第３０卷第１期２００９年１月
仪
器
仪
表学报
ＶｏＬ３０Ｎｏ．１
Ｃｈｉｎｅｓｅ
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｊａｎ．２００９
煤胶质层自动测量系统研究
徐贵力１，嵇盛育１，王海滨１，吴昆明１，许正永２，张
（１南京航空航天大学自动化学院南京２１００１６；２常州华海智能设备开发有限公司
常州２１３０１６）
贺２
摘要：为了解决当前煤胶质层手工测量误差大、劳动强度高的问题，提出了一种实现自动测量的新方法。通过热电偶检测到煤样被加热到２５０℃以后，利用体积传感器和差分算法自动判断出煤样体积曲线为波峰或者波谷，然后启动机械手进行测量，同时利用机械手中的压力传感器检测行进在煤样中的探针所受阻力变化，再结合直线步进电机移动距离得到煤胶质层上下表层位置，最后利用最ｄｘ－－乘法拟合出上下表层的曲线，计算得到煤胶质层的最大厚度值。实验表明该自动测量系统的误差低于
０．５
ｍｍ，完全满足罔标要求。
关键词：煤；胶质层；自动测量中图分类号：ＴＨ７１
文献标识码：Ａ
国家标准学科分类代码：４６０．４０３
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｃｏａｌｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒ
ＸｕＧｕｉｌｉｌ，ＪｉＳｈｅｎｇｙｕｌ，ＷａｎｇＨａｉｂｉｎｌ，ＷｕＫｕｎｍｉｎ９１，ＸｕＺｈｅｎｇｙｏｎ９２，ＺｈａｎｇＨｅ２（ＪＣｏｌｌｅｇｅｏｆ
Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，胁ｎｊｉｎｇ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ
２１００１６，Ｃｈｉｎａ；
２ＣｈａｎｇｚｈｏｕＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＤｅｖｉｃｅ隗ｚＪＢ６叩，船眦ＣＯ．Ｌｔｄ．Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒ，ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｗｈｅｎｔｈｅｓａｍｐｌｅｏｆｃｏａｌｉｓｈｅａｔｅｄｔｏ２５０。Ｃ，ｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｉｔｓｖｏｌｕｍｅ
ｗａｖｅ
ａｒｅ
ｃｕｒｖｅ
ｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｖｏｌｕｍｅｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅｒｉｄｇｅａｎｄｔｒｏｕｇｈｏｆｔｈｅ
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ａｒｅ
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ｔｏｍ
ｂｏｔ—
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ａｒｅ
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ｓｍａｌｌｅｒｔｈａｎ０．５
ｍｍ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ；ｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
测定可以初步预测煤在焦炉中的结焦情况及生成焦炭的
１
引言
质量状况。
用胶质层指数评价煤质是前苏联的萨保什尼柯夫和
胶质层指数是煤质的一个重要指标。它反映了煤在受热过程中生成胶质体的数鼍，近似地表征工业炼焦的过程。胶质层测定方法是模拟１＝业焦炉条件，在恒压力下，对煤样进行单侧加热，使煤样形成自下而上递减的等温面，按着半焦、胶质体、煤样依次分布。通过胶质体的
收稿日期：２００７—１０
瓦西列维奇提出的。通过在实验室测定煤胶质层最大厚
度（ｙ值）、最终收缩度（ｘ值），分析测定过程中烟煤体积曲线形状、焦块特征和焦块抗碎能力等指标，来判断煤的结焦性。胶质层最大厚度（】，值）是作为评定烟煤结焦性的一项重要指标。
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ
Ｄａｔｅ：２００７—１０
