高浓度粉料在线粒径光学监测系统.pdf

一种特别是一种高浓度粉料在线粒径光学监测系统，用于监测技术领域。本发明包括：自动等速采样、粉料浓度稀释、粉料粒径光学测量、样品回送模块、清洁流体源、计算机、粒径信号输出电路，自动等速采样模块、样品回送模块都连接在粉料生产线上，自动等速采样模块、粉料浓度稀释模块、粉料粒径光学测量模块、样品回送模块之间由管道依次连接，清洁流体源通过管道同粉料浓度稀释模块和粉料颗粒光学测量模块相连接，粉料颗粒光学测量模块通过电路同粉料浓度稀释模块和计算机相连，计算机同粒径信号输出电路相连。本发明具有测量对象广、适应性强、测量范围宽、实时性好等优点。

1、  一种高浓度粉料在线粒径光学监测系统，包括：粉料粒径光学测量模块(3)、清洁流体源(5)、计算机(6)，其特征在于还包括：自动等速采样模块(1)、粉料浓度稀释模块(2)、样品回送模块(4)和粒径信号输出电路(7)，自动等速采样模块(1)一端连接到粉料生产设备，另一端同粉料浓度稀释模块(2)的入口管道相连，粉料浓度稀释模块(2)的出口管道同粉料粒径光学测量模块(3)的入口端管道相连，粉料粒径光学测量模块(3)的出口管道同样品回送模块(4)通过管道相连接，样品回送模块(4)的出口端管道连接到粉料生产设备，清洁流体源(5)通过管道同粉料浓度稀释模块(2)和粉料颗粒光学测量模块(3)相连接，粉料颗粒光学测量模块(3)通过电路同粉料浓度稀释模块(2)和计算机(6)相连，计算机(6)同粒径信号输出电路(7)相连。

2、  根据权利要求1所述的高浓度粉料在线粒径光学监测系统，其特征是，自动等速采样模块(1)由等速采样管(8)、微压变送器(9)、功放电路(10)、真空泵(11)组成，等速采样管(8)直接与真空泵(11)连接，微压变送器(9)上的压力传感器同等速采样管(8)内外壁上的测压孔相连，微压变送器(9)标准电信号输出电路直接同功放电路(10)相连，功放电路(10)的输出连接在真空泵(11)，真空泵(11)的出口管道构成了自动等速采样模块(1)的出口。

3、  根据权利要求1所述的高浓度粉料在线粒径光学监测系统，其特征是，粉料浓度稀释模块(2)由流量调节阀(13)、样品输送管道(14)、第一清洁流体管道(15)、混合管(16)组成，样品输送管道(14)前端同自动等速采样模块(1)的出口管道相连接，另一端同混合管(16)连接，混合管(16)的末端构成了该模块的出口，第一清洁流体管道(15)同清洁流体源(5)相连，另一端经过流量调节阀(13)同混合管(16)相通。

4、  根据权利要求1所述的高浓度粉料在线粒径光学监测系统，其特征是，粉料粒径光学测量模块(3)由管式测量段(17)、激光发射端(18)、透射光接收端(19)、第二清洁流体管道(20)、运算电路(21)、A/D转换电路(22)、浓度信号电路(23)组成，管式测量段(17)进口同粉料浓度稀释模块(2)的出口管道直接连接，激光发射端(18)和透射光接收端(19)同轴设置在管式测量段(17)的进口和出口之间的两侧，第二清洁流体管道(20)连接着清洁流体源(5)和激光发射端(18)、透射光接收端(19)的前端，激光发射端(18)和透射光接收端(19)上均有光电信号通过导线输入到运算电路(21)，运算电路(21)输出线路一路同浓度信号电路(23)连接，另一路输入到A/D转换电路(22)。

