CN101598656B - 煤粉细度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤粉细度测量装置，包括有振荡进样器、旋风分散装置和激光检测装置，所述旋风分散装置由真空发生器、旋风分散器和消减漩涡气流的整流装置依次连接而成，所述振荡进样器的出口与真空发生器连通，所述整流装置与激光检测装置中的测试窗连通。本发明中煤粉经振动进样器以及旋风分散装置的作用，得到充分地分散，从而提高了检测的准确性和重复性；而整流装置限制了气流的发散角较小，增大了测量范围和精度。

Description

煤粉细度测量装置

技术领域

本发明涉及一种煤粉细度测量装置，特别是涉及一种激光法煤粉细度测量装置。

背景技术

颗粒粒度测量，常用的粒度测试方法有：筛分法、显微镜法、沉降法、库尔特法、激光法、超声波法、透气法、电镜法等。目前，煤粉细度的测量普遍采用的是筛分法。

(1)振筛机筛分法煤粉细度测量

本方法的基本工作原理是称取一定质量的煤粉置于规定的实验筛中，在振筛机上筛分完全，根据振筛机上残留煤粉质量计算出煤粉细度。

所需设备包括：感量为0.01g的工业天平；筛网孔径为200μm和90μm的试验筛各一个，并配有底盘和筛盖；垂直振击次数150次/min，水平回转次数220次/min或类似的振筛机；密封式的槽式二分器；秒表和软毛刷。

测试步骤：将底盘、孔径90μm及孔径200μm的筛子自下而上依次重叠在一起；称取煤样25克(称准到0.01g)，置于孔径为200μm筛内，盖好筛盖；将上述装置装入振筛机支架上，振筛10min，取下筛子，用刷子刷孔径为90μm筛的底面一次(防止细小颗粒堵塞90μm筛的孔)，装上筛子再振筛5min。(若再振筛2min，筛下煤粉量不超过0.1g时，则认为筛分安全)；取下筛子，分别称量孔径为200μm及90μm筛上残留的煤粉量，称准到0.01g。

结果计算：

煤粉细度按下列公式计算：

$R_{200}=\frac{A_{200}}{G}\×100$

$R_{90}=\frac{(A_{200}+A_{90})}{G}\×100$

式中：

R₂₀₀——未通过200μm筛子的煤粉质量占试样质量的百分数，％

R₉₀——未通过90μm筛子的煤粉质量占试样质量的百分数，％

A₂₀₀——200μm筛上的煤粉质量，g；

A₉₀——90μm筛上的煤粉质量，g。

(2)静态光散射粒度测量原理：静态光散射粒度测量是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以在没有阻碍的无限空间中激光将会照射到无穷远的地方，并且在传播过程中很少有发散的现象。Mie氏散射理论表明，当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象，散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ，θ角的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小；颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大。即小角度的散射光是由大颗粒引起的；大角度的散射光是由小颗粒引起的。进一步研究表明，散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布。

实现方式：遵循粒度分析激光衍射法GB/T 19077.1-2008中的描述，将有代表性的样品，以适当的浓度在合适的液体或气体中分散后，让一束光(通常是激光)通过其间，光被散射后，分布在不同的角度，通过有规律的多元探测器接收有关信号，并通过适当的光学模型和数学程序进行计算，得出各粒度级别粒子体积所占总体积的比。

上述两种方法的缺点如下：

(1)筛分法的缺点：步骤繁琐，速度慢，精度差，人为因素影响大，重复性差，自动化程度低。

(2)现有的激光法测量仪器针对煤粉细度测量的缺点：探测器结构和软件的设计没有专门针对煤粉细度测量；湿法测量时，煤粉会产生溶胀现象导致测量值偏大，样品量少，代表性不够；干法测量时，由于煤粉本身具有一定得粘性且密度较小，传统的喷射式分散系统很难解决分散力和气流的发散角之间的矛盾，这导致要么样品分散不充分，测量的准确性和重复性下降，要么气流发散角过大，限制了测量范围和精度。

目前为止，还没有发现针对电力用煤煤粉细度测量的专用激光法测量装置，特别是在设计上充分考虑煤粉细度测量定则DL/T567.5-95中的要求以及专门针对煤粉密度小、具有粘性、不宜分散和清洗等物理特性而设计的分散装置。