万方数据
第１期徐贵力等：煤胶质层自动测量系统研究
２
自动测量系统的总体方案和工作过程
目前，国内外都是以手工进行测量，现有的手］二测量
煤胶质层的装置结构如图ｌ所示¨…。胶质层最大厚度（ｙ）值的测量是化验师通过探针和探针上的刻度尺。按照国标的工艺要求进行测量。当煤样被加热到２５０℃时，结合记录在鼓上的煤样体积变化形状（在波峰或者波谷时刻），把一根直径ｌｍｍ的带有刻度尺的探针插入煤样中，
当探针针尖所触及到煤粉、胶质体和半焦时，化验师的手
感不同，然后读取相应时刻刻度尺的数值，测量出此时胶质体的上下表层位置。大约每隔１０分钟结合煤样体积形状测量一次，直到煤样被加热７３０。Ｃ时，结束测量，最后利用样条尺绘出胶质体的上下表层曲线，再用刻度尺测量出最大厚度值。这个测量值主要是靠人的手感和经验得到的，具有一定的主观性，工作强度大＂。・。根据国标和化验师手工测量原理，本文提出一种全新的测量方法。
１底座；２体积变化记录鼓；３压力杆；４砝码；５硅碳棒；６炉体；７煤样杯；８热电偶；９压盘立杆；ｌＯ探针；
１１煤样；１２压力杆立柱
图１现有的煤胶质层测量装置结构示意图
Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍａｎｕａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
根据化验师的测量过程，可以认为测量的原理是探
针针尖所触及到煤粉、胶质体和半焦时，化验师的手感不同，记录刻尺的刻度，然后计算出胶质体的厚度。这样，
本文把测量原理描述为如图２所示的探针下扎过程中所
受阻力变化趋势图。
胶质体上袁层
胶质体下表层
图２探针在煤样中所受阻力的变化趋势图
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｎｇｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｍｏｖｉｎｇｐｒｏｂｅ
ｉｎｔｈｅ
ｓａｍｐｌｅｃｏａｌ
根据此原理图，本文设计了胶质层全自动测量系统，该系统结构示意图如图３所示．也就是在原来的手工测
万方数据
量装置基础上设计增加了全新的测量机械手、体积传感
器、温度传感器、输入输出数据卡和工业控制计算机。
３
２
ｌ１底座；２体移｛传感器；３压力杆；４砝码；５测鼍机械手；６称重传感器；７压盘立杆；８探针；９机械手安装平板；ｌＯ直线轴承和滑套；１１煤样杯；１２炉体；１３压力盘；１４，，压力杆立柱；１５煤样；１６热电偶；１７硅碳棒
图３煤胶质层自动测量系统结构示意网
Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
计算机通过输入输出数据卡连接着检测体积的位移
传感器、检测探针下扎过程中阻力变化的称莺传感器、限制和确定探针位置的限位开关、检测煤样温度的热电偶、
可控硅调压模块、使探针上下直线运动和产生震动的直线步进电机，及其使探针旋转的旋转电机。自动测量系统的工作过程如下：
１）计算机通过热电偶检测出被加热的煤样温度，再
通过ＰＩＤ算法来控制双向可控硅的通断，实现煤样温度的控制，当温度达到２５００Ｃ以后，利用安装在压杆上的体
积传感器检测出煤样体积的变化；
２）利用差分算法判断出煤样体积曲线为波峰或者波谷时，同时结合上次测量时问，开启直线步进电机推拉滑
块，使其匀速直线运动，波峰时测量胶质体上表层位置，波谷时测量胶质体上下表层位置，进行胶质层的自动测量；
３）计算机通过输入／输出数据卡实时采集称重传感
器的压力，在探针下扎时，根据探针所受到阻力的变化确定出胶质层的上下表层位置，也就是通过对应的步进电
机的脉冲序号．计算出煤胶质层的上下表层位置；
４）最后，在温度达到７３００Ｃ时停止测量，利用测量得
到的数据和最小二乘法拟合出上下表层的曲线，通过计算得到煤胶质层的最大厚度值（ｙ）。
３关键技术问题
３．１机械手的设计
根据图２探针下扎过程中所受阻力变化趋势图，要
求测量机械手能够模拟化验师的测量动作，也就是能够
上下直线运动，同时可以记录探针下扎过程中所受阻力
和高精度测量出胶质体上下表层位置，另外还要检测出胶质体的粘度，在探针退出时能够正反旋转，以避免带出胶质体破坏实验，影响测量精度。
仪器仪表学报第３０卷
根据以上设计要求，本文设计的测量机械手结构示意图如图４所示。把安装有探针的称重传感器固定在高精度导轨的滑块上，直线步进电机带动滑块上下运动，实现探针位置的高精度测量；为了测量定位和保护电机，探针驱动机构中安装了两对限位开关；为了测量胶质体粘度和避免带出胶质体，设计了可以使探针旋转的驱动部分，通过测量探针旋转电机功率大小，就能够得到胶质体的粘力。
