一种智能型石墨炭化监测装置

1.本实用新型应用于工业生产过程控制领域，涉及一种石墨炭化系统的智能型石墨炭化监测装置，具体涉及对炉体内的机构进行改进，终端能实现对温度数据采集及监测，使得温度稳定；另外，进料和出料实现精确定量控制。


背景技术：

2.现有的常见的石墨炭化系统，采用人工送料进入炭化炉实现石墨粉的炭化，这种炭化方式的缺点在于：
3.(1)生产效率低，由于人工推进碳舟，效率低。
4.(2)进料机构占用空间大，导致整个石墨炭化系统占地面积大，对厂房等环境因素要求高。
5.(3)由于碳舟装载量有限，也导致生产效率低，产能低。
6.(4)由于加热时碳舟和石墨粉一并加热，因此，碳舟也耗费大量的热量，导致能耗居高不下，生产成本高。
7.而且，现有技术产能低，现有产量是120
‑
130kg/天；投资大，能耗高。
8.另外，还有一种半自动的石墨炭化系统，通过螺旋进料，送进炉体加热，这种方式，虽然能提高产能，但是仍存在控制不便等特点。
9.因此，有必要设计一种用于石墨炭化系统的智能型石墨炭化监测装置。


技术实现要素：

10.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种智能型石墨炭化监测装置，该智能型石墨炭化监测装置能全程监控系统工作，易于实施。
11.实用新型的技术解决方案如下：
12.一种智能型石墨炭化监测装置，包括mcu、触摸显示屏、数据采集模块和无线通信模块；触摸显示屏、数据采集模块和无线通信模块均与mcu相连；
13.数据采集模块包括温度检测模块和成品重量检测模块；
14.mcu的输出端口还连接有加热管驱动电机、用于驱动螺旋出料机构的步进电机和用于加热加热管的逆变器；
15.智能型石墨炭化监测装置用于监控石墨炭化加工进程，所述的加热管位于炭化炉中；螺旋出料机构位于炭化炉的出料端，加热管驱动电机用于驱动加热管旋转；
16.温度检测模块用于检测加热管温度，成品重量检测模块用于检测出料口输出现有成品的重量；
17.无线通信模块为3g、4g、5g通信模块。
18.智能型石墨炭化监测装置用于监控石墨炭化系统的工作过程。
19.炭化炉为圆筒形的卧式炉，加热管沿炭化炉的轴线设置，炭化炉以及加热管相对于水平面倾斜设置，倾斜角度为1～6度。
20.倾斜角度为3或5度。倾斜的作用，让石墨能在重力的作用下自动向前端滑动。避免前端的碳粉被液压推进机构压得很紧实，便于碳粉在加热管旋转的时候翻动。
21.炭化炉的前后端均设有轴承，加热管的两端插装在2个轴承中，炭化炉的前端设有用于驱动炭化炉的加热管驱动电机。驱动加热管旋转，作用在于使得加热管中碳粉能在旋转中翻搅，从而受热均匀，提高炭化纯度。
22.炭化炉的内腔中设有2块隔板，隔板垂直加热管设置，2块隔板将炭化炉内腔分为三个子空腔，加热管分三段设置，对应设置在该三个子空腔中，三段加热管用隔热材料连接；隔热材料优选陶瓷材料。
23.三段加热管分别由三个单独的逆变器供电。
24.三段子空腔中，中间段的温度值高于前端和后端的温度值。后段为预热段，中段为高温炭化段，前端为退热段。热效率高，避免热量损失。而且输出的碳粉温度较低。
25.加热管为双层加热管，内管与外管之间设有用于隔离的支架。作用在于辐射加热，加热更均匀，配合加热管旋转，搅动碳粉，使得碳粉受热均匀度更高。
26.mcu通过无线通信模块将现场参数上传到云服务器，加热管为碳管。
27.用于通过手机app访问云服务器实现远程监控。
28.电机的转轴上装有码盘，用于检测转速。
29.mcu为plc、dsp或单片机。mcu还连接有摄像头，用于视频监控。
30.有益效果：
31.本实用新型的智能型石墨炭化监测装置，具有以下特点：