5、  根据权利要求4所述的高浓度粉料在线粒径光学监测系统，其特征是，管式测量段(17)中部的两侧开设同轴小孔(26)，该同轴小孔(26)轴线位于测量段管道的横截面内，激光发射端(18)和透射光接收端(19)分别设置在小孔(26)的两侧，在小孔(26)与激光发射端(18)或透射光接收端(19)连接处，安装有密封玻璃(27)。    

6、  根据权利要求1所述的高浓度粉料在线粒径光学监测系统，其特征是，粉料回送模块(4)由输送管道(24)和输送泵(25)组成，其连接方式为：输送管道(24)的输入端同粉料粒径光学测量模块(3)的管式测量段(17)相连接，另一端连接到生产线上，输送泵(25)跨接其间。

高浓度粉料在线粒径光学监测系统
技术领域
本发明涉及一种在线粒径光学监测系统，特别是一种高浓度粉料在线粒径光学监测系统，用于监测技术领域。
背景技术
粉料涉及众多工业生产部门，如化工生产中许多材料都以粉体形式存在并进行化学反应，在这类工业生产过程中，粉料颗粒粒径对生产效率、产品质量乃至生产过程安全性都有影响，所以现代工业生产中对粉料的在线监测要求越来越高。由于粉料涉及众多工业生产领域，近几十年来国内外大学、科研机构和公司在这一方面开展了研究工作，开发出了一些颗粒在线监测技术和仪器，其中有些已经实现商品化和系列化，在这些商品化的仪器中，主要测量参数为浓度，能够测量粒径的并不多。特别对于高浓度粉料，由于涉及的问题和技术难点多，仅有极少数的仪器能够胜任。
经对现有技术文献的检索发现，作者杨玉颖等刊登在《现代科学仪器》2002年第3期上的“LS230激光粒度仪及其应用”介绍了激光衍射式颗粒测量技术在粉体材料学中的应用。该粒度仪利用衍射式光学颗粒测量技术，激光照射到颗粒样品上，由于颗粒对光的衍射作用，激光在颗粒表明发生偏转，衍射光能的分布同颗粒大小有直接关系。粒度仪利用环形光电转换器测量衍射光在不同直径环形面积上的光能分布，实测光能分布数据输入到计算机并由计算机根据光散射理论进行处理，给出颗粒大小和分布，该粒度仪上采用了双镜头及偏振光强度差专利技术，在提高仪器操作性的同时，保证了测量结果的精度。这种测量系统在使用中有如下不足之处：仪器结构复杂，需要用环形光电转换器进行信号光接收，因而成本较高；仪器调节难度大，对环境要求较高，特别是对震动等环境因素特别敏感；需要接收颗粒的衍射光，所需激光光束较粗、接收镜头尺寸大，在线监测附着性很强的粉料对象时，光窗保护难度大；使用不够灵活，如果被测对象浓度高，只能首先通过采样对样品进行离线测量；在对有毒颗粒进行测量时，需要非常完备的防护措施。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高浓度粉料在线粒径光学监测系统。使其具有测量对象广、可测粒径范围宽、环境适应性强和使用过程自动化的优点。本发明可对气固、液固多相流中粉料颗粒实施在线粒径监测，特别是应用于工业生产过程监测时，不受高粉料浓度限制；可测粒径范围可以含概2微米到2毫米范围；系统耐受力强，可工作于恶劣环境下；监测过程由计算机统一协调，自动化程度高，并可为生产控制系统提供有关粉料粒径变化的实时信息。
本发明通过以下技术方案实现的，本发明包括：自动等速采样模块、粉料浓度稀释模块、粉料粒径光学测量模块、样品回送模块、清洁流体源、计算机、粒径信号输出电路。其连接方式：自动等速采样模块一端连接到粉料生产设备并采集颗粒样品进入检测系统内部，自动等速采样模块的出口管道同粉料粒径光学测量模块的入口端管道相连，粉料粒径光学测量模块的出口管道同样品回送模块通过管道相连接，样品回送模块的出口端管道连接着粉料生产设备，用于将完成测量的颗粒试样送回粉料生产线内。从清洁流体源引出两个管道分别同自动等速采样模块和粉料粒径光学测量模块相连，为后两者提供稀释粉料样品和保护光学器件的清洁流体。计算机上连接有两条信号电路，其一是粉料粒径光学测量模块测量得到的原始光电信号，该信号通过导线传输到计算机，由计算机根据光学理论计算出粉料颗粒粒径；另一是粒径信号输出电路，根据粉料生产要求，由计算机将粒径测量结果转换为相应的标准信号输出，该输出信号可供其他生产部门使用。