１探针导管；２探针；３探针固定箍；４旋转联结机构；５旋转电机；６步进电机轴；７步进电机；８定位开关；９导轨；１０定位开关；“滑块；１２称莺传感器
图４测量机械手结构示意图
Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈａｎｄ
煤胶质层厚度测量系统主要由输入输出数据卡、加
关系如图５所示。
．・
Ｉ
热电偶
・‘＿一
硅碳棒加热元件
输
ｔ
工业入
控●卜
步进电机
，ｌ称重传感器
输
‘
制计——’
出算数
旋转电机Ｉ
，
煤样粘力测量
机
●
据卡
・
体积传感器
・
步进电机限位开关
图５电子测量系统
Ｆｉｇ．５Ｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
由图可知，该电子测量系统有加热控温部分、探针驱动和压力测量部分，以及胶质体粘力测控部分构成。工业控制计算机通过输入输出数据卡实现这３个测控部分的数据采集和控制功能，最终实现自动测量。
万方数据
３．３探针与压力盘测量孔对准问题
由于压力盘随煤样体积的变化而上下移动，这样给
探针对准压力盘上的测量孔带来了难度。研究发现压力
盘平行于煤杯，上下运动，而煤杯垂直于测量系统底座，也就是压力盘是始终垂直于测量系统底座直线运动，再根据极坐标定位原理，本文设计了把测量机械手垂直安装于测量系统底座的机构，该机构如图３所示，在底座上垂直安装一套直线轴承和滑套，在滑套上固定一平板，平
板上开有长方孔，测量机械手通过螺栓和长方孔固定在
平板上，这样能够实现机械手沿着直线轴承上下运动和转动，当松动螺栓时，也可以沿着长方孔平动，实现了根据极坐标原理的确定任意位置，该机构能够使测量机械
手的探针灵活方便地对准压力盘上的测量孔。３．４避免带出胶质的问题
由于有的煤样胶质体非常粘，当探针直接退出时就会带出胶质体，破坏实验，使实验无法完成。根据化验师测量经验，设计了探针旋转装置和胶质体粘度测控部分。在探针退出前，计算机控制旋转电机带动探针转动，通过测量旋转电机的功率，检测出胶质体粘度的大小，当胶质
粘度大于一定阈值时，计算机控制旋转电机正反旋转，直到检测到的粘度小于阈值，指令步进电机退出，同时步进电机上下震动，这样就很好地解决了探针退出时带出胶
质体的问题。
３．５判断体积形状的差分算法
设煤样体积变化曲线函数为．厂（￡），ｔ是时间，一阶
导数为，（ｔ），二阶导数为．厂，（ｆ）。
当时间点ｋ的一阶导数厂（后）＝０时，表示ｋ点为驻
点，此时，若厂（ｋ）＞０，则ｋ点为极小值，即为波谷，若
尸（ｋ）＜０，则ｋ点为极大值，即为波峰。
由于体积曲线数据是离散的，则一阶导数为：
厂（是）＝苁Ｋ＋１）一苁ｋ）
（１）
二阶导数为：
厂（ｋ）＝厂（Ｋ＋１）－ｙ（ｋ）（２）根据此差分算法能够判断出煤样体积处于波峰还是波谷，实验结果如图６所示。
图６
自动测量系统测量结果罔
Ｆｉｇ．６Ｔｈｅ
ｔｅｓｔ
ｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍ
３．２电子测量系统的构建
热控温部分、压力测量部分、胶质体粘度测量部分和体积测量部分组成。该系统的电子测量系统的构建及其逻辑
第１期
徐贵力等：煤胶质层自动测量系统研究
３．６上下表层点曲线拟合和最大厚度值的获得
为了比较精确的得到胶质体形成过程中的最大厚度值，本文利用最小二乘法对测量得到的胶质体上下表层数据进行了曲线拟合，然后计算得到上下表层的最大距
离值，也就是胶质体形成过程中的最大厚度值（ｙ）。
最ｄｘ＿＿－乘法的曲线拟合原理是所得拟合曲线的拟合数据与真实测量数据之间的差值平方和最小，拟合的阶数要小于测量点个数减一。根据实验经验可知胶质层上
下表层的变化是二阶的。
设曲线方程为：
ｙ＝Ⅱ。＋８ｌ茗＋Ⅱ２并２
（３）
式中：Ｙ为胶质层的厚度，石为实验的时间。
该自动测量系统自动测量的结果如图６所示。该图的体积曲线是通过计算机对煤样体积传感器检测的数据绘制而成；图中的胶质体上、下表层曲线是利用最小二乘法拟合得到的，曲线上每个圆点是通过计算测量机械手中的步进电机脉冲数得到的实际测肇位置点；胶质体最
大厚度值（Ｙ＝１７．９ｍｍ）是通过计算出上下表层曲线问
的最大值得到；图中体积收缩值（Ｘ＝３０．１ｍｍ）是通过计算实验开始时的煤样初始体积值与实验结束时体积值之
差得到。
按照国标中煤胶质层指数的测定方法，该系统做了同种煤样两次试验的结果平均相差在０．５ｍｍ之内。经过近百种煤样的测试，该自动测量系统适用于国标中的各种烟煤，测量值（ｙ）在２０ｍｍ以下时，测量误差低于
１删，测量值在２０
