Winner2000Z型智能激光粒度儀 

                      江海鷹  任中京

 (濟(jì)南大學(xué)顆粒測試研究所，山東濟(jì)南250022)

摘要：Winner2000Z智能激光粒度儀具有操作自動(dòng)化程度高和測試智能化的特點(diǎn)。儀器整體設(shè)計(jì)緊湊，集成度高，測試操作簡便。采用目前流行的USB通訊方式，所有測試操作均可由計(jì)算機(jī)控制完成。設(shè)置了人工、自動(dòng)兩種操作模式和智能校準(zhǔn)功能，可預(yù)置各種不同的測試條件和操作方式，適用于各類樣品的測試，并滿足特殊測試要求。綜合性能居同類儀器先進(jìn)水平。

關(guān)鍵詞：激光分析；粒度分析；智能；自動(dòng)測試

     激光粒度儀是進(jìn)行粒度分布測試的儀器，具有測試速度快、操作簡單、易于維護(hù)的特點(diǎn)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用，成為粒度分布測試的主流機(jī)型。國產(chǎn)激光粒度儀經(jīng)過這幾年不斷的努力，研究和制造水平也有了很大進(jìn)步，但和國外儀器相比，zui明顯的是自動(dòng)化程度低，主要靠人工操作。從智能化的角度看，目前各類激光粒度儀的智能化水平均不高。而顆粒粒度分布測試結(jié)果的準(zhǔn)確性如何，不僅取決于儀器本身的測試性能，還與測試條件及操作者的操作水平有關(guān)。所以提高激光粒度儀操作的自動(dòng)化和智能化水平，對保持統(tǒng)一的測試條件，避免由于操作不當(dāng)帶來的測試誤差，提高儀器的整體測試性能有著重要意義。

       Winner2000Z型智能激光粒度儀是在濟(jì)南微納儀器公司Winner2000激光粒度儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展的新產(chǎn)品。Winner2000Z除秉承Wiimer2000的優(yōu)點(diǎn)外，更賦予其自動(dòng)化和智能化的新特點(diǎn)，使測試操作更簡單， 測試方法更統(tǒng)一，測試結(jié)果更穩(wěn)定。Winner2000Z型智能激光粒度儀的問世，使我國的激光粒度儀產(chǎn)品水平又向前邁進(jìn)了一大步。

1. 智能粒度儀的結(jié)構(gòu)及控制原理

Wiraier2000Z型激光粒度儀的原理結(jié)構(gòu)圖如 圖1所示。

圖1 原理結(jié)構(gòu)圖

工作原理簡述：光電探測器把檢測到的顆粒對激光的散射光轉(zhuǎn)換成光電流信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大器放大后由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳到微處理器中，微處理器對檢測信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后通過USB通訊接口把檢測數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中計(jì)算出粒度分布，計(jì)算機(jī)同時(shí)根據(jù)預(yù)置的操作參數(shù)和測試進(jìn)程發(fā)出控制命令，微處理器接收到控制命令后直接對控制器進(jìn)行控制操作，控制器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行裝置工作。

粒度儀主機(jī)中的微處理器是粒度儀的核心，在負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集任務(wù)的同時(shí)又擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)、命令的通訊和報(bào)警信號(hào)、控制命令的上傳下達(dá)任務(wù)。

控制器是控制命令的執(zhí)行者，主要完成對各裝置的控制及驅(qū)動(dòng)作用，同時(shí)還具有液位檢測功能。

各執(zhí)行裝置的作用：

●進(jìn)水閥：控制進(jìn)水管（與自來水管等水源相連）的進(jìn)水，實(shí)現(xiàn)測試及沖洗過程的自動(dòng)進(jìn)水。

●液位檢測：對自動(dòng)進(jìn)水過程進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)樣品池的水位超過水位*，立即關(guān)閉進(jìn)水閥，停止進(jìn)水，并向 計(jì)算機(jī)發(fā)出水位滿報(bào)警信號(hào)。

●超聲器：實(shí)現(xiàn)對測試樣品的分散。既能在測試 前對樣品進(jìn)行預(yù)先分散，也可在測試過程中進(jìn)行分散，防止樣品在測試過程中發(fā)生團(tuán)聚，保證測試結(jié)果的真實(shí)、準(zhǔn)確。