自动等速采样模块由等速采样管、微压变送器、功放电路、真空泵及相应连接管道组成。等速采样管通过管道与真空泵相连接，真空泵的出口管道构成了自动等速采样模块的出口。等速采样管的内外壁上的测压孔同微压变送器相连，微压变送器将测压孔的压差变换为标准电信号，该电信号作为控制信号输入功放电路，由功放电路驱动真空泵，实现等速采样过程。
等速采样管利用真空泵抽取的真空吸取粉料样品，真空度的大小控制着样品进入等速采样管的速度。等速采样管的内、外壁面上带有静压测孔，微压变送器将等速采样管内外壁面间的压力差转换为标准电信号输入到功放电路，由功放电路驱动真空泵并控制其真空度，由此控制等速采样管吸入多相流的速度，使管内外的多相流速度相等，完成等速采样。等速采样使采集到的粉料颗粒样品具有代表性，保证监测系统为生产控制系统提供粒径信息的可靠性。
粉料浓度稀释模块由流量调节阀、样品输送管道、第一清洁流体管道、混合管组成。自动等速采样模块出口管道直接与粉料浓度稀释模块的样品输送管道相连，样品输送管道同直径较大的混合管连接。第一清洁流体管道同清洁流体源相连，经过流量调节阀后另一端与混合管连接，采集的样品和清洁流体在混合管内混合均匀后，流向粉料粒径光学测量模块。在该模块中，从自动等速采样模块输入的粉料样品经过样品输送管道，与清洁流体一同输入到混合管内，两者充分混合并最大程度降低粉料间团聚后，向下游的粉料粒径光学测量模块输出。其中清洁流体流量由流量调节阀控制，流量调节阀的控制信号取自粉料粒径光学测量模块。
粉料粒径光学测量模块由管式测量段、激光发射端、透射光接收端、第二清洁流体管道、运算电路、A/D转换电路、浓度信号电路组成。粉料浓度稀释模块的出口管道直接与管式测量段连接，管式测量段的出口管道构成了本模块的出口，与样品回送模块的入口管道相连，激光发射端和透射光接收端同轴安装在管式测量段的两侧。第二清洁流体管道一端同清洁流体源相连，另一端分别同激光发射端、透射光接收端与管式测量段上的连接段相连接。激光发射端和透射光接收端上引出的信号线一同输入到运算电路，运算电路输出线路一路同浓度信号电路连接，另一路输入到A/D转换电路。
激光发射端和透射光接收端分别安装在管式测量段的两侧，当粉料颗粒以合适的浓度通过管式测量段时，激光发射端射出的平行光束穿越粉料颗粒，被透射光接收端接收，该透射光信号与激光发射端的参考光信号经过光电转化，一起输入到运算电路进行商运算，合成信号不单含有计算粉料颗粒粒径所需信息，同时也反映出被测粉料的浓度。该合成信号分为两路：一路经过A/D转换电路后输入计算机，用于计算粉料颗粒的粒径；另一路作为控制信号通过浓度信号电路输出到粉料浓度稀释模块，粉料浓度稀释模块中的流量调节阀根据此信号调节清洁流体的流量，从而控制管式测量段内粉料浓度。第二清洁流体管道将清洁流体分别引入激光发射端和透射光接收端同管式测量段连接段的腔体内，清洁流体由此处向管式测量段排出从而形成射流，起到将粉料颗粒同光窗隔离的作用，防止粉料物质污染光学器件表面，通过控制清洁流体的射流速度减少它对测量工作的负面影响。