ｍｍ以上时，测量误差远低于２
ｍｍ，
完全满足国标中允许的误差，目前，该系统已经有多套成
功应用于煤行业。
表１胶质层最大厚度值测量结果
ＴａｂｌｅｌＴｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ
５结论
为了解决煤胶质层手工测量误差大、劳动强度高的
问题，本文提出了一种新的测量方法，也就是通过自动检
测探针在煤样中行进时所受阻力和测量机械手中步进电机位移来确定胶质体上下表层位置，从而实现自动测量。本文提出了该自动测量系统的总体方案和工作过程；设
万方数据
计了全新的测量机械手；构建了电子测量系统；设计了操作灵活方便的探针对孔机构，解决了对孔难的问题；提出
了利用旋转电机检测胶质体粘力大小的方法和探针退出时上下震动以解决带出胶质体的难题：最后利用最小二
乘法拟合出上下表层的曲线，通过计算得到煤胶质层的最大厚度值。实验表明该自动系统操作灵活方便，测量
的误差低于０．５ｍｍ，完全满足国标要求，而且已经得到成功应用。
参考文献
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ＣＡＳＡＬＭＤ．Ｉｎｆｌｕｅｎｅｅｏｆｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏａｌｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒ
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ｏｆｌａｙｅｒｅｄｃｏａｌ—ｐｌａｓｔｉｃｓ
ａｔ
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Ｋ［Ｊ］．
…
Ｐｒｏｂｌｅｍｙ
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ＧＡＯＳＨ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒｌｎ＃ｘｌｓｎｒｅ－
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。。
ＳＵＮ
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ＳＨＡＮＧ
ＱＬ，ＪＩＡＮＧ
Ｐ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
ｅｌｅｃｔｒｏ－
ｐｎｅｕｍａｔｉｃｖａｌｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｍａｌ
ｏｆＳｃｉｅｎ—
ｔｉｆｉｃ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００７，２８（４）：７２０－７２３．
作者简介
徐贵力，２００２于江苏大学获得博士学位，现为南京航空航天大学自动化学院测试计量与仪器专业副教授，主要研究方向为计算机测控技术与仪器、监测技术与自动化装置。
Ｅ．ｍａｉｌ：ｇｕｉｌｉｘｕ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
ＸｕＧｕｉｌｉｒｅｃｅｉｖｅｄｍａｓｔｅｒｄｅｇｒｅｅｉｎ２００２ｆｒｏｍ
Ｊｉａｎｇｓｕ
Ｕｎｉｖｅｒ－
ｓｉｔｙ．Ｈｅｉｓａｌｌ
ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒｉｎＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏ－
ｎａｕｔｉｃｓ
ａｎｄ
Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ
ｎＯＷ．Ｈｉｓｍａｉｎ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ
ａｌｅ
ｃｏｍｐｕｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ
ａｕｔｏｍａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．
Ｅ．ｍａｉｌ：ｇｕｉｌｉｘｕ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃａ
４测量结果
５组代表性的煤样试验，试验结果如表ｌ所示。
第３０卷第１期２００９年１月
仪
器
仪
表学报
