分析现有科氏固体质量流量计影响测量精度的各种因素

粉体质量流量测量技术在各行各业中已得到广泛应用,并且对其要求也越来越高。对各种粉体质量流量测量技术的基本理论和测量精度影响因素进行了较详细的论述。

流量测量技术是发展比较早、且至今仍在迅速发展的科学技术,它在工业、商业、交通等各个领域均有极广泛的应用。传统的流量测量大多数都属于对流体的体积流量的测量,这种流量测量方法满足了大量流量测量任务的需要。但是随着工业的飞速发展,流量测量所面临的任务越来越繁重,要求也越来越高,通常采用的容积流量计已满足不了一些场合的要求。因此,人们希望更准确,更直接的计量质量流量,导致了直接式质量流量计的出现[1]。由于质量流量测量的重要性日益显现出来,近些年来这种测量方法的应用范围正在迅速扩展。目前应用的粉状固体质量流量测量计有皮带秤、失重秤、转子秤、冲击式流量计和科里奥利质量流量计。

1 粉体质量流量计测量原理概述

1. 1 皮带秤测量原理

皮带秤(又称电子皮带秤,weightbelt)是在皮带输送机输送物料过程中同时进行物料连续自动称重的一种计量设备。其特点是称量过程是连续和自动进行的,通常不需要操作人员的干预就可以完成称重操作。国外从上世纪50年代开始使用电子皮带秤,国内则从60年代末期开始试生产电子皮带秤[2]。其测量精度可达1. 02% ~1. 51%。

图1为皮带秤的原理示意图[3]。称重环节可以获取物料流的线密度由称重托辊测得,测速环节可以测得物料的输送速度由测速传感器测得[4],因此物料流的质量流量计算公式

qm=ρlv (1)

式中,ρl为物料流的线密度;v为物料的输送速度。1为被测物料; 2为输送皮带; 3为称重托辊; 4为输送托辊;5为仪表; 6为荷重传感器; 7为称重框架; 8为测速传感器。

1. 2 失重秤测量原理 

失重秤(loss2in2weight)流量测量技术应源于传统的称重料斗,传统的称重料斗是用于称量料斗中物料的重量,而失重秤在具有称重料斗功能的前提下,主要是用于测量和控制失重秤料斗释放物料的质量流量。其测量精度可达0. 5% ~1. 0%。图2为失重秤的原理示意图[5]。失重秤的测量原理是利用称重容器中物料的总质量M的减少dM与时间dt的关系来实现其卸放物料质量流量dM /dt测量的。可以认为失重秤采用的是质量流量最直接的测量方法。其质量流量计算公式为

式中,Wi-1,Wi为相邻两次料斗称重值,单位N;g为重力加速度,单位m/s2;Δt为相邻两次料斗称重的时间间隔,单位s。

1. 3 转子秤测量原理

转子秤(rotorweigh feeders)是一种通过载料转子的称重来实现物料质量流量测量和控制的装置。转子秤已于上世纪80年代投放市场,是一种中型的、具有较大输送能力的计量装置。其测量控制精度约为±1%[6]。

图3为转子秤的原理示意图[7]。转子秤的测量原理本质上与皮带秤类似,是利用转子叶片拨动物料通过圆弧路径的测量通道,利用杠杆原理,通道中的物料被动态称量出来,从而求出圆弧路径物料流的角密度,转子的转速由转速传感器测得,其质量流量计算公式为[3]qm=ραω(3)式中,ρα为物料流的角密度;ω为转子的角速度。

1. 4 冲击式流量计测量原理

冲击式流量计( impact flow meter)是利用物料对测量挡板的冲击力来实现物料的质量流量测量。冲击式流量计冲击力的测量有多种方式,如测量水平分力、测量铅垂分力和测量法向分力等。早期产品是测量铅垂分力,目前广泛采用且效果较好的是测量水平分力的方式,还有少数是测量法向分力。冲击式流量计的测量精度优于±2%。

图4为冲击式流量计的原理示意图。冲击式流量计的测量原理依据动量定理和碰撞理论,得出物料的瞬时质量流量与碰撞冲击力成正比关系。如图5所示,测量挡板受物料冲击力作用,由于与测量挡板相固联的传力机构只能做水平移动,因此只有水平分力对传力机构的移动起作用;传力机构在水平方向上靠弹簧固定,在水平分力的作用下弹簧变形,产生与水平分力成正比的位移,由此可测得水平分力大小;该位移改变差动变压器磁芯的位置,从而被变换成电压信号;电压信号经放大并被转换成电流脉冲信号,送至测量控制仪,由此可测得速度的变化;测量控制仪采样电流脉冲信号,进行处理和计算,显示测得的瞬时流量值和累计总量值[8]。其质量流量计算公式为F = qm( vi-vo) (4)式中,F为物料对测量挡板的平均作用力;vi为物料的入射速度;vo为物料的反射速度。

1. 5 科里奥利质量流量计测量原理

科氏流量测量是新兴的固体质量流量测量技术,它是利用了力学中的科里奥利定理,物料从转动测量轮径向通道中通过时对测量轮产生科氏反力矩作用,依据该力矩与物料的瞬时质量流量所成的正比关系,可实现对物料的质量流量测量[9]。科里奥利原理用于流量测量的基本要求如下:①作匀速转动的测量通道;②测量通道为径向直线通道。