32.(一)炉体以及加热管的特点：
33.(1)采用内外管的双层加热管的结构；
34.外管(加热管)与内管非直接接触，具有中空层，因此，外管(加热管)的发热通过辐射反射传导到内管，而不是直接传导，因此可以保障内管中的温度均一，从而在内管中，形成较为均一稳定的温度场，从而能保障石墨炭化的质量稳定。
35.(2)外观和内管之间设置支撑环
36.支持环采用瓷质或其他不利于导热的材质，如石棉等，这样，既能防止导热，又能支持内管，防止内管与外管太过接近，加之支持环为多个，从而在内管与外管之间形成均一的间距。
37.(3)炉体倾斜设置，以及碳管在电机的驱动下旋转；
38.有利于出料，而且有利于碳粉在碳管内翻动，从而受热更均匀，能提高纯度，这是本实用新型的核心所在。
39.(二)出料装置，具有以下特点：
40.(1)结构布局科学合理
41.在出料管下端设置基于螺旋推进机构的流量控制装置，在在出料管下方设置自动接料装置，结构紧凑，布局合理。
42.(2)能灵活调节流量
43.通过螺旋推进机构运行速度，能控制出料速度，另外，由于出口设置称重传感器(即重量传感器)，能实施检测出料口的成品重量。
44.(3)其他
45.通过背光调节电路调节显示屏的背光，通过通信模块与远程监控平台通信，实现远程监控。通过触摸显示屏设置参数，查看相关参数。发射管和接收管用于检测下料管与接料箱是否对准，当发射管和接收管对齐时，表示下料管与接料箱接近对准，再控制传输带运行固定的距离，就可以接料。出料口朝侧边开，出料口的底部设有压力传感器，用于感应积累的成品质量，压力传感器(重量传感器)与mcu相连，具体电路为现有成熟技术。
46.(三)液压推料装置，具有以下优势：
47.(1)采用液压推料机构，实现连续推料。而且，速度可控。
48.(2)料斗中具有搅拌放料机构，能防止石墨原料堵塞，保障生产稳定进行。
49.综上所述，本实用新型的液压推料装置，能保障系统连续稳定的不间断进料，且易于控制，有利于保障石墨炭化质量。
50.综上所述，该监控终端对应的石墨炭化系统结构紧凑，采用内外双管结构，能保持温度均一，从而保障石墨炭化的质量。
51.(四)用于石墨炭化系统的炉体冷却装置，具有以下特点：
52.(1)基于闭环控制炉外壁温度；
53.对炉体外壁尽快实施冷却散热，避免对外部的设备和人员造成伤害。
54.当温度过高时，增加变频器的频率，或者投入更多的水泵工作，达到显著降温的目的。具体控制策略及其实现方法为现有技术，如采用数字pid控制器等实现。水冷腔的外壁设有4个温度传感器，且关于加工炉的周向均匀布置。
55.采用多个的温度传感器检测温度，可以起到冗余检测，检测可靠性更高。
56.(2)余热利用
57.利用余热给碳粉预热，使得碳粉中的水分尽快挥发，并保持一定的干燥度，特别有利于碳粉(石墨)弹簧的最终质量保证，这是本实用新型的独创和关键点之一。
58.(3)采用可变放大倍数的放大电路实现炉体外的温度测量，使用灵活方便，且精度高。
59.这种用于石墨炭化系统的炉体冷却装置，能稳定工作，可靠性高，有利于保障炉体的长期使用，且有利于保障生产质量，适合推广实施。
60.综上所述，本实用新型的石墨炭化处理方案功能丰富，结构紧凑，自动化程度高，生产稳定，可靠性高，易于实施。
附图说明：
61.图1为石墨炭化加工炉的总体结构示意图；
62.图2为加热管的横截面示意图；
63.图3为内管及支撑环结构示意图；
64.图4为支撑环结构示意图；
65.图5为石墨提纯系统的电控框图；
66.图6为倾斜的炭化炉的总体结构示意图；
67.图7为下料推进机构的结构示意图；
68.图8为出料及自动化传送装置的总体结构示意图；
