JP5225321B2

JP5225321B2 - 粉粒体の流動計測装置

Info

Publication number: JP5225321B2
Application number: JP2010097623A
Authority: JP
Inventors: 冨士生萱原; 浩二山下
Original assignee: 関西オートメイション株式会社
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: CN102236028B; HK1161353A1; CN102236028A; JP2011226942A

Description

本発明は、ダクトや配管のような輸送経路内で空気流に混入されて搬送される小麦粉、煤塵またはセメントのような粉体、あるいは樹脂ペレットのような粒体（以下、「粉粒体」という）の流動状態を計測する粉粒体の流動計測装置に関する。

従来、煙道排ガス中の管内固気二相流における粉粒体の流動を計測する手法には、光透過式、帯電量式などがある（増田弘昭：粉体プロセスの計測と制御、機械設計、1997,34,No.12,pp81-pp8）。光透過式は、現在のところ、最も一般的な計測方法で、管路内に発光部と受光部を設け、粉粒体粒子に遮蔽され減衰する光の強度から濃度を計測する手法である。この方法は、粉粒体の材質，種類や湿度の変化による影響を受けにくいといった利点はあるものの、発光部や受光部に粉粒体粒子が付着すると精度が著しく低下することや、光源である電球が球切れを起こすことから、メンテナンスを頻繁に行う必要があり、維持費がかさむといった問題がある。

帯電量式は、粉流体粒子の帯電現象を利用した方法で、ダクト内で粒子が検出体（プローブ）に衝突（摩擦）することで移動する電荷量を計測する手法、および、ダクト内で摩擦帯電した粒子がプローブに接触することで移動する電荷量を計測する手法である。プローブはダクトに電気的に絶縁して取り付けられる。この方法は、光透過式に比べ、メンテナンスによる作業が軽減できるといった利点が挙げられるものの、流速変化や粒子の大きさによる影響により、計測精度を向上できないという問題や、粒子がプローブに衝突しなかった場合は、計測できなくなるという問題がある。

そこで、流速変化や粒子の大きさによる影響を少なくして、高い計測精度を得ることができるものとして、帯電した粉粒体粒子の移動による静電誘導式の濃度計測装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−０２２７０３号公報

ところで、粉粒体を空気輸送するダクトや配管のような輸送経路が、該輸送経路の内壁に水分などを含んだ粉粒体が付着して次第に蓄積すると、輸送経路が閉塞される場合がある。輸送経路が閉塞されて粉粒体の流動停止が発生した（粉粒体が詰まった）場合、一旦製造を停止し、当該閉塞した輸送経路のダクトや配管を取り外して、経路内を清掃し、再組み立てを行う必要があり、時間と手間がかかるとともに生産性が低下するという問題があった。

この場合、輸送経路が閉塞されて粉粒体の流動停止の発生前であれば、輸送経路への粉粒体の投入量を減少させたり、粉粒体を輸送する空気の送出量を増加させることにより、流動停止を回避することが可能となる。しかし、流動状態を計測するものとして、マイクロウェーブ（ＭＷ）式センサや近接センサなどが知られているが、これら従来のセンサは輸送経路内の流動停止状態を検出できるが、流動停止前の中間の流動状態を検出できない。

本発明は、前記のような課題を解決して、粉粒体の流動停止前の中間の流動状態を容易に検出できる流動計測装置を得ることを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る粉粒体の流動計測装置は、粉粒体が流体輸送される輸送経路内に突出して設けられた主電極と、前記主電極の全部または一部を覆う絶縁物を介して主電極の少なくとも根元部を覆う接地電極と、帯電した粉粒体の電荷に基づき両電極により前記輸送経路内の粉粒体の濃度を検出する検出制御部とを備え、前記粉粒体の濃度に基づいて、前記輸送経路内における粉粒体の流動停止前の状態を含む流動状態を計測するものである。

この構成によれば、粉粒体の濃度に基づいて輸送経路内における粉粒体の流動状態を検出するので、従来のような流動停止の状態だけでなく、流動停止前の中間の流動状態を容易に検出することができる。

好ましくは、前記検出制御部は、前記ダクト内を流れる帯電した粉粒体粒子の移動による静電誘導によって前記主電極に生起される電流から、前記粉粒体の濃度を検出するものであり、前記粉粒体の濃度に基づいて、前記輸送経路内における粉粒体の流動停止前の状態を含む流動状態を検出する。したがって、静電誘導によって主電極に生起される電流、つまり交流電流を検出するから、流速変化や粒子の大きさにより左右される電流、つまり直流電流に影響されないようにするとともに、接地電極をダクト内で粉粒体の濃度が異常となる主電極の根元部に設けているので、この電流をアースに落としてその異常な濃度データをキャンセルするから、高い計測精度を得ることができる。