科氏力何以可用作流体的质量流量测量?在此建立二者之间的基本关系。

将短时间内测量通道中流体的流动看作稳定的流动状态,即通道中各个横截面的质量流量都相等。取通道中长度为dl的一微分段流体,设其中各质点的流速均为vr,则其质量为

可见当角速度ω一定时,作用于单位路径流体的科氏力大小与流体的质量流量qm成正比关系。对上式两边取积分有Fk=2ωLqm(8) 

综上,在稳定流动的前提下有如下结论:流体微分段科氏反力的大小等于角速度、质量流量及微分段长度三者乘积的2倍;在测量路径为直线时,测量通道所受科氏反力的合力大小等于角速度、质量流量及测量路径三者乘积的2倍;测量通道所受科氏反力的合力矩大小等于角速度、质量流量及测量通道出口回转半径的平方三者乘积。因此利用质量流量与科氏反力或科氏反力矩的正比关系,可以进行流体质量流量的测量。上述即为科氏力用于质量流量测量的基本原理。目前科里奥利质量流量计已取得很好的应用效果,具有良好的发展前景。

2 粉体质量流量计的特点及测量精度的影响

皮带秤系统的特点是称量过程是连续和自动进行的,但是由于电子皮带秤的使用精度受到诸多因素的影响,其实际使用精度却很低。因此在如何提高皮带秤测量精度和使用性能等方面进行了大量研究,总结出一些影响因素如下[11~15]: 

①秤架结构形式对系统测量的影响; 

②传感器精度和性能及信号处理方式的影响; 

③电压和载荷波动对皮带运行速度的影响; 

④物料附着、皮带磨损和张力变化等因素对皮带秤零点的影响;

⑤环境因素的影响如振动、温度、湿度、电磁场、污染等;

⑥安装因素如倾角、张紧力、皮带跑偏。

失重秤是一种固体质量流量连续测量和控制装置。可以认为失重秤是质量流量最直接的测量方法。它具有结构简单,易于实现等特点。从失重秤测量原理来看,失重秤的测量精度取决于称重精度和计时精度。笔者总结出影响失重秤流量测量精度的一些因素:

①间歇填充计量斗对测量的影响。为了保证排料的连续性,在填充计量斗期间仍保持继续排料,失重秤处于非测量状态,一般用填充前的流量来替代。因此,填充期间流量计量误差不可避免,存在测量死区。

②动态称重对测量的影响。由于失重秤称重都是在填充或排料状态中完成的,填充时物料及气流对计量体的冲击,排料的失重对计量体的冲击,排料器的振动对计量体的干扰,这些都或多或少会影响称重的准确性。 

③称重传感器的性能及采样定时精度的影响。传感器的测量精度及工作的稳定性,采样控制方法及定时精度,直接影响流量测量精度。传感器及其他模拟电子器件的漂移和噪声也是流量测量精度的重要影响因素。 

④失重秤系统的安装及环境因素的影响。原料仓与计量体之间的距离过近,导致工作时二者相互接触,对计量体产生附加力的作用。环境的振动,气流的扰动,温度、湿度的变化,强电磁干扰,也会影响失重秤的测量精度和工作的稳定性。 

科里奥利质量流量计(简称科氏固体流量计)与其他粉体流量测量装置相比具有明显的原理优点:

(1)流量测量的瞬时性好。

瞬时流量直接通过扭矩反映出来,即所测的流量皆为瞬时值,而不是某段时间的平均值。在这一点上,皮带秤、转子秤以及失重秤无法与之相比。这使得科氏固体流量计能适用于有精确要求的过程控制中。

(2)用动力学原理解决动态测量问题,避免了静力学测量(称重)的不适应性。

皮带秤、转子秤和失重秤采用的是静力平衡的称重方法来测量动态流量,动态力的作用不可避免,存在原理上的不适应性。而科氏固体流量计采用的是动力学的科里奥利定理,其原理与应用更加符合。

 （3)测量原理的精确性好,确保了其发展潜力。 

这从其计算公式的推导中体现出来: 

①对物料的进入速度大小没有要求。在公式中没有物料初始速度这一项,因此其测量不受落料高度和速度的影响。

②物料的摩擦力不会影响测量精度。测量通道中物料的摩擦力是沿着直径方向,不会对转轴产生力矩作用,因此摩擦力不会影响测量精度,它只影响物料被甩出的速度和测量通道的通流能力。

③对流量波动没有严格的要求。在公式推导中并没有对物料流作其他的限制,没要求物料流必须作稳定流动,因此其流量计算公式具有较广泛的适用性。现行的科氏固体质量流量计与其他固体质量流量测量装置相比虽然具有明显的原理优势,但也并非十全十美,在原理结构上仍然存在一些影响测量精度的因素,如与测量原理不符的物料流动影响因素,传感器及测量结构影响因素,影响测量环境因素等。另外价格昂贵也是科氏固体质量流量计的一大弊端。

3 结束语

通过对粉体质量流量测量技术,特别是对科氏固体质量流量测量技术深入研究基础上,对现有的科氏固体质量流量计做进一步改进,研制出一种新型的高精度科氏固体质量流量计成为了发展趋势。新型科氏固体质量流量计的总体设计思想,就是要寻找和分析现有科氏固体质量流量计影响测量精度的各种因素,想方设法消除或削弱其中主要因素的影响,研发出高精度的科氏固体质量流量计。