69.图9为出料装置控制电路框图；
70.图10为背光电路原理图；
71.图11为冷却装置的总体结构示意图；
72.图12为原料预热槽的横截面示意图；
73.图13为冷却电路的电原理框图；
74.图14为放大电路原理图；
75.图15为测温模块结构示意图。
76.标号说明：1
‑
炭化炉，2
‑
进料装置，3
‑
出料装置，4
‑
料斗；
77.11
‑
加热管，12
‑
炉体入口，13
‑
炉体出口，111
‑
加热管本体，112
‑
金属加强层；113
‑
支撑环，114
‑
内管，115
‑
环体，116
‑
凸起。
78.14
‑
炉壁，15
‑
主测温加热管，16
‑
主红外测温仪，17
‑
备用碳测温管，18
‑
备用红外测温仪，19
‑
温度传感器。
79.21
‑
螺旋推进器，51
‑
推进轴，52
‑
从动同步轮，53
‑
同步带，54
‑
步进电机，55
‑
电机座，56
‑
主动同步轮；
80.61
‑
水冷腔，62
‑
进水口，63
‑
出水口，64
‑
水管，65
‑
原料预热槽，66
‑
物料提升机构，67
‑
水箱，68
‑
水泵，69
‑
碳粉原料。
81.721
‑
接料箱，722
‑
传送带，723
‑
出料口，73
‑
接收管，79
‑
发射管。
具体实施方式
82.以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：
83.实施例1：
84.如图5，一种智能型石墨炭化监测装置，包括mcu、触摸显示屏、数据采集模块和无线通信模块；触摸显示屏、数据采集模块和无线通信模块均与mcu相连；
85.数据采集模块包括温度检测模块和成品重量检测模块；
86.mcu的输出端口还连接有加热管驱动电机、用于驱动螺旋出料机构的步进电机和用于加热加热管的逆变器；
87.智能型石墨炭化监测装置用于监控石墨炭化加工进程，所述的加热管位于炭化炉中；螺旋出料机构位于炭化炉的出料端，加热管驱动电机用于驱动加热管旋转；
88.温度检测模块用于检测加热管温度，成品重量检测模块用于检测出料口输出现有成品的重量；
89.无线通信模块为3g、4g、5g通信模块。
90.智能型石墨炭化监测装置用于监控石墨炭化系统的工作过程。
91.石墨炭化系统的核心是炭化炉；
92.石墨炭化系统包括包括炉体、进料装置和出料装置；炉体采用卧式炉体，进料装置设置在炉体的后端，出料装置设置在炉体的前端；进料装置中具有液压推料装置；
93.(一)加热管结构说明
94.炉体内设有加热管；加热管包括加热管11、内管114和支撑环113；内管插装在加热管内；支撑环为至少2个；支撑环设置在内管与加热管之间，支撑环套装在内管上；支撑管包括环体115和位于环体外壁的3个凸起116，环体为圆环型部件；所述的支撑环为3
‑
5个，沿内管的长度方向等间距布置；外管的内壁具有一个金属加强层112；凸起的外端为圆弧面。每
一个支撑环上具有3个凸起；3个凸起周向等分布置。金属加强层的厚度为2.5mm。
95.(二)进料控制：推料机构
96.进料控制装置为液压推料机构；液压缸周期性的动作，通过柱塞将料斗中漏下的碳粉推入炉体中。
97.(三)炉体温控装置及水冷装置
98.炉体温控装置包括测温探管、红外测温仪以及变流模块；测温探管用于导出炉体内的热量，红外测温仪输出的温度值与mcu的adc端相连；变流模块受控于mcu；所述的石墨炭化加工炉中沿石墨炭化加工炉的中轴线设有加热管11，加热管为双层加热管；石墨炭化加工炉的炉壁上设有4个安装孔；4个安装孔沿石墨炭化加工炉的周向均匀分布；每一个安装孔内插装有一个测温探管15；测温探管的内端伸入到加热管内部；测温探管的外端设有红外测温仪16；炉壁上还设有4个温度传感器19；红外测温仪和温度传感器均输出温度信号到mcu；水冷模块以及变流模块均与mcu相连；水冷模块水泵和循环水冷管网，变流模块包括整流器和逆变器。总共有3套测温机构，每一子空腔设置一套测温机构，每套测温机构包括2个主测温探管，2个备用测温探管，2个主红外测温仪，2个备用主红外测温仪和4个温度传感器；