粉料回送模块由输送管道和输送泵组成，输送管道一端同粉料粒径光学测量模块的管式测量段相连接，另一端根据具体生产情况连接到生产线上，输送泵跨接其间。样品回送模块的作用是将被测样品重新回送到粉料生产线内部，防止粉料颗粒对周围环境和设备可能的污染。输送泵提供必要的动力，使测试完的样品顺利回送入生产线。
清洁流体系指粉料散布其中的、纯的光学透明流体介质，清洁流体源是能够提供或产生这种流体的源，如工业生产线上的仪表风管道、化工反应中的液体溶剂罐等。清洁流体源通过管道同粉料浓度稀释模块和粉料粒径光学测量模块连接，提供用于稀释被测颗粒浓度和保护光学器件地流体。
计算机连接有两条信号线路，一是粉料颗粒光学测量模块的A/D转换电路输入线路，另一是粒径信号输出电路。计算机根据输入信号计算粉料的粒径，同时根据生产过程要求，将得到的粉料颗粒粒径换算成规定的标准信号，由粒径信号输出电路输出，供其他生产部门使用。
本发明采用了粉料浓度稀释模块自动稀释粉料样品的浓度，使测量工作根据生产过程中浓度变化情况实时、自动地调节管式测量段内粉料浓度，因而具有测量极浓稠复杂流形多相流的特点；监测对象广，无论是气固流和液固流，只要通过管道输送粉料的介质(气相或液相)光学透明，就可用本发明实施监测；可测粒径范围宽，可根据生产情况调换不同测量范围的光学测量装置，改变监测系统可测粒径范围；实时性好，由于本系统直接安装在粉料生产线上，能够随时反映生产过程中粉料粒径的变化情况，能够提供实时信号；使用方便，系统基本上可以利用现有生产线上的采样孔，无需对生产线进行大调整即可投入使用；不涉及放射性元素和高电压等潜在的危险因素，使用安全；对环境要求低，利用透射光信号作为测量信号源，通光孔可以做得很小，有利于监测系统自身的保护。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2本发明粉料粒径光学测量模块中管式测量段、激光发射端、透射光接收端和清洁流体通道示意图
图3本发明粉料粒径光学测量模块中激光发射端的正剖视图
图4本发明粉料粒径光学测量模块中激光发射端的侧剖视图
图5本发明粉料粒径光学测量模块中透射光接收端的正面剖视图
具体实施方式
如图1-图5所示，本发明包括：自动等速采样模块1、粉料浓度稀释模块2、粉料粒径光学测量模块3、样品回送模块4、清洁流体源5、计算机6、粒径信号输出电路7。其连接关系为：自动等速采样模块1一端连接到粉料生产设备，另一端同粉料浓度稀释模块2的入口管道相连，粉料浓度稀释模块2的出口管道同粉料粒径光学测量模块3的入口端管道相连，粉料粒径光学测量模块3的出口管道同样品回送模块4通过管道相连接，样品回送模块4的出口端管道连接到粉料生产设备，清洁流体源5通过管道同粉料浓度稀释模块2和粉料颗粒光学测量模块3相连接，粉料颗粒光学测量模块3通过电路同粉料浓度稀释模块2和计算机6相连，计算机6同粒径信号输出电路7相连。
自动等速采样模块1由等速采样管8、微压变送器9、功放电路10、真空泵11组成。等速采样管8直接与真空泵11连接，微压变送器9上的压力传感器同等速采样管8内外壁上的测压孔相连，微压变送器9标准电信号输出电路直接同功放电路10相连，功放电路10的输出连接在真空泵11，真空泵11的出口管道构成了自动等速采样模块1的出口。等速采样管8内外壁上开有测压孔12，这两个压力分别传递到微压变送器9中，当采样在等速条件下进行时，等速采样管内外的两个静压孔测得的压力相等，否则存在压差。微压变送器9将非等速采样过程产生的静压差转换为标准电信号，此电信号作为控制信号驱动功放电路10，驱动真空泵11工作状态，以此改变管道内的真空度，调节等速采样管8内流体的流动速度，实现等速采样。由自动等速采样模块1采集的粉料样品通过连接管道送入粉料浓度稀释模块2。
