粉體在線激光粒度分析系統(tǒng)的設(shè)計與實驗研究

  1、引言

  在水泥、硅膠等產(chǎn)品生產(chǎn)中，粒徑作為其中的一個關(guān)鍵參數(shù)，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)上粉體的粒度測試采用人工采制樣或機械采制樣，加人工實驗室化驗的方法，這種方法有很多的的缺點：1、取制樣誤差大，以局部代表整體過程，存在代表性問題；2、不在線，不實時，分析數(shù)據(jù)嚴重滯后；3、分析數(shù)據(jù)對實時生產(chǎn)過程指導意義不大，只能是一種補救措施。

  激光粒度測試儀器以其快速、準確、重復、方便等特點越來越多地被用于生產(chǎn)控制，隨著生產(chǎn)控制的進一步要求，離線測試已經(jīng)不能夠滿足要求，為了能夠得到連續(xù)的粒度測試結(jié)果，在線粒度測試系統(tǒng)漸漸成為成為了各大廠家關(guān)注的焦點。

  目前，國際上英國馬爾文、德國新帕泰克、中國微納顆粒等激光粒度儀廠家都推出了粉體在線激光粒度分析儀，本文就針對微納儀器的粉體在線激光粒度分析系統(tǒng)的設(shè)計與實驗結(jié)果進行深入的探討。

  2、系統(tǒng)構(gòu)成

  粉體在線激光粒度分析系統(tǒng)是可用于工業(yè)現(xiàn)場的粉體粒度分析系統(tǒng)，各項參數(shù)根據(jù)客戶應(yīng)用要求量身定制，本系統(tǒng)主要有以下幾部分構(gòu)成：主機系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、樣品分散系統(tǒng)、密封樣品窗口系統(tǒng)、回料系統(tǒng)、現(xiàn)場控制柜系統(tǒng)、遠程傳輸與顯示系統(tǒng)。本系統(tǒng)的主要功能是可以對流動的顆粒粒度分布進行實時監(jiān)測，并提供準確的控制信號。

  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。取樣器把粉體樣品從生產(chǎn)線管道中取出，通過卸料器傳給喂料器，喂料器均勻地把樣品送入樣品分散泵中,分散好的粉體樣品通過防堵反吹閥進入儀器主機，在保護氣的作用下通過樣品窗口，回料泵把測試過的粉體樣品送回到生產(chǎn)線管道中。測試過程中主機把測試到的粉體散射光譜實時地傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制柜，由安裝到現(xiàn)場控制柜PC平板中的在線粒度分析軟件通過反演運算得到粉體樣品的粒度分布，現(xiàn)場控制柜把得到的粒度分布數(shù)據(jù)一方面通過遠程通訊傳給中控PC，工作人員可根據(jù)粒度分布數(shù)據(jù)對生產(chǎn)線及時作出調(diào)整，也可直接傳輸給生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，直接調(diào)整生產(chǎn)線上的設(shè)備使其運轉(zhuǎn)到最佳位置?，F(xiàn)場控制柜中的PLC系統(tǒng)是整套系統(tǒng)的控制中心，能控制系統(tǒng)上每一個部件的開關(guān)，并對系統(tǒng)的運行實時監(jiān)控，對異常情況及時報警。

  圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  3、系統(tǒng)設(shè)計

  3.1 在線取樣系統(tǒng)

  從管道中取出具有代表性的樣品是實現(xiàn)粉體粒度在線測試的第一步，根據(jù)不同的粉體生產(chǎn)工藝，本設(shè)計提供兩種取樣系統(tǒng)：負壓取樣和螺旋取樣，負壓取樣主要應(yīng)用于飛灰式取樣，如火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣飛灰取樣，螺旋取樣主要應(yīng)用于粉料的取樣，如水泥在空氣斜槽中傳輸過程中的取樣。

  負壓取樣器由取樣管和噴射泵組成，取樣管插入工藝管道，通過特殊設(shè)計的取樣孔從氣固兩相流中取出具有代表性的樣品。噴射泵與取樣管相連，可以形成0.04MPa的負壓，將取樣管中的樣品吸出送到主機進行測試，噴射泵采用陶瓷內(nèi)芯，具有良好的耐磨特性。粉體在管道中傳輸過程中大小顆粒會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，因此應(yīng)采取多點取樣，本負壓取樣系統(tǒng)為運動式取樣，取樣器在運動控制箱的控制下從位置1到位置2作往復運動，在運動過程中連續(xù)取樣，保證了取出的樣品具有代表性。