ＶｏＬ３０Ｎｏ．１
Ｃｈｉｎｅｓｅ
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｊａｎ．２００９
煤胶质层自动测量系统研究
徐贵力１，嵇盛育１，王海滨１，吴昆明１，许正永２，张
（１南京航空航天大学自动化学院南京２１００１６；２常州华海智能设备开发有限公司
常州２１３０１６）
贺２
摘要：为了解决当前煤胶质层手工测量误差大、劳动强度高的问题，提出了一种实现自动测量的新方法。通过热电偶检测到煤样被加热到２５０℃以后，利用体积传感器和差分算法自动判断出煤样体积曲线为波峰或者波谷，然后启动机械手进行测量，同时利用机械手中的压力传感器检测行进在煤样中的探针所受阻力变化，再结合直线步进电机移动距离得到煤胶质层上下表层位置，最后利用最ｄｘ－－乘法拟合出上下表层的曲线，计算得到煤胶质层的最大厚度值。实验表明该自动测量系统的误差低于
０．５
ｍｍ，完全满足罔标要求。
关键词：煤；胶质层；自动测量中图分类号：ＴＨ７１
文献标识码：Ａ
国家标准学科分类代码：４６０．４０３
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｃｏａｌｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒ
ＸｕＧｕｉｌｉｌ，ＪｉＳｈｅｎｇｙｕｌ，ＷａｎｇＨａｉｂｉｎｌ，ＷｕＫｕｎｍｉｎ９１，ＸｕＺｈｅｎｇｙｏｎ９２，ＺｈａｎｇＨｅ２（ＪＣｏｌｌｅｇｅｏｆ
Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，胁ｎｊｉｎｇ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ
２１００１６，Ｃｈｉｎａ；
２ＣｈａｎｇｚｈｏｕＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＤｅｖｉｃｅ隗ｚＪＢ６叩，船眦ＣＯ．Ｌｔｄ．Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒ，ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｗｈｅｎｔｈｅｓａｍｐｌｅｏｆｃｏａｌｉｓｈｅａｔｅｄｔｏ２５０。Ｃ，ｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｉｔｓｖｏｌｕｍｅ
ｗａｖｅ
ａｒｅ
ｃｕｒｖｅ
ｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｖｏｌｕｍｅｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅｒｉｄｇｅａｎｄｔｒｏｕｇｈｏｆｔｈｅ
ｅｓｔｉｍａｔｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ｔｈｅｎ
ａｒｅ
ａ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈａｎｄｉＳｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｔｏｄｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｔｏｐ
ａｎｄｂｏｔｔｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｍｏｖｉｎｇｐｒｏｂｅｉｎ
ｔｈｅｓａｍｐｌｅｃｏａｌａｎｄｃｏｕｎｔｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｐｕｌｓｅｓｆｒｏｍｔｈｅｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒ．ＴｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎＣｕｒｖｅｓｆｏｒｔｈｅｔｏｐａｎｄ
ｔｏｍ
ｂｏｔ—
ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒ
ａｒｅ
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ｅｒｒｏｒ
ｏｂｔａｉｎｅｄ
ｔｈｒｏｕｇｈｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅａｎ
ｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｓ
ｓｍａｌｌｅｒｔｈａｎ０．５
ｍｍ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ；ｐｌａｓｔｉｃｌａｙｅｒ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
测定可以初步预测煤在焦炉中的结焦情况及生成焦炭的
１
引言
质量状况。
用胶质层指数评价煤质是前苏联的萨保什尼柯夫和
胶质层指数是煤质的一个重要指标。它反映了煤在受热过程中生成胶质体的数鼍，近似地表征工业炼焦的过程。胶质层测定方法是模拟１＝业焦炉条件，在恒压力下，对煤样进行单侧加热，使煤样形成自下而上递减的等温面，按着半焦、胶质体、煤样依次分布。通过胶质体的
收稿日期：２００７—１０
瓦西列维奇提出的。通过在实验室测定煤胶质层最大厚
度（ｙ值）、最终收缩度（ｘ值），分析测定过程中烟煤体积曲线形状、焦块特征和焦块抗碎能力等指标，来判断煤的结焦性。胶质层最大厚度（】，值）是作为评定烟煤结焦性的一项重要指标。
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ
Ｄａｔｅ：２００７—１０
万方数据
第１期徐贵力等：煤胶质层自动测量系统研究
２
自动测量系统的总体方案和工作过程
目前，国内外都是以手工进行测量，现有的手］二测量
煤胶质层的装置结构如图ｌ所示¨…。胶质层最大厚度（ｙ）值的测量是化验师通过探针和探针上的刻度尺。按照国标的工艺要求进行测量。当煤样被加热到２５０℃时，结合记录在鼓上的煤样体积变化形状（在波峰或者波谷时刻），把一根直径ｌｍｍ的带有刻度尺的探针插入煤样中，
当探针针尖所触及到煤粉、胶质体和半焦时，化验师的手
感不同，然后读取相应时刻刻度尺的数值，测量出此时胶质体的上下表层位置。大约每隔１０分钟结合煤样体积形状测量一次，直到煤样被加热７３０。Ｃ时，结束测量，最后利用样条尺绘出胶质体的上下表层曲线，再用刻度尺测量出最大厚度值。这个测量值主要是靠人的手感和经验得到的，具有一定的主观性，工作强度大＂。・。根据国标和化验师手工测量原理，本文提出一种全新的测量方法。
１底座；２体积变化记录鼓；３压力杆；４砝码；５硅碳棒；６炉体；７煤样杯；８热电偶；９压盘立杆；ｌＯ探针；
１１煤样；１２压力杆立柱
图１现有的煤胶质层测量装置结构示意图
Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍａｎｕａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
根据化验师的测量过程，可以认为测量的原理是探
针针尖所触及到煤粉、胶质体和半焦时，化验师的手感不同，记录刻尺的刻度，然后计算出胶质体的厚度。这样，
本文把测量原理描述为如图２所示的探针下扎过程中所
受阻力变化趋势图。
胶质体上袁层
胶质体下表层
图２探针在煤样中所受阻力的变化趋势图
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｎｇｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｍｏｖｉｎｇｐｒｏｂｅ
ｉｎｔｈｅ
ｓａｍｐｌｅｃｏａｌ
根据此原理图，本文设计了胶质层全自动测量系统，该系统结构示意图如图３所示．也就是在原来的手工测
万方数据
量装置基础上设计增加了全新的测量机械手、体积传感
器、温度传感器、输入输出数据卡和工业控制计算机。
３
２
ｌ１底座；２体移｛传感器；３压力杆；４砝码；５测鼍机械手；６称重传感器；７压盘立杆；８探针；９机械手安装平板；ｌＯ直线轴承和滑套；１１煤样杯；１２炉体；１３压力盘；１４，，压力杆立柱；１５煤样；１６热电偶；１７硅碳棒
图３煤胶质层自动测量系统结构示意网
Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
计算机通过输入输出数据卡连接着检测体积的位移
传感器、检测探针下扎过程中阻力变化的称莺传感器、限制和确定探针位置的限位开关、检测煤样温度的热电偶、
可控硅调压模块、使探针上下直线运动和产生震动的直线步进电机，及其使探针旋转的旋转电机。自动测量系统的工作过程如下：
１）计算机通过热电偶检测出被加热的煤样温度，再
通过ＰＩＤ算法来控制双向可控硅的通断，实现煤样温度的控制，当温度达到２５００Ｃ以后，利用安装在压杆上的体
积传感器检测出煤样体积的变化；
２）利用差分算法判断出煤样体积曲线为波峰或者波谷时，同时结合上次测量时问，开启直线步进电机推拉滑