●攪拌器：對樣品池中的樣品進(jìn)行攪拌，使樣品均勻混合，保證測試結(jié)果的真實(shí)、穩(wěn)定。攬拌器的攪拌速度可調(diào)。

●循環(huán)泵：使液體在管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，防止樣品沉降，實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)測試。結(jié)合自動(dòng)進(jìn)水，完成管道自動(dòng)沖洗過程。

●排水閥：測試或沖洗完畢后，打開排水閥，廢液自動(dòng)排出。       

圖2工作流程框圖

2. 智能激光粒度儀的工作流程

圖2為Winner2000Z型智能激光粒度儀自動(dòng)測試的 工作流程框圖。自動(dòng)測試前，可根據(jù)測試要求，從自動(dòng)模式控制界面（圖3）對進(jìn)水時(shí)間、分散時(shí)間、測試時(shí)間、排水時(shí)間以及排氣泡次數(shù)、沖洗次數(shù)、攪拌速度等控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)還可以靈活選擇是否采用自動(dòng)進(jìn)水，分散時(shí)是否超聲、攪拌，測試時(shí)是否超聲、攪拌等不同的測試條件，以滿足不同樣品的特殊測試要求。        

圖3  自動(dòng)模式控制

3．Winner2000Z型智能激光粒度儀的主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）測試電路、控制電路、超聲器、循環(huán)泵、進(jìn)水閥、排水閥、攪拌器均安置在儀器主機(jī)箱內(nèi)，儀器體積小，集成度高，便于運(yùn)輸、安裝和使用。

由于儀器集成度高，測試電路、控制電路及執(zhí)行裝置均在儀器主機(jī)箱內(nèi)，極易產(chǎn)生強(qiáng)、弱電信號(hào)之間的相互干擾，造成測試不穩(wěn)定現(xiàn)象。Winner2000Z通過提高檢測電路的抗干擾能力、降低和屏蔽控制電路的干擾；合理安排各部分安裝位置，規(guī)范電源線、信號(hào)線布線，合理接地等措施，有效的減小和消除了干擾，保證了測試的穩(wěn)定性。

（2）采用USB通訊，所有測試操作全部由計(jì)算機(jī)控制完成，自動(dòng)化程度高。除加入樣品外，測試人員始終操作計(jì)算機(jī)即可，不用對儀器進(jìn)行任何直接操作。可明顯減輕測試者的工作強(qiáng)度，提高工作效率。

在自動(dòng)模式下工作時(shí)，操作者只需完成啟動(dòng)程序、加入樣品、保存或打印測試結(jié)果幾項(xiàng)工作，操作極為簡單。

（3）控制程序人機(jī)界面直觀友好，使用方便，易于操作，并可自動(dòng)進(jìn)行界面切換。全部控制參數(shù)和測試條件的設(shè)置條目均放在同一界面上，不用更換界面便可一次完成所有設(shè)置。

所有操作的過程狀態(tài)均由進(jìn)程條動(dòng)態(tài)顯示，既能使操作者隨時(shí)掌握測試進(jìn)程，又增添了畫面的動(dòng)態(tài)感。        

進(jìn)人測試狀態(tài)后，控制界面會(huì)自動(dòng)隱藏，測試界面*展現(xiàn)，便于觀察測試過程。測試完畢，控制界面又會(huì)自動(dòng)彈出，省去了人工點(diǎn)擊的麻煩，體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)思想。如果需要，也可隨時(shí)點(diǎn)出控制界面。

智能校準(zhǔn)時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)提示操作步驟，給操作者提供zui大方便。

（4）具有人工和自動(dòng)兩種操作模式。

人工模式：可以人工手動(dòng)點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，控制測試過程和超聲器、循環(huán)泵、進(jìn)水閥、排水閥、攪拌器的工作狀態(tài)，符合傳統(tǒng)操作習(xí)慣。該模式適用于測試條件不明確或較難分散，測試不太穩(wěn)定樣品的測試，特別是研究性的測試。