发明内容

针对于此，本发明的目的在于，提供一种煤粉细度测量装置，自动化程度高，耗时短，精度高，重复性好。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种煤粉细度测量装置，包括有振荡进样器、旋风分散装置和激光检测装置，所述旋风分散装置由真空发生器、旋风分散器和消减漩涡气流的整流装置依次连接而成，所述振荡进样器的出口与真空发生器连通，所述整流装置与激光检测装置中的测试窗连通。

所述旋风分散装置还包括有集尘装置，所述集尘装置连接在测试窗的下方。

该煤粉细度测量装置还包括有数据分析处理装置，所述数据分析处理装置包括有与激光检测装置上光电检测器阵列信号连接的信号采集电路，以及与所述信号采集电路电连接的单片机装置。

所述整流装置由柱状圆管和柱状方管连通而成，所述柱状圆管与旋风分散器连通，所述柱状方管与测试窗连通。

所述柱状圆管的直径为4mm，长度为50mm；所述柱状方管为30mm×4mm，长度为50mm。

所述激光检测装置中的傅里叶变换透镜是由两片不同弯月形的透镜和一片双凸透镜依次排列组成，所述两片弯月形透镜的所有曲面以及双凸透镜的一个曲面均为负曲率面，所述两片弯月形透镜的凹面和双凸透镜的正曲率面朝向测试窗。

所述中间的弯月形透镜和双凸透镜的焦距分别为193.73mm和231.47mm，另一个弯月形透镜的焦距为-153.76mm。

所述中间的弯月形透镜和双凸透镜均采用折射率n_632.8＝1.79992的ZF7玻璃制作而成；所述另一个弯月形透镜采用折射率n_632.8＝1.48598的QK3玻璃制作而成。

所述两片弯月形的透镜和双凸透镜的曲面的曲率半径依次为R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆，其中R₁＜＜R₂，R₃＜R₄，R₅＞＞R₆。

所述激光检测装置中的光电探测器由一系列硅光电池阵列组成，中心是一个直径为45μm的小孔，在小孔的四周分布着对称的四个三角形检测器；小孔左右两侧交叉排列着38个60°的扇形探测器，然后在其左右对称连续排列6对30°扇形探测器，最外边单侧连续排列12个等高的扇形探测器。

与现有技术相比，本发明在满足煤粉细度测量定则DL/T567.5-95中的测量要求的前提下，采用以Mie氏理论为基础的静态光散射法的，并根据粒度分析激光衍射法GB/T 19077.1-2008中的傅里叶光路(a)为模型进行设计。该方法采用的是间接测量方法，自动化程度高，耗时短，精度高，重复性好，并利用随机软件通过计算机可以直接对数据进行相关分析并给出测量报告。

煤粉经振动进样器以及旋风分散装置的作用，得到充分地分散，从而提高了检测的准确性和重复性；而整流装置限制了气流的发散角较小，增大了测量范围和精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是振动进样器和旋风分散装置的连接示意图；

图3是本发明测量装置结构示意图；

图4是本发明的傅里叶变换透镜的结构示意图；

图5是本发明中的散射光探测器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

一种基于静态光散射原理的煤粉细度测量装置，包括振动进样器1及旋风分散装置2，测量装置3和数据分析处理系统4三个部分组成，整体结构如图1所示。

(一)旋风分散装置2包括真空发生器21、旋风分散器22、整流装置23、测试窗33和集尘装置24，如图2所示。

振动进样器1包括，进样漏斗、样品槽和振动电机三个主要部分。进样漏斗可以通过调节下端面与进样槽的距离来控制进样量；样品槽由一个倾角可调的镜面不锈钢板制成，通过调节螺母可以改变样品槽的倾角；振动电机作为振源为进样槽提供垂直振动对样品进行初级分散，振动电机的振动频率通过单片机控制连续可调，可以提供不同的分散力并结合样品槽倾斜度控制进样速度。一般情况下，选择一个合适的倾角后，固定不变，仅通过调节振动频率来控制进样速度。

真空发生器21由吸附腔入口、压缩空气入口、真空发生腔和喷嘴组成。从振动进样器1输出的样品流，经吸附腔入口进入真空发生腔，压缩空气(由工业空压机提供并经过除油、除湿装置)经空气入口进入真空发生腔，然后两者在真空发生腔内混合通过喷嘴喷射出来。