好ましくは、前記検出制御部は、前記流動停止に近づいた流動状態を検出した場合に、粉粒体の前記輸送経路への投入量を減少、または粉粒体を輸送する流体の前記輸送経路への送出量を増加させる制御を行う。したがって、粉粒体の流動停止前に上記制御を行うことにより、輸送経路内における粉粒体の流動停止を回避できる。

本発明によれば、粉粒体の濃度に基づいて輸送経路内における粉粒体の流動状態を検出するので、従来のような流動停止の状態だけでなく、流動停止前の中間の流動状態を容易に検出することができる。

本発明の一実施形態に係る粉粒体の流動計測装置を示す概略側面図である。（ａ）は本実施形態の流動計測装置を示す概略構成図、（ｂ）は静電誘導検出部内におけるセメント粒子の電荷量の変化を示す特性図、（ｃ）は検出電極からの出力電流の特性図、（ｄ）は出力電圧信号の特性図である。本実施形態の静電誘導検出部の構成を示す断面図である。静電誘導検出部の変形例の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る粉粒体の流動計測装置の構成を示す図である。この流動計測装置１は、粉粒体が空気のような流体により輸送される輸送経路２に配置されるもので、製粉工場の製造工程などにおいて輸送経路２内の粉粒体の流動状態を計測する。例えば小麦粉のような粉体粒子３からなる粉体は、タンク１１からフィーダ１２により所定量が投入され、輸送経路２の上流端に取り付けられたブロワ１３により空気が送出されて、該輸送経路２内を空気輸送される。

図２（ａ）に示すように、輸送経路２内の粉塵は粉体粒子と空気を含む固気二相流であり、輸送経路２内で、粉体粒子３が空気内に分散された固気二相流Ｍとなって、矢印方向に送給される。輸送経路２内の粉体粒子３ａは、輸送経路２を形成する通路壁２０の内面に衝突して摩擦帯電している。

前記輸送経路２内を通過する固気二相流Ｍ内の帯電した粉体粒子３ａの帯電量を検出する静電誘導検出部８は、輸送経路２の通路壁２０における取付部４に固定されており、輸送経路２の軸方向と直交する方向に輸送経路２内に突出して設けられている例えば丸棒のような棒形状のプローブ５と検出器７とを備えている。

前記静電誘導検出部８のプローブ５は、円柱形の主電極２１と、その主電極２１の一部を覆う絶縁体２４と、絶縁体２４を介して主電極２１の少なくとも根元部を覆う接地電極６とを備えている。検出器７は、輸送経路２内を流れる帯電した粉体粒子３ａの移動による静電誘導によって主電極２１に生起される電流、つまり交流電流を検出する。検出電流には、この交流分以外に、前記プローブ５への粉体粒子３の衝突や帯電した粉体粒子３ａの接触による直流分も含まれる。この検出電流は検出制御部（コントロールユニット）１０に入力される。

検出制御部（コントロールユニット）１０は、信号処理部１４と演算部１５とを備えている。信号処理部１４は、例えばバンドパスフィルタからなるフィルタ回路を有し、前記検出された電流から、所定周波数帯域の交流分のみを取り出す。フィルタ回路により、前記プローブ５への粉体粒子３の衝突や帯電した粉体粒子３ａの接触による直流分がカットされる。演算部１５は、取り出された交流電流の周波数と振幅により、予め図示しないメモリに記憶された相関データに基づいて、輸送経路２内の粉粒体の濃度を算出する。

また、検出制御部１０は、演算部１５から算出された濃度に基づき輸送経路２内の粉粒体の流動状態を判断する流動状態判断部１６と、フィーダ１２による粉粒体の輸送経路２内への投入量を調整する粉粒体投入量調整部１７と、ブロワ１３による粉粒体を輸送する流体の輸送経路２内への流量を調整する流体流量調整部１８と、粉粒体の流動状態が流動停止前の状態と判断されたときに警報を発する警報部１９とを備えている。

流動状態判断部１６は、粉粒体の濃度と、輸送中の空気に対する粉粒体の重量比である固気比との相関関係に基づいて、粉粒体の流動停止および流動停止前の中間の流動状態を判断する。粉粒体投入量調整部１７は、流動停止前の状態と判断された場合に、例えばロータリーバルブのようなフィーダ３に制御信号Ｓ１（図１）を出して、その回転数を遅くして、流動停止前に輸送経路２内への粉粒体の投入量を減少させる。流体流量調整部１８は、流動停止前の状態と判断された場合に、ブロワ３に制御信号Ｓ２（図１）を出して、その風量を大きくして、粉粒体を輸送する流体の輸送経路２内への送出量を増加させる。