自動(dòng)模式:可以對超聲器、循環(huán)泵、進(jìn)水閥、排水閥及攪拌器的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的狀態(tài)自動(dòng)完成測試過程。特別適用于測試條件較明確樣品的測試，可以保證測試條件的統(tǒng)一，消除由于不同操作者帶來的測試誤差。

（5）具有智能校準(zhǔn)功能。                                            -

加入標(biāo)準(zhǔn)樣品后，不需人工挪動(dòng)鏡頭、樣品窗或修改程序及校正參數(shù)，計(jì)算機(jī)利用先進(jìn)的智能化校正算 法，自動(dòng)消除測量誤差，完成儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)。

（6）能對測量結(jié)果自動(dòng)分析處理。

對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，自動(dòng)剔除不良結(jié)果，并對測試結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行綜合處理，免除了人工數(shù)據(jù)處理 的麻煩和失誤。

4. 測試使用情況

在保持測試條件基本一致的情況下，用3種不同樣品在人工模式和自動(dòng)模式下做測試對比，每種樣品在對應(yīng)模式下測3次，測試結(jié)果見表1，D₅₀重復(fù)性誤差對比見表2。

表1   3種不同樣品人工模式與自動(dòng)模式測試結(jié)果對比                         μm     

從對比結(jié)果來看，自動(dòng)測試效果優(yōu)于人工測試，說明自動(dòng)測試*可以滿足測試要求。

采用智能校準(zhǔn)功能，用D₅₀為13.2μm的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)YA101對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后校驗(yàn)3次，結(jié)果見表 3。從校準(zhǔn)后的校驗(yàn)結(jié)果可以看出，準(zhǔn)確度誤差小于0.5%。

表2    3種不同樣品人工模式與自動(dòng)模式測試D₅₀重復(fù)性誤差對比

表3  智能校準(zhǔn)前后測試結(jié)果比較

4. 結(jié)論

（1）Winner2000Z型智能激光粒度儀具有操作自動(dòng)化程度高和測試智能化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制下的自動(dòng)測試。

（2）對比測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，自動(dòng)測試效果優(yōu)于人工測試。

（3）采用先進(jìn)的智能化校正算法，實(shí)現(xiàn)了儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)。

（4）人性化的控制程序界面設(shè)計(jì)，簡單明了，便于操作。

（5）儀器設(shè)計(jì)高度集成，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

（6）作為智能型儀器，智能激光粒度儀還應(yīng)在以下幾方面繼續(xù)完善:建立知識(shí)庫，采用智能控制方法，實(shí)現(xiàn)全智能操作；在目前自動(dòng)測試的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)探測器的自動(dòng)對中、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)進(jìn)樣等功能， 實(shí)現(xiàn)*自動(dòng)化操作；具有自檢、自校準(zhǔn)和故障診斷功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張建民, 王濤, 王忠禮. 智能控制原理及應(yīng)用[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2003.

[2]  [英]T艾倫著, 喇華璞, 童三多,  施娟英譯. 顆粒大小測定 (第三版) [M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，1984.

[3] 王乃寧, 等. 顆粒粒徑的光學(xué)測量技術(shù)及應(yīng)用 [M]. 北京: 原子能出版社, 2000.

[4] 李華, 孫曉明, 李紅青, 等. MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1993.

[5] 王幸之, 鐘愛琴, 王雷, 等. AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

[6] 蕭世文. USB         2.0硬件設(shè)計(jì) [M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2002.

Winner2000Z Inligent Laser Particle Size Analyzer

JIANG Hai-ying, REN Zhong-jing

(Research Center of Particle Measurement Jinan University, Jinan 250022， China)

Abstract： Winner2000Z inligent laser particle size analyzer have the characteristics of high automation and inligent measuring. The design of instrument is integrated highly and the operating is simply. With USB communication, all test operations are controlled by the comput-er. Two operation mode, manual and automatic，and the function of inligent calibrating can be selected. For testing the different sample and meet the needs of the special test, the operator can preset the different test condition and operation mode. The integration performances of Win- ner2000Z reach the advanced level of the instrument of a sort.

Key words: laser particle size analysis; inligent; automatic test