旋风分散器22由进料口、排气口、出料口和分散桶组成。从真空发生器21的喷嘴喷射出混有样品的压缩空气由旋风分散器22的进料口以较高的线速度沿切向进入到分离桶内，在分散筒与排气口间形成旋转向下的外旋流，把分散器壁的颗粒带到旋风分散器底部，到达锥底后以相同的旋向折转向上，形成内旋流，到上部从排气口流出。颗粒在内、外旋转流场中受离心力作用向器壁方向抛出。在分散桶内，粒子所受的不同离心力有利于粒子的分散，同时，粒子与器壁的碰撞进一步分散更粘的团聚物。这样气体从上部流出，而分散好的煤粉颗粒从旋风分散器下部流出。旋风分散器内产生的离心力以及颗粒与器壁之间的碰撞产生的剪切力来分散煤粉颗粒，这里可以通过调节排气口的大小和压缩空气的压强大小来调节分散力以及出料口的出样速度和发散角。

整流装置23是用来消减旋风分散器出料口出来的混有分散好的样品的漩涡气流，同时减缓样品流速并将流体截面从圆形转换成类似矩形，便于测量。

测试窗33由两片直径为50.8mm、厚度为5mm的K9平板玻璃组成的密封腔，两窗口玻璃的间距仅为4mm，玻璃表面镀有氟化镁的λ/4增透膜。

集尘装置24采用的是带有过滤网的集尘筒，过滤网的孔径为0.5μm

(二)测量系统3由光源(一般为激光器)31、准直扩束装置32、汇聚透镜34、测试窗33(即进样与分散系统中的测试窗)、光电检测器35(包括对中检测器和散射光检测器)、数据采集系统4，如图3所示。

激光器采用的是2.5mW的632.8nm氦氖激光器；准直扩束装置包括放大率为40×的显微物镜、孔径为15μm的空间滤波针孔、焦距为60mm的双胶合透镜和口径为1～12mm的可变光阑。如图4所示，汇聚透镜由两片不同的弯月形透镜(前两片)和一片双凸透镜(第三片)组成，且凹面(前两片)或正曲率面(第三片)朝向测试窗33，其中第一片(即第1面和第2面)为负焦距，焦距大小为-153.76mm，材料为低折射率(n_632.8＝1.48598，n_632.8即632.8nm波长时的折射率)的QK3玻璃，第二片(即第3面和第4面)和第三片(即第5面和第6面)为正焦距，焦距大小分别为193.73mm和231.47mm，材料均为高折射率(n_632.8＝1.79992，n_632.8即632.8nm波长时的折射率)的ZF7玻璃。各个面的通光口径依次为67.43mm、88.27mm、94.94mm、101.6990mm、137.10mm、140.00mm。各组透镜的参数满足f₁＜f₂＜f₃，R₁＜＜R₂，R₃＜R₄，R₅＞＞R₆，式中f₁，f₂，f₃分别为透镜1，2，3的焦距，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆分别为表面1～6的曲率半径。这样设计的目的是实现大视场角散射光的无渐晕收集，在保证中心视场角散射光(5°视场角以内)的成像质量近似衍射极限的同时尽量减小场曲，最大限度的提高大视场角散射光的成像质量；同时通过合理的控制畸变，减小光电检测器的尺寸，降低其加工成本和难度。所有表面都镀有氟化镁λ/4增透膜，目的是为了减少各表面的反射光和镜片本身所产生的散射光。

由氦氖激光器发出的激光经准直扩束装置后，通过调节可变光阑可以得到直径为6～8mm能量均匀的圆形光斑。准直后的光束照射到测试窗33内，经待测试样的散射后通过汇聚透镜收集散射光，这里要求测试窗33的沿光路方向的中心位置距离会聚透镜第1面的距离小于28mm，目的是为了配合聚焦透镜进行无渐晕收集大视场散射光。

经过汇聚透镜的散射光都将汇聚到会聚透镜的焦平面上。在焦平面上的散射光投影像高和散射光角度的理论关系式为h＝f*n*tan(θ/2)，其中h为理论像高，f为聚焦透镜的焦距，n为分散介质的折射率，这里分散介质为空气，n取1，θ为散射角。这里需要注意的是由于散射光通过透镜的过程中会产生畸变，因此实际像高和理论像高的关系可以用下式表示h′＝-1.091e^-11*h⁵+1.858e^-8*h⁴-8.379e^-6*h³+8.837e^-5*h²+0.9989*h+5.189e^-3，其中h′为实际像高。