99.炉体温控装置还包括水冷控制装置；水冷控制装置包括包括温度检测模块、放大电路、变频器和水泵；温度检测模块包括多个温度传感器，温度传感器通过放大电路与mcu的adc接口相连；变频器受控于mcu，变频器用于驱动水泵；水泵为3台，且并联设置；每台水泵由独立的变频器驱动；炭化炉的外壁设有水冷腔；水冷腔的顶部和底部分别设有出水口63和进水口62；进水口通过水泵68和水管64与用于存储冷却水的水箱相连；出水口通过水管与原料预热槽相连，原料预热槽与水箱通过水管相连；温度传感器设置在水冷腔和原料预热槽的外壁。
100.如图11～13，一种用于石墨炭化系统的炉体冷却装置，包括水箱、水泵、水冷腔和原料预热槽；
101.原料预热槽用于盛放碳粉原料；原料预热槽的底部和侧壁具有空腔；热水流经所述空腔，能对碳粉原料起到干燥的作用；
102.水冷腔位于炭化炉的外壁；水冷腔的顶部和底部分别设有出水口和进水口；进水口通过水泵和水管与水箱相连；出水口通过水管与原料预热槽相连，原料预热槽与水箱通过水管相连；
103.水泵为3台，且并联设置；每台水泵由独立的变频器驱动。
104.水冷腔和原料预热槽的外壁均设有温度传感器；温度传感器经放大电路与mcu的adc接口相连，变频器受控于mcu。
105.水冷腔的外壁均设有多个温度传感器。
106.石墨炭化系统具有料斗，原料预热槽与料斗之间具有斜坡式的物料提升机构。
107.物料提升机构为同步带式传输机构。
108.温控电路：
109.用于石墨炭化系统的炉体冷却控制电路，包括mcu、温度检测模块、放大电路、触摸显示屏、变频器和水泵；温度检测模块包括多个温度传感器，温度传感器通过放大电路与mcu的adc接口相连；变频器受控于mcu，变频器用于驱动水泵；水泵为3台，且并联设置；每台
水泵由独立的变频器驱动；触摸显示屏与mcu相连；放大电路为可调放大倍数的放大电路，温度传感器为热电偶。mcu为单片机、dsp或plc处理器。mcu还连接有触摸显示屏和无线通信模块；无线通信模块为3g，4g或5g通信模块。
110.(四)出料装置
111.参见图7和8，出料控制装置包括对准控制模块、下料控制模块和传输带控制模块；对准控制模块包括与mcu的io端口相连的发射管和接收管；触摸显示屏与mcu相连；下料控制模块包括螺旋推送机构；mcu通过步进电机驱动螺旋托送机构工作，将物料从侧部的出料口推出；电机受控于mcu；所述的发射管为多个，均设置在传送带上，接收管设置在下料管的平直段上。发射管和接收管用于检测下料管与接料箱是否对准，当发射管和接收管对齐时，表示下料管与接料箱接近对准，再控制传输带运行固定的距离，就可以接料。
112.(五)加工炉
113.参见6，炉体倾斜设置，炭化炉为圆筒形的卧式炉，加热管沿炭化炉的轴线设置，炭化炉以及加热管相对于水平面倾斜设置，倾斜角度为3或5度。倾斜的作用，让石墨能在重力的作用下自动向前端滑动。避免前端的碳粉被液压推进机构压得很紧实，便于碳粉在加热管旋转的时候翻动。炭化炉的前后端均设有轴承，加热管的两端插装在2个轴承中，炭化炉的前端设有用于驱动炭化炉的加热管驱动电机。驱动加热管旋转，作用在于使得加热管中碳粉能在旋转中翻搅，从而受热均匀，提高炭化纯度。