  粉體運輸一般采用氣體輸送，管道中存在一定的正壓力或負壓了，螺旋取樣器只有在常壓下才能正常工作，因此在本設(shè)計中加入了旋轉(zhuǎn)卸料閥，能夠?qū)崿F(xiàn)空氣密封，保證螺旋取樣器的正常工作，取出的樣品進入到分散泵中分散后經(jīng)防堵反吹閥門進入主機進行測試。

  3.2 密封樣品窗口

  保持主機鏡頭，探頭的潔凈是保證在線儀器的連續(xù)運行的關(guān)鍵，本設(shè)計中采用全密封式樣品窗設(shè)計，一次保護氣對密封玻璃起到氣幕保護和吹掃的作用，二次保護氣保證密封窗口內(nèi)的氣體壓力平衡，避免樣品從噴射管中噴出時出現(xiàn)返料現(xiàn)象。

  3.3 測試系統(tǒng)

  測試系統(tǒng)主要由主機和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。

  主機系統(tǒng)包括光路部分、電路部分、機械密封部分，光路部分采用反傅立葉變換光路，全量程采用米氏散射理論。電路部分掃描速度1000次/秒, 每秒可顯示2個完整粒度分布（用戶可調(diào)）。

  儀器符合ISO13320標準，所有接口（采樣管，閥門，管道）及主機各個部位均采用夾套式接頭方便現(xiàn)場檢修。

  軟件系統(tǒng)專門為在線粒度監(jiān)測系統(tǒng)研制，軟件具有形象化的良好的人機界面，操作方便，運行可靠，安全性良好，為用戶自行定制輸出數(shù)據(jù)項目提供方便。

  3.4 遠程通訊系統(tǒng)

  在線激光粒度分析系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，在線控制系統(tǒng)用于現(xiàn)場測試的自動控制及報警，現(xiàn)場PC為在線粒度測試軟件的運行平臺，生產(chǎn)控制系統(tǒng)為粉體生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)，中控PC用于數(shù)據(jù)的顯示及遠程生產(chǎn)線控制。

  在線控制系統(tǒng)控制器采用PLC，能夠穩(wěn)定地控制各器件的依次啟動和依次關(guān)閉，并能夠接收粒度分布數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為4-20mA標準信號輸出，能夠與生產(chǎn)控制系統(tǒng)進行接口，用于生產(chǎn)設(shè)備控制，提供完善的報警裝置。如果在線設(shè)備出現(xiàn)問題則自動報警，并自動采取保護措施。

  現(xiàn)場PC采用一體式工控機進行數(shù)據(jù)的采集、處理、并實時顯示在線顆粒的粒度分布，與中控室終端采用光纖通訊，能夠保證在遠距離和電磁干擾的情況下穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)。

  圖2  通訊結(jié)構(gòu)圖

  4、系統(tǒng)應(yīng)用

  4.1 現(xiàn)場安裝

  圖3  現(xiàn)場安裝圖

  如圖3所示是微納公司為南京某水泥生產(chǎn)線定制的礦渣微粉在線粒度測試系統(tǒng)現(xiàn)場。本項目目的是為了在線24小時連續(xù)監(jiān)測梅寶公司成品的粒度分布數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)線提供調(diào)整依據(jù)。本項目分為以下幾個系統(tǒng)：

  1、在線取樣系統(tǒng)

  2、在線分散系統(tǒng)

  3、在線主機

  4、在線回料系統(tǒng)

  5、在線空氣凈化系統(tǒng)

  6、在線氣體分配系統(tǒng)

  7、PLC控制系統(tǒng)

  8、工業(yè)PC測試系統(tǒng)（含在線粒度監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件）

  9、遠程傳輸與顯示系統(tǒng)

  4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

  圖7 粒度分布圖

  圖8 粒度數(shù)據(jù)監(jiān)控圖

  5、結(jié)論

  針對在線粒度測試方面的技術(shù)難點，本文結(jié)合微納儀器在線粒度分析儀器進行了詳細的分析研究，初步研究結(jié)果表明在線取樣技術(shù)，封閉樣品窗技術(shù)，遠程通訊技術(shù)均滿足了粉體粒度在線測試的需求。