粉料浓度稀释模块2由流量调节阀13、样品输送管道14、第一清洁流体管道15、混合管16组成。样品输送管道14前端同自动等速采样模块1的出口管道相连接，另一端同混合管16连接，混合管16的末端构成了该模块的出口。第一清洁流体管道15连接着清洁流体源5和混合管16，该管道中的清洁流体流量由调节阀13控制，控制信号由粉料粒径光学测量模块3通过导线输入。样品输送管道14粉料样品被引入混合管16内；第一清洁流体管道15同清洁流体源5相连，另一端经过流量调节阀13同混合管16相通，样品和清洁流体在混合管16内充分混合，在消除粉料的团聚后被送入粉料粒径光学测量模块3的管式测量段17。流量调节阀13根据粉料粒径光学测量模块3中浓度信号电路23提供的信号控制其开度，使从清洁流体源5流入的清洁流体流量满足测量对样品浓度稀释的要求。
粉料粒径光学测量模块3由管式测量段17、激光发射端18、透射光接收端19、第二清洁流体管道20、运算电路21、A/D转换电路22、浓度信号电路23组成。管式测量段17进口同粉料浓度稀释模块2的出口管道直接连接，管式测量段17的出口构成本模块的出口管道，激光发射端18和透射光接收端19同轴安装在管式测量段17的进口和出口之间的两侧，第二清洁流体管道20连接着清洁流体源5和激光发射端18、透射光接收端19与管式测量段17连接处的过渡段上，激光发射端18和透射光接收端19上均有光电信号通过导线输入到运算电路21，运算电路21输出线路一路同浓度信号电路23连接，另一路输入到A/D转换电路22。
管式测量段17同粉料浓度稀释模块2的混合管16相连接，充分混合的粉料在此处进行测量。管式测量段17中部的两侧开设同轴小孔26，该同轴小孔26的轴线重合且位于测量段管道的横截面内。激光发射端18和透射光接收端19分别通过螺纹安装在管式测量段17上，激光发射端18发出的激光光束经过孔26穿越粉料两相流后进入透射光接收端19，透射光被接收并以电信号的形式输出；激光发射端18和透射光接收端19内部都有光电转换及其放大电路，它们接收并转换的光信号经由导线输入到运算电路21进行商运算，运算后的合成信号分为两路，一路输入A/D转换器22进行模数转换，转换后的数字信号输入计算机6进行处理，计算粉料颗粒粒径；另一路信号通过浓度信号电路23作为控制信号输送到粉料浓度稀释模块2。在管式测量段17上的连接激光发射端18和消光接收端19的管件上有清洁流体通道20，该管道同清洁流体源5相连接，其中的清洁流体通过孔26流入到测量段形成射流，这种射流用来防止粉料通过孔26进入激光发射端18或透射光接收端19，以保护测量系统光学器件表面，在与激光发射端18或透射光接收端19连接处，用密封玻璃27隔离清洁流体，使其仅能从管式测量段上的孔26流出。