検出制御部１０は、粉粒体の流動停止前の状態に応じて、粉粒体投入量調整部１７と流体流量調整部１８の両方、またはいずれか一方が調整を行うように制御する。

この例では、輸送経路２の上流端にブロワ１３を取り付けて空気の送出量を増加させるようにブロワ１３の風量を調整しているが、これに代えて、輸送経路２の下流端にブロワ１３を取り付けて、空気の吸気量を増加させるように調整してもよい。

ここで、本発明にかかる静電誘導検出部８の構成を詳細に説明する。
図３に示すように、前記プローブ５を構成する円柱形の主電極２１と接地電極６とは接地電極支持体３０を介して、輸送経路２を形成する通路壁２０に設けた取付部４に取り付けられている。接地電極支持体３０の中空部に主電極２１が挿入されており、この主電極２１の基部には雄ねじ部４０が形成されて、ＰＴＦＥ（登録商標：テフロン）のような絶縁物からなるスペーサ２３を介してナット４１により固定されている。主電極２１の基部には配線用のコネクタ４２が挿入されている。主電極２１は例えばステンレス製である。

主電極２１は軸方向に２分割された絶縁体２４、３２で覆われており、絶縁体２４、３２の内面に部分的に溶着されている。絶縁体２４、３２も上記と同様の絶縁物からなる。この絶縁体２４、３２の周囲には、主電極２１の一部を覆うように、円筒形の接地電極６が設けられている。この例では、主電極２１の先端が絶縁体２４から突出しており、また、この絶縁体２４の先端を接地電極６の先端より長く延ばして、延面距離を大きくとっている。

接地電極６は、その基部が接地電極支持体３０で支持され、接地電極６と絶縁体３２間に設けられた支持円筒体２５で固定されて、接地電極支持体３０を介して通路壁２０に電気的に接続されている。接地電極６、接地電極支持体３０および支持円筒体２５も例えばステンレス製である。

接地電極６の先端部の内面に絶縁体２４が緊密に嵌め込まれており、絶縁体２４と絶縁体３２の間に、グロメット２６を介して、弾性体からなるシールパッキン２７が軸方向に圧縮された状態で介在している。これにより、接地電極６と絶縁体２４間が輸送経路２の内部空間に対してシールされている。この間に隙間があると、輸送経路２内の空気流に伴うプローブ５の揺れにより、この隙間に電荷が発生して、計測精度を低下させる。

通路壁２０の取付部４には、貫通したねじ孔３８が形成されており、このねじ孔３８に接地電極支持体３０の取付用雄ねじ部３７が螺合されて、ワッシャー３９を介してダブルナット３６で通路壁２０に固定されている。接地電極支持体３０の後端部に設けた連結用雄ねじ部４３に、検出部７を内蔵したハウジング３５がねじ込まれて、固定されている。

つぎに、本実施形態の静電誘導検出部８の作用を説明する。
図２（ａ）の流動計測装置の静電誘導検出部８の構造はシリンダ型ファラデー・ケージと同様である。主電極２１内の帯電した粉体粒子３ａの移動により引き起こされる静電誘導は、主電極２１内で平衡状態にあった自由電子に作用し、図２（ｂ）のように主電極２１から検出器７の回路内で電子を移動させて、図２（ｃ）のような電流ｉ(t) を発生させる。

すなわち、輸送経路２内で粉体粒子３ａがプローブ５の近傍を通過する場合、静電誘導現象により、＋に帯電した粉体粒子３ａが導体（主電極２１）に近づくと、導体の近い方に反対の符号の−の電荷、遠い方に同符号の＋の電荷が現れる。遠ざかると、導体は電荷が中和されたもとの平衡状態に戻る。以下、この状態を繰り返し、図２（ｃ）に示すように、主電極２１に交流電流ｉ(t) が生起される。したがって、濃度が高いと、交流電流ｉ(t) の振幅が大きくなるとともに、主電極２１に誘導される＋の電荷、−の電荷がもとの平衡状態に戻るタイミングも速くなって、周波数が高くなる。逆に濃度が低いと、振幅が小さくなるとともに、周波数も低くなる。この粉粒体の濃度と、検出される交流電流の振幅、周波数とは特有の相関関係を有する。

図２（ａ）の検出器７はこの交流電流ｉ(t) を検出し、電流−電圧変換回路７ａで図２（ｄ）のような電圧Ｖ(t) に変換される。この電流−電圧変換回路７ａは、帰還抵抗Ｒの値が大きくなっても負帰還の効果により入力インピーダンスが十分に小さくなり、特別のＯＰアンプを選ばなくても高感度・低雑音の特性を持っている。