块，使其匀速直线运动，波峰时测量胶质体上表层位置，波谷时测量胶质体上下表层位置，进行胶质层的自动测量；
３）计算机通过输入／输出数据卡实时采集称重传感
器的压力，在探针下扎时，根据探针所受到阻力的变化确定出胶质层的上下表层位置，也就是通过对应的步进电
机的脉冲序号．计算出煤胶质层的上下表层位置；
４）最后，在温度达到７３００Ｃ时停止测量，利用测量得
到的数据和最小二乘法拟合出上下表层的曲线，通过计算得到煤胶质层的最大厚度值（ｙ）。
３关键技术问题
３．１机械手的设计
根据图２探针下扎过程中所受阻力变化趋势图，要
求测量机械手能够模拟化验师的测量动作，也就是能够
上下直线运动，同时可以记录探针下扎过程中所受阻力
和高精度测量出胶质体上下表层位置，另外还要检测出胶质体的粘度，在探针退出时能够正反旋转，以避免带出胶质体破坏实验，影响测量精度。
仪器仪表学报第３０卷
根据以上设计要求，本文设计的测量机械手结构示意图如图４所示。把安装有探针的称重传感器固定在高精度导轨的滑块上，直线步进电机带动滑块上下运动，实现探针位置的高精度测量；为了测量定位和保护电机，探针驱动机构中安装了两对限位开关；为了测量胶质体粘度和避免带出胶质体，设计了可以使探针旋转的驱动部分，通过测量探针旋转电机功率大小，就能够得到胶质体的粘力。
１探针导管；２探针；３探针固定箍；４旋转联结机构；５旋转电机；６步进电机轴；７步进电机；８定位开关；９导轨；１０定位开关；“滑块；１２称莺传感器
图４测量机械手结构示意图
Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈａｎｄ
煤胶质层厚度测量系统主要由输入输出数据卡、加
关系如图５所示。
．・
Ｉ
热电偶
・‘＿一
硅碳棒加热元件
输
ｔ
工业入
控●卜
步进电机
，ｌ称重传感器
输
‘
制计——’
出算数
旋转电机Ｉ
，
煤样粘力测量
机
●
据卡
・
体积传感器
・
步进电机限位开关
图５电子测量系统
Ｆｉｇ．５Ｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
由图可知，该电子测量系统有加热控温部分、探针驱动和压力测量部分，以及胶质体粘力测控部分构成。工业控制计算机通过输入输出数据卡实现这３个测控部分的数据采集和控制功能，最终实现自动测量。
万方数据
３．３探针与压力盘测量孔对准问题
由于压力盘随煤样体积的变化而上下移动，这样给
探针对准压力盘上的测量孔带来了难度。研究发现压力
盘平行于煤杯，上下运动，而煤杯垂直于测量系统底座，也就是压力盘是始终垂直于测量系统底座直线运动，再根据极坐标定位原理，本文设计了把测量机械手垂直安装于测量系统底座的机构，该机构如图３所示，在底座上垂直安装一套直线轴承和滑套，在滑套上固定一平板，平
板上开有长方孔，测量机械手通过螺栓和长方孔固定在
平板上，这样能够实现机械手沿着直线轴承上下运动和转动，当松动螺栓时，也可以沿着长方孔平动，实现了根据极坐标原理的确定任意位置，该机构能够使测量机械
手的探针灵活方便地对准压力盘上的测量孔。３．４避免带出胶质的问题
由于有的煤样胶质体非常粘，当探针直接退出时就会带出胶质体，破坏实验，使实验无法完成。根据化验师测量经验，设计了探针旋转装置和胶质体粘度测控部分。在探针退出前，计算机控制旋转电机带动探针转动，通过测量旋转电机的功率，检测出胶质体粘度的大小，当胶质
粘度大于一定阈值时，计算机控制旋转电机正反旋转，直到检测到的粘度小于阈值，指令步进电机退出，同时步进电机上下震动，这样就很好地解决了探针退出时带出胶
质体的问题。
３．５判断体积形状的差分算法
设煤样体积变化曲线函数为．厂（￡），ｔ是时间，一阶
导数为，（ｔ），二阶导数为．厂，（ｆ）。
当时间点ｋ的一阶导数厂（后）＝０时，表示ｋ点为驻
点，此时，若厂（ｋ）＞０，则ｋ点为极小值，即为波谷，若
尸（ｋ）＜０，则ｋ点为极大值，即为波峰。
由于体积曲线数据是离散的，则一阶导数为：
厂（是）＝苁Ｋ＋１）一苁ｋ）
（１）
二阶导数为：
厂（ｋ）＝厂（Ｋ＋１）－ｙ（ｋ）（２）根据此差分算法能够判断出煤样体积处于波峰还是波谷，实验结果如图６所示。
图６
自动测量系统测量结果罔
Ｆｉｇ．６Ｔｈｅ
ｔｅｓｔ
ｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍ
３．２电子测量系统的构建
热控温部分、压力测量部分、胶质体粘度测量部分和体积测量部分组成。该系统的电子测量系统的构建及其逻辑
第１期
徐贵力等：煤胶质层自动测量系统研究