激光器31发出的主光束经过测试窗33，聚焦透镜入射到散射光检测器的中心小孔351中，由小孔351后面的对中检测器接收，该信号主要用于光路对中。散射光信号由散射光检测器来接收，该探测器由一系列硅光电池阵列组成，其结构如图5所示，中心是一个直径为45μm的小孔351，在小孔351的四周分布着对称的四个三角形检测器352，作为初步对中标志；小孔351的左右两侧交叉排列着38个60°的扇形探测器353，然后在其左右对称连续排列6对30°扇形探测器354，最外边单侧连续排列12个等高的扇形探测器。探测器的对中通过单片机控制高精度的三维电动平移台来控制，使主光束精确通过散射光探测器的中心小孔。通过大口径聚焦透镜和多通道光电探测器的设计使本系统的测量范围达到0.3～500μm，充分满足煤粉细度测量的粒度范围。

激光器可以用半导体激光器或光纤激光器来替代，每种激光器都有各自的利弊，可以根据实际情况进行选择。

准直扩束装置可以选用很多种不同的透镜组合实现，只要满足公式要求和实际的结构要求即可。

聚焦透镜的基本目的是一样的，针对不同的产品有不同的设计要求，而且针对同一产品的要求也可能出现多种不同的设计方案，替代性很强。

探测器的结构是根据聚焦透镜来设计的，本探测器只针对本设计中的聚焦透镜有效。

(三)数据分析处理系统

各光电探测器通过与之相连的信号采集41和处理电路输出到计算机中，在计算机中装有相应的分析软件。该分析软件在功能上包括对DL/T567.5-95和GB/T 19077.1-2008两个标准要求的所有参数进行分析计算，更加详细的给出煤粉细度的测量结果。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种煤粉细度测量装置，其特征在于：包括有振荡进样器、旋风分散装置和激光检测装置，所述旋风分散装置由真空发生器、旋风分散器和消减漩涡气流的整流装置依次连接而成，所述振荡进样器的出口与真空发生器连通，所述整流装置与激光检测装置中的测试窗连通；

所述激光检测装置中的傅里叶变换透镜是由两片不同弯月形的透镜和一片双凸透镜依次排列组成，所述两片弯月形透镜的所有曲面以及双凸透镜的一个曲面均为负曲率面，所述两片弯月形透镜的凹面和双凸透镜的正曲率面朝向测试窗；

所述中间的弯月形透镜和双凸透镜的焦距分别为193.73mm和231.47mm，另一个弯月形透镜的焦距为-153.76mm；

所述中间的弯月形透镜和双凸透镜均采用折射率n_632.8＝1.79992的ZF7玻璃制作而成；所述另一个弯月形透镜采用折射率n_632.8＝1.48598的QK3玻璃制作而成；

所述两片弯月形的透镜和双凸透镜的曲面的曲率半径依次为R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆，其中R₁＜＜R₂，R₃＜R₄，R₅＞＞R₆；

所述激光检测装置中的光电探测器由一系列硅光电池阵列组成，中心是一个直径为45μm的小孔，在小孔的四周分布着对称的四个三角形检测器；小孔左右两侧交叉排列着38个60°的扇形探测器，然后在其左右对称连续排列6对30°扇形探测器，最外边单侧连续排列12个等高的扇形探测器。

2.根据权利要求1所述的煤粉细度测量装置，其特征在于：所述旋风分散装置还包括有集尘装置，所述集尘装置连接在测试窗的下方。

3.根据权利要求1所述的煤粉细度测量装置，其特征在于：该煤粉细度测量装置还包括有数据分析处理装置，所述数据分析处理装置包括有与激光检测装置上光电检测器阵列信号连接的信号采集电路，以及与所述信号采集电路电连接的单片机装置。

4.根据权利要求1所述的煤粉细度测量装置，其特征在于：所述整流装置由柱状圆管和柱状方管连通而成，所述柱状圆管与旋风分散器连通，所述柱状方管与测试窗连通。

5.根据权利要求4所述的煤粉细度测量装置，其特征在于：所述柱状圆管的直径为4mm，长度为50mm；所述柱状方管为30mm×4mm，长度为50mm。

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