据采集控制系统，3-圆柱绝缘螺旋输送管道，4-进料口，5-螺旋轴，6-屏
蔽罩，7-出料口，8-分料装置，9-径向电极阵列，10-检测电极阵列，11-电容阵列传感器，101
至112-检测电极。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于
此。
如图1，2，3所示，本发明所述的螺旋定量加料机分料装置粉体填充率检测装置，包括
分料装置、电容阵列传感器、数据采集控制系统和上位机。
所述圆柱绝缘螺旋输送管道3内部安装有螺旋轴5。在螺旋轴5左端的圆柱绝缘管道3
上方开有进料口4，在螺旋轴5右端的圆柱绝缘管道3下方开有出料口7。所述分料装置包括
多个薄板，所述多个薄板在所述绝缘螺旋输送管道周向均匀的通过焊接固定在所述绝缘螺旋
输送管道内壁上，将绝缘螺旋输送管道分成多个容积相等的小空间，所述薄片的轴向长度为
一个导程长。本实施例以六块薄片为例。
所述电容阵列传感器11，包括检测电极阵列10、径向电极阵列9、屏蔽罩6。如图2、
图3所示，所述检测电极阵列10包括12个长方形检测电极，从101至112，每两个一对，
粘贴于螺旋定量加料机分料装置六等分之一处的圆柱绝缘螺旋输送管道3外壁上，且通过屏
蔽线与数据采集控制系统2连接。长方形检测电极张角是25°，相邻检测电极间的间隔角是
5°，每一个检测电极的轴向长度为分料装置叶片的轴向长度，即为一个导程长。靠近分料装
置薄板的检测电极的侧面与分料装置叶片的侧面在同一个面上。
如图2，3所示，所述径向电极阵列9包括12个长方形径向电极，每个径向电极竖直插
在相邻两个检测电极之间，一端与屏蔽罩6相连，另一端插在圆柱绝缘螺旋输送管道3深4mm
处。径向电极阵列9中，与分料装置叶片对应的径向电极的中心线和分料装置叶片的中心线
重合在一起。每一个径向电极的轴向长度为分料装置叶片的轴向长度，即为一个导程长。宽
度为检测电极宽度的0.8倍。
如图2，3所示，所述屏蔽罩6固定在圆柱绝缘螺旋输送管道3外，与12个径向电极相
连。所述屏蔽罩6轴向长度l屏长＝0.6d绝内+l导，其中，d绝内为圆柱绝缘螺旋输送管道3内径，
l导为一个导程长度，所述屏蔽罩6与圆柱绝缘螺旋输送管道3外的距离为l距＝l径宽-4mm，其
中，l径宽为径向电极阵列中长方形电极的宽度，屏蔽罩6采用2mm厚的铜箔制成。由COMSOL
Multiphysics仿真得到：径向电极阵列插入圆柱绝缘管道的4㎜处时，能将激励电极的电势
集中于检测区域，使得检测电极检测的更加精确，灵敏度更高。
如图4所示，所述数据采集控制系统2包括单片机控制单元、极板通道选择模块、C/V
转换模块、电源模块。
所述电源模块用于给C/V转换模块、极板通道选择模块、单片机控制单元提供电源；
所述极板通道选择模块包括激励切换部分、检测切换部分和接地切换部分，采用两片八
选一多路模拟开关MAX338和4片DG201制成。所述极板通道选择模块与所述测量检测电极阵
列中的每一个检测电极连接，用于控制所述检测电极阵列中每一个检测电极的状态，通过极
板通道选择模块使得检测电极阵列中的一对极板分别为激励极板和检测极板，其他n-1对检
测电极处于接地状态，通过电容测量反映分料装置处相应的被叶片隔离的区域的物料的信息，
将电容信号传输到C/V转换模块上；
所述C/V转换模块，采用高度集成化的通用微小电容检测芯片MS3110，将极板间的微小
电容值转化为相应的电压值，对被测电容只进行一次充放电,即可完成对电容的测量。通用微
小电容读取芯片MS3110，它是一个基于电荷放大原理的电容测量电路，通过对MS3110内部
各寄存器的编程实现对电容的测量，把MS3110的CS2IN引脚连至激励切换部分的输出，把
MS3110的CSCOM引脚连至检测切换部分的输出，MS3110的输出值是直流信号。
所述电源模块，由稳压电源给单片机控制单元、极板通道选择模块、C/V转换模块提供
5v的电压,并经过1117稳压芯片降压至2.5v最终分压至2.25v给C/V转换模块提供参考电
压,经过LM2575倍压至15v给极板通道选择模块的接地切换部分提供15v电压。