炭化炉的内腔中设有2块隔板，隔板垂直加热管设置，2块隔板将炭化炉内腔分为三个子空腔，加热管分三段设置，对应设置在该三个子空腔中，三段加热管用隔热材料连接；隔热材料优选陶瓷材料。三段加热管分别由三个单独的逆变器供电。三段子空腔中，中间段的温度值高于前端和后端的温度值。后段为预热段，中段为高温炭化段，前端为退热段。热效率高，避免热量损失。而且输出的碳粉温度较低。加热管为双层加热管，内管与外管之间设有用于隔离的支架。作用在于辐射加热，加热更均匀，配合加热管旋转，搅动碳粉，使得碳粉受热均匀度更高。mcu通过无线通信模块将现场参数上传到云服务器，加热管为碳管。用于通过手机app访问云服务器实现远程监控。电机的转轴上装有码盘，用于检测转速。
114.参见图10，所述的背光调节电路包括led灯串、三极管、电位器rx和a/d转换器；三极管为npn型三极管；在控制箱上设有旋钮开关与电位器rx同轴相连；控制箱的前侧是触摸显示屏，内部具有电路板，电路板上设有mcu；
115.电位器rx和第一电阻r1串接形成分压支路，分压支路一端接电源正极vcc，分压支路的另一端接地；电位器rx和第一电阻r1的连接点接a/d转换器的输入端；a/d转换器的输出端接mcu的数据输入端口；
116.led灯串包括多个串接的led灯；led灯串的正极接电源正极vcc；led灯串的负极接三极管的c极，三极管的e极经第二电阻r2接地；三极管的b极的接mcu的输出端。电源正极vcc为5v，a/d转换器为8位串行输出型转换器。
117.mcu还连接有无线通信模块。
118.mcu为plc、dsp或单片机。
119.如图5，mcu为主控模块，首先，温度检测模块用于检测炉体中的温度，温度数据送入mcu；背光亮度调节电路是指触摸屏的背光亮度调节电路，为现有成熟技术。触摸显示屏与mcu连接，用于显示状态数据或进行参数设置。交流电经整流器后转换成直流电，再经过
逆变器进行调压给加热管加热；mcu输出脉冲控制逆变器工作，具体技术为现有成熟技术。mcu通过无线通信模块(如3g，4g，5g模块)输出状态信号到监控中心，实现远程监控。报警模块用于提供高温报警等。步进电机用于控制进料机构的进料速度，搅拌电机用于控制下料速度。
120.如图14，可调放大倍数的放大器包括运算放大器u1和多路开关u2；多路开关u2为四选一选择器；
121.温度传感器(或重量传感器)的输出端vin经电阻ro接运算放大器u1的反相输入端；运算放大器u1的同相输入端经电阻ro6接地，运算放大器u1的同向输入端还分别经4个电阻ro1
‑
ro4接四选一选择器的4个输入通道，四选一选择器的输出通道接运算放大器u1的输出端vout，vout接mcu的adc端；
122.mcu的2个输出端口分别接四选一选择器的通道选端a和b；
123.运算放大器u1采用lm358器件。
124.vout与vin的计算公式：
125.vout＝vin*(rx+ro)/ro；其中，rx＝ro1，ro2，ro3或ro4；基于选通端ab来确定选择哪一个电阻；且ro1，ro2，ro3和ro4各不相同；优选的ro4＝5*ro3＝25*ro2＝100*ro1；ro1＝5*ro。可以方便地实现量程和精度切换。
126.(六)提纯方法：
127.步骤1：下料及推料；
128.采用下料机构(带搅拌机构的料斗)以及液压推料机构，将碳粉原料沿着水平进料管推入卧式石墨炭化炉的双层加热管中；
129.步骤2：高温炭化；
130.碳粉在卧式石墨炭化炉的双层加热管中被加热；
131.步骤3：出料；
132.加热后的碳粉从卧式石墨炭化炉的出料管并经下料机构送至容器中。
133.具体的加热温度以及推料进度等设置为现有成熟技术。