激光发射端18由半导体激光器28、参考光引导光纤29、光电转换器30、放大电路31、发射光引导光纤32、光准直透镜组33、滑块34、丝杠35、滑动杆36、限束器37、封装体38组成，其连接方式为：参考光引导光纤29与发射光引导光纤32同半导体激光器28安装为一体，参考光引导光纤29直接连接着光电转换器30、由光电转换器30得到的信号被放大电路31放大，放大后的信号经过线路传出封装体38，输入到运算电路21；发射光引导光纤32同光准直透镜组33连接为一整体，限束器37位于光准直透镜组33之前，光准直透镜组33和限束器37一起安装在滑块34上；由滑块34、丝杠35和滑动杆36构成了一维方向上的调节装置，当转动丝杠35时，由滑块34带动准直透镜组33和限束器37一起运动；半导体激光器28、参考光引导光纤29、光电转换器30、放大电路31、发射光引导光纤32、光准直透镜组33、滑块34、丝杠35、滑动杆36、限束器37均封装在封装体38内。
透射光接收端19由凸透镜39、光阑40、行走调节装置41、光电接收器42、放大电路43、封装体44组成，其连接方式为：凸透镜39、光阑40、行走调节装置41、光电接收器42、放大电路43封装在封装体44内部；凸透镜39固定在封装体44上，光阑40固定在行走调节装置41上，凸透镜39与光阑40间的距离等于凸透镜的焦距，由行走调节装置41完成一维方向上的调节，这样与激光发射端18配合，可以在平面内完成聚焦光束接收的调节工作；光电接收器42安装在光阑40之后，以保证被颗粒散射的光不被接收，由放大电路43的放大的光电信号经由导线输出封装体44之外。
粉料回送模块4由输送管道24和输送泵25组成，其连接方式为：输送管道24的输入端同粉料粒径光学测量模块3的管式测量段17相连接，输出端则根据生产情况连接到生产线上，也可直接连接到粉料分离装置上收集；输送泵25为此过程提供动力。
清洁流体源5根据情况可以是生产线上纯净介质储存器或运输管道，也可以是专门的容器。其上有两组管道分别同粉料浓度稀释模块2、粉料粒径光学测量模块3相连接，用于稀释粉料和为光学测量模块提供保护。
计算机6根据粉料粒径光学测量模块3提供的合成信号计算得到粉料颗粒粒径，并根据生产特点，将粒径测量结果换算成标准的粉料颗粒粒径控制信号，向粒径信号输出电路7输出，供其他生产部门使用。
粒径信号输出电路7是本发明的一个开放端口，它提供标准化了的粉料粒径大小的电信号，可供管理部门和生产线控制系统使用。
结合本发明的内容提供以下实施例：
据国外有关报道，全世界每年发电量的1％被用于水泥研磨，由此消耗了大量电力。研究表面混凝土强度不但同水泥化学成份有关，而且水泥颗粒粒径对混凝土强度在某种程度上也有决定作用，如果水泥的粒径小于3微米，由于水化作用很快，它们对混凝土强度没有贡献；而对于粒径大于30微米的水泥颗粒，其对混凝土强度的贡献随着粒径的增大迅速下降，大于60微米时仅起到填料作用，因此水泥生产中对研磨有一定的要求。如果生产过程中能随时根据熟料研磨情况，适时调整研磨生产线状况，使水泥颗粒的粒径保持在合理范围内，不但可以提高混凝土的强度，还可以降低研磨生产线的能耗。
本发明可以用来对水泥熟料研磨过程进行监测，实施方式如下：
在水泥研磨过程中，水泥颗粒散布在空气中，监测系统的清洁流体源可利用水泥厂内的压缩空气经过净化器得到。在生产线研磨机的出口处，在原采样口安装本发明的采样探针，自动等速采样模块根据等速采样管内外壁的静压差自动调节真空泵的真空度，实现等速采样，采集的水泥颗粒样品经由管道进入粉料浓度稀释系统，根据粉料粒径光学测量模块提供的透射光信息，流量调节阀通过控制清洁压缩空气的流量，稀释被测样品到恰当浓度，这样的被测样品送入光学测量系统内；完成测量工作后样品通过回送系统送入水泥生产线，完成测量工作。计算机接收合成信号，计算得到的水泥颗粒粒径，并根据粒径情况，按照厂家的设定将测量结果量化为标准的粒径控制信号，此信号通过粒径信号输出电路输出，供管理部门使用，或作为研磨控制系统的参考信号。