所述单片机控制单元是整个测量系统的核心，采用台湾凌阳科技有限公司生产的16位
SPCE061A单片机作为控制核心,给极板通道选择模块提供控制信号，并将模拟电压信号转换
为数字电压信号，通过通用异步串口与上位机1通讯。
所述单片机控制单元测量过程如下:在一个完整的测量过程中，检测极板101首先被选择
为激励电极,给检测极板101加激励，以检测极板102为检测电极，其余检测极板接地，检测
极板101、检测极板102间的电容值；然后选择检测极板103为激励电极，以检测极板104
为检测电极，其余检测极板接地，测量检测极板103与检测极板104间的电容值；然后选择
检测极板105为激励电极，以检测极板106为检测电极，其余检测极板接地，测量检测极板
105与检测极板106间的电容值；然后选择检测极板107为激励电极，以检测极板108为检
测电极，其余检测极板接地，测量检测极板107与检测极板108间的电容值；然后选择检测
极板109为激励电极，以检测极板110为检测电极，其余检测极板接地，测量检测极板109
与检测极板110间的电容值；然后选择检测极板111为激励电极，以检测极板112为检测电
极，其余检测极板接地，测量检测极板111与检测极板112间的电容值；可以得到6个独立
的测量电容值。
所述的上位机1，采用联想扬天T498O，配置有RS232标准串行接口COM，通过串行接口
接收单片机发送的一些列测量电压值。
进一步地，上位机1根据输出电压和填充率的关系，算得由分料装置叶片隔离的各个小
区间的填充率，从而进一步得到螺旋定量加料机分料装置粉体填充率。
本发明所述的螺旋定量加料机分料装置粉体填充率检测方法，其特征在于，包括以下步
骤：
(1)单片机控制单元控制极板通道选择模块给检测电极阵列检测电极101施加激励电压，
其余检测电极接地，测得第1个检测电极101和第2个检测电极102之间的电容C1，并将电
容信号传输到C/V转换模块。该电容值反映了分料装置相对应的相邻两叶片之间的区域(容
积为V1)填充率t1。C/V转换模块将检测电极阵列传感器测得的电容C1转化为电压值U1；
电压值传输给单片机，由单片机进行存储处理。
(2)单片机控制单元控制极板通道选择模块给检测电极阵列第3个检测电极103施加激
励电压，其余检测电极接地，测得第3个检测电极103和第4个检测电极104之间的电容C2，
并将电容信号传输到C/V转换模块。该电容值反映了分料装置相对应的相邻两叶片之间的区
域(容积为V2)填充率t2。C/V转换模块将检测电极阵列传感器测得的电容C2转化为电压值
U2；电压值传输给单片机，由单片机进行存储处理；
(3)单片机控制单元控制极板通道选择模块给检测电极阵列下一对检测电极中的一个检
测电极施加激励电压，其余检测电极接地，测得所述下一对对检测电极之间的电容Ci，并将
电容信号传输到C/V转换模块；C/V转换模块将检测电极阵列传感器测得的电容Ci转化为电
压值Ui；电压值传输给单片机，由单片机进行存储处理；直到完成第6对检测电极间的电容
测定、C/V转换及存储。得到分料装置6个小区间(容积V1，V2，V3，V4，V5，V6)所对应
极板的电容值C1，C2，C3，C4，C5，C6，和转换后的电压值U1，U2，U3，U4，U5，U6。
(4)所述单片机控制单元将6个电压值U1，U2，U3，U4，U5，U6经过归一化处理
后，得到电压测量值向量[U'1U'2U'3U'4U'5U'6]，传输至上位机。
(5)上位机依据得到的归一化电压测量值，以及其与填充率的关系t＝KU'，分别计算
得到各分料装置叶片隔离的小区间的填充率[t1t2t3t4t5t6]，依据
计算得到总的填充率t总，其中，t为填充率，K为填充率
与归一化的电压值关系系数，其与装置结构尺寸、物料特性等有关，通过标定试验确定，U'
为归一化的电压值，V1，V2，V3，V4，V5，V6分别为n个小区间的容积。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内
容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。