３．６上下表层点曲线拟合和最大厚度值的获得
为了比较精确的得到胶质体形成过程中的最大厚度值，本文利用最小二乘法对测量得到的胶质体上下表层数据进行了曲线拟合，然后计算得到上下表层的最大距
离值，也就是胶质体形成过程中的最大厚度值（ｙ）。
最ｄｘ＿＿－乘法的曲线拟合原理是所得拟合曲线的拟合数据与真实测量数据之间的差值平方和最小，拟合的阶数要小于测量点个数减一。根据实验经验可知胶质层上
下表层的变化是二阶的。
设曲线方程为：
ｙ＝Ⅱ。＋８ｌ茗＋Ⅱ２并２
（３）
式中：Ｙ为胶质层的厚度，石为实验的时间。
该自动测量系统自动测量的结果如图６所示。该图的体积曲线是通过计算机对煤样体积传感器检测的数据绘制而成；图中的胶质体上、下表层曲线是利用最小二乘法拟合得到的，曲线上每个圆点是通过计算测量机械手中的步进电机脉冲数得到的实际测肇位置点；胶质体最
大厚度值（Ｙ＝１７．９ｍｍ）是通过计算出上下表层曲线问
的最大值得到；图中体积收缩值（Ｘ＝３０．１ｍｍ）是通过计算实验开始时的煤样初始体积值与实验结束时体积值之
差得到。
按照国标中煤胶质层指数的测定方法，该系统做了同种煤样两次试验的结果平均相差在０．５ｍｍ之内。经过近百种煤样的测试，该自动测量系统适用于国标中的各种烟煤，测量值（ｙ）在２０ｍｍ以下时，测量误差低于
１删，测量值在２０
ｍｍ以上时，测量误差远低于２
ｍｍ，
完全满足国标中允许的误差，目前，该系统已经有多套成
功应用于煤行业。
表１胶质层最大厚度值测量结果
ＴａｂｌｅｌＴｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ
５结论
为了解决煤胶质层手工测量误差大、劳动强度高的
问题，本文提出了一种新的测量方法，也就是通过自动检
测探针在煤样中行进时所受阻力和测量机械手中步进电机位移来确定胶质体上下表层位置，从而实现自动测量。本文提出了该自动测量系统的总体方案和工作过程；设
万方数据
计了全新的测量机械手；构建了电子测量系统；设计了操作灵活方便的探针对孔机构，解决了对孔难的问题；提出
了利用旋转电机检测胶质体粘力大小的方法和探针退出时上下震动以解决带出胶质体的难题：最后利用最小二
乘法拟合出上下表层的曲线，通过计算得到煤胶质层的最大厚度值。实验表明该自动系统操作灵活方便，测量
的误差低于０．５ｍｍ，完全满足国标要求，而且已经得到成功应用。
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ＳＨＡＮＧ
ＱＬ，ＪＩＡＮＧ
Ｐ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
ｅｌｅｃｔｒｏ－
ｐｎｅｕｍａｔｉｃｖａｌｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｍａｌ
ｏｆＳｃｉｅｎ—
ｔｉｆｉｃ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００７，２８（４）：７２０－７２３．
作者简介
徐贵力，２００２于江苏大学获得博士学位，现为南京航空航天大学自动化学院测试计量与仪器专业副教授，主要研究方向为计算机测控技术与仪器、监测技术与自动化装置。
Ｅ．ｍａｉｌ：ｇｕｉｌｉｘｕ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
ＸｕＧｕｉｌｉｒｅｃｅｉｖｅｄｍａｓｔｅｒｄｅｇｒｅｅｉｎ２００２ｆｒｏｍ
Ｊｉａｎｇｓｕ
Ｕｎｉｖｅｒ－
ｓｉｔｙ．Ｈｅｉｓａｌｌ
ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒｉｎＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏ－
ｎａｕｔｉｃｓ
ａｎｄ
Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ
ｎＯＷ．Ｈｉｓｍａｉｎ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ
ａｌｅ
ｃｏｍｐｕｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ
ａｕｔｏｍａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．
Ｅ．ｍａｉｌ：ｇｕｉｌｉｘｕ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃａ
４测量结果
５组代表性的煤样试验，试验结果如表ｌ所示。