水泥行业科氏力粉体流量计的开发与应用
1、简介：在水泥行业，入窑生料及煤粉的计量与控制，对稳定窑的热工制度、提高熟料的产质量、降低能耗起着极其重要的作用。由于粉体物料固有的特性，特别是煤粉，容重小、流动性好，给计量带来了很大的困难。目前，国内新型干法生产线上，人窑生料与煤粉的计量，大多采用失重秤、皮带秤、冲板流量计及溜槽流量计等，使用效果较好的大多为引进产品。如德国申克公司近几年推出的质量流量计，计量精度为士0. 5%，中日合资北京燕山粉研精机公司的环天平型流量计，计量精度为士1. 0%。这两家公司的粉体流量计计量精度较高，但价格十分昂贵，一般中小水泥企业无法承受。国内引进技术生产的冲板流量计、溜槽流量计等产品价格略低一些，但计量精度较差，定量控制稳定性也不理想，使用效果欠佳。还有的厂喂煤系统根本就没有计量装置。这些都严重影响窑的正常生产和企业的经济效益。为此，开发可靠、、经济的粉体计量设备，研制低投资型入窑生料及煤粉的计量控制系统，对促进水泥工业技术装备的发展意义重大。合肥水泥研究设计院研制开发了一种新型的计量装置—科氏力粉体物料流量计，它的计量精度达到士0. 5%。该仪器体积小，占用空间小，无粉尘污染，定量给料控制稳定性好。该流量计用于入窑生料和煤粉系统，可获得令人满意的效果。本文将对其计量原理及应用效果作一介绍，供参考。
2、原理介绍：
由力学原理可知，质点在恒速转动的坐标系中作相对运动(相对速度为Vr)时，产生科氏加速度ak，同时受到与此加速度方向相同的惯性力的作用。此力用发现此现象的科学家Coriolis的名字命名，我们称之为科里奥利力或科氏力，用F。表示。该力的方向与相对运动的方向垂直。当质点在坐标系中的相对运动为径向时，科氏力Fc沿切线方向，如图1所示。当相对运动为圆周运动时，科氏力Fc沿径向，如图2所示。
图1相对运动为径向
图2相对运动为圆周运动
科氏力Fc用矢量表示为Fc = – 2rnw xv，其中，m为质点的质量，。为坐标系匀速转动的角速度，v}为质点相对于坐标系的运动速度。
基于上述原理，流量计内设计了测量盘。测量盘径向设置数块叶片，如图3所示。测量盘在电机主轴的驱动下，作高速回转。被计量的粉料落到测量盘上，经过分料锥改变流向后，被高速转动的叶片捕获，在离心力的作用下，沿径向向外缘运动。在运动过程中，粉料受到了径向的摩擦力FK和反向的离心力Fz，以及沿切向的科氏力Fc的共同作用。Fc引起一个反作用运动力矩M，这个力矩由驱动电机来补偿，而FR与Fz对驱动轴不会产生反作用力矩。
图3是科氏力粉体流量计的测量原理。
3、流量计的结构特点：
流量计可设计成三种结构型式，即上置式、内置式、下置式。其区别是基于电机、传感器与流量计壳体的位置关系。电机、传感器在壳体外面，且位于壳体上部的，称之为上置式;位于壳体下部的称之为下置式;内置式，顾名思义，电机与传感器位于流量计壳体内部。
三种结构型式各有其优缺点，在作结构设计时必须充分考虑。对于内置式，还要考虑电机的通风散热等问题。不论采用何种结构型式，流量计都是由壳体、电机、传动轴、传感器、进料口以及设在壳体内的测量盘组成。本文介绍的是上置式，如图5所不。
物料由进料口进人壳体，落到水平转动的测量盘上。随着测量盘的转动，物料从测
力矩M的计算公式推导如下(如图4所示)，假定叶片的内半径、外半径分别为R, , Rz，测量盘旋转的甫速度为。，半径r-r十dr处的粉料dm受到的科氏力为击。。根据公式，则dF} = 2dm " w " dr/dt = 2dm/dt "w " dr = 2Q " w " dr，式中，dm为dr区间内停留的粉体，Q为粉体流量。则作用于驱动轴的力矩“盆:·dFc舒x 2Q。·dr}}C:M二。Q (R2一R} )。由上式可知，该力矩与粉体流量Q成正比，又与科氏力成正比，若间接得到此力矩，即可求得粉体流量Q。这就
量盘的中心向外作径向运动。物料离开测量盘后经出料口卸出。传感器设置在传动轴上，用于检测科里奥利力的大小。
图5上置式流量计
4、流量计的电子控制装置:
传感器输出正比于瞬时流量大小(即正比于科氏力大小)的电信号，送到科氏力粉体流量控制仪，控制仪将此电信号进行放大处理，变换成电压信号，再送到微处理器，经微处理器运算处理，得到4位数的瞬时流量显示(单位为t/h)和6位数的累计量显示，较低位一个字可代表0.1kg, lkg或10kg，具体可通过累计系数选定。控制仪具有上下限声光报警(上下限值由用户从面板选定)、A/ M切换功能。当选择A方式时，可以实现自动定量给料，自动定量的控制精度为11. 0%，给定值可以由面板按键给定或由上位计算机给定，给定值究竟来自面板还是上位机，可由控制仪的SV切换键选择。在A方式下，仪器的MV输出(控制喂料机转速的模拟量信号)一般为4~20mA.根据用户要求也可以是0~5V或1~5V的标准信号。当选择M方式时，MV输出的大小由仪器面板的增减键调节，即喂料量大小由键盘选定。本仪器同时具有PV输出(代表瞬时流量的模拟量信号)，一般为4~20mA ,也可以是0~5V或1~5V的标准信号。
控制仪的外形为80 x 160的国际标准盘装机箱，小巧轻便，外形美观;键盘为轻触式触摸键，瞬时流量和累计流量均用醒目的数码管显示，累计流量停电后仍能显示1小时，而且能长期保持，永不丢失。控制仪的原理见图6.
5、粉体定量给料系统的应用：
人窑生料及煤粉的定量给料系统，由称重仓、稳流定量给料装置、科氏力粉体流量计组成，如图7所示。
图6控制仪的原理
称重仓可对流量计在线标定，确保流量计的高精度计量，同时利用称重传感器控制仓内料位。系统采用了一种新开发的水平回转式稳流给料装置，通过变频调速，随意调节给料量，与流量计构成闭环控制，按设定流量要求给料，同时该稳流装置具有稳流、锁风、锁料等功能，即使是流动性很好的煤粉也不会发生冲料、跑料现象。在稳流装置不断地改变给料量的情况下，流量计也能十分地计量下料量。
下面为该系统用于生料及煤粉计量的实物标定情况。
图7粉体定量给料系统
6、结语：
(1)由科氏力粉体流量计组成的定量给料系统具有给料稳定、调节速度快、计量精度高、工艺流程简单、布置紧凑等特点。
(2)该流量计不受风路、振动等外界因素的影响;对粉料的性质没有特殊要求，测量盘上不存在粘料问题，计量过程在完全密闭状态下完成。
(3)科氏力粉体流量计可用于人窑生料、煤粉的计量控制，散装水泥的计量，以及多种·粉体物料的定量搭配过程等，也可用于小颗粒、非磨蚀性的粮食类物品的计量。
(4)该系统占据空间小，计量及控制精度高、投资小，完全可以替代进口产品。