そして、検出器７から検出された検出電流は、信号処理部１４のフィルタ回路により、交流分のみが取り出されて、前記プローブ５への粉体粒子３の衝突や帯電した粉体粒子３ａの接触による直流分がカットされる。つぎに演算部１５により、取り出された交流電流の周波数と振幅から、メモリに記憶された相関データに基づいて、輸送経路２内の粉粒体の濃度が算出される。

これにより、この粉粒体の流動計測装置１は、流速変化や粉体粒子３ａの大きさ、プローブ５への粉体粒子３ａの付着の影響を受けずに、高精度で濃度を計測できる。

一方、接地電極６を、輸送経路２内の筒体４ａとプローブ５間、つまり、粉体粒子３ａが滞留しやすく粉粒体の濃度が異常となる主電極２１の根元部に設けているので、接地電極６に生起される電流は検出器７に取り込まれることなく、アースＥに落としてその異常な濃度データをノイズとしてキャンセルするから、高い計測精度を得ることができる。

つぎに、演算部１５は、メモリに記憶される粉粒体の濃度と、輸送中の空気に対する粉粒体の重量比である固気比との相関データに基づいて、当該固気比を求める。流動状態判断部１６は、濃度のしきい値に相関する固気比のしきい値に基づいて、粉粒体の流動停止および流動停止前の中間の流動状態を判断する。流動停止のときの濃度をＡ、これに相関する固気比をＢとし、粉粒体の材質、種類、製造工程の温度条件、輸送経路２に固有の搬送条件などを考慮して、濃度のしきい値ｔ０×Ａ、これに相関する固気比のしきい値ｔ１×Ｂが設定される。ただし、ｔ０、ｔ１はともに１未満の定数である。

求められた固気比がしきい値ｔ１×Ｂよりも高いとき、輸送経路２内の粉粒体が流動しているものの、閉塞に近い状態にあると判断して、警報部１９から警報が出される。その一方、固気比がしきい値ｔ１×Ｂよりも低いとき、粉粒体が十分に流動している、つまり閉塞から遠い状態にあると判断する。例えば、求められた固気比が０．９Ｂでしきい値を超えたとき、警報が出されるとともに、粉粒体投入量調整部１７からフィーダ１２に制御信号Ｓ１が出されて、輸送経路２への粉粒体の投入量を減少させる調整が行われ、流体流量調整部１８からブロワ１３に制御信号Ｓ２が出されて、粉粒体を輸送する空気の送出量を増加させる調整が行われる。この結果、輸送経路２内における粉粒体の流動停止を回避させることができる。

このように、粉粒体の濃度に基づいて輸送経路２内における粉粒体の流動状態を検出するので、従来のような流動停止の状態だけでなく、流動停止前の中間の流動状態を容易に検出することができるとともに、輸送経路２内における粉粒体の流動停止を回避できる。

図４は、静電誘導検出部８のプローブ５の変形例を示す。このプローブ５は、図３と異なり、主電極２１の全部を絶縁体２４および絶縁体３２で覆われている。管径の小さい輸送経路２に設置するために、主電極２１は図３よりも突出長さが短くなっており、主電極２１、絶縁体２４および接地電極６の先端は面一になっている。その他の構成は、前記実施形態と同様である。

なお、上記各実施形態では、流動計測装置として静電誘導型を用いているが、粉粒体の蓄積した電荷量を計測する静電容量型を用いてもよい。

１粉粒体の流動計測装置
２輸送経路
３粉粒体（粉体）粒子
３ａ帯電した粉粒体（粉体）粒子
５プローブ
６接地電極
７検出器
８静電誘導検出部
１０検出制御部（コントロールユニット）
１５演算部
１６流動状態判断部
２１主電極
２４絶縁体

Claims

粉粒体が流体輸送される輸送経路内に突出して設けられた主電極と、前記主電極の全部または一部を覆う絶縁物を介して主電極の少なくとも根元部を覆う接地電極と、帯電した粉粒体の電荷に基づき両電極により前記輸送経路内の粉粒体の濃度を検出する検出制御部とを備え、
前記検出制御部は、前記輸送経路内を流れる帯電した粉粒体粒子の移動による静電誘導によって前記主電極に生起される電流から、前記粉粒体の濃度を検出し、前記粉粒体の濃度と輸送中の空気に対する粉粒体の重量比である固気比との相関関係から当該固気比を求め、求められた固気比と粉粒体の流動状態と流動停止前の状態とを区別する前記固気比のしきい値との比較から、前記輸送経路内における粉粒体の流動停止前の状態を含む流動状態を計測する粉粒体の流動計測装置。
請求項１において、
前記検出制御部は、前記流動停止に近づいた流動状態を検出した場合に、粉粒体の前記輸送経路への投入量を減少、または粉粒体を輸送する流体の前記輸送経路への送出量を増加させる制御を行う、粉粒体の流動計測装置。