1、引言

  在水泥、硅膠等產品生產中，粒徑作為其中的一個關鍵參數，直接影響產品質量。傳統上粉體的粒度測試采用人工采制樣或機械采制樣，加人工實驗室化驗的方法，這種方法有很多的的缺點：1、取制樣誤差大，以局部代表整體過程，存在代表性問題；2、不在線，不實時，分析數據嚴重滯后；3、分析數據對實時生產過程指導意義不大，只能是一種補救措施。

  激光粒度測試儀器以其快速、準確、重復、方便等特點越來越多地被用于生產控制，隨著生產控制的進一步要求，離線測試已經不能夠滿足要求，為了能夠得到連續(xù)的粒度測試結果，在線粒度測試系統漸漸成為成為了各大廠家關注的焦點。

  目前，國際上英國馬爾文、德國新帕泰克、中國微納顆粒等激光粒度儀廠家都推出了粉體在線激光粒度分析儀，本文就針對微納儀器的粉體在線激光粒度分析系統的設計與實驗結果進行深入的探討。

  2、系統構成

  粉體在線激光粒度分析系統是可用于工業(yè)現場的粉體粒度分析系統，各項參數根據客戶應用要求量身定制，本系統主要有以下幾部分構成：主機系統、供氣系統、取樣系統、樣品分散系統、密封樣品窗口系統、回料系統、現場控制柜系統、遠程傳輸與顯示系統。本系統的主要功能是可以對流動的顆粒粒度分布進行實時監(jiān)測，并提供準確的控制信號。

  系統結構如圖1所示。取樣器把粉體樣品從生產線管道中取出，通過卸料器傳給喂料器，喂料器均勻地把樣品送入樣品分散泵中,分散好的粉體樣品通過防堵反吹閥進入儀器主機，在保護氣的作用下通過樣品窗口，回料泵把測試過的粉體樣品送回到生產線管道中。測試過程中主機把測試到的粉體散射光譜實時地傳輸到現場控制柜，由安裝到現場控制柜PC平板中的在線粒度分析軟件通過反演運算得到粉體樣品的粒度分布，現場控制柜把得到的粒度分布數據一方面通過遠程通訊傳給中控PC，工作人員可根據粒度分布數據對生產線及時作出調整，也可直接傳輸給生產線控制系統，直接調整生產線上的設備使其運轉到最佳位置。現場控制柜中的PLC系統是整套系統的控制中心，能控制系統上每一個部件的開關，并對系統的運行實時監(jiān)控，對異常情況及時報警。

  圖1 系統結構圖

  3、系統設計

  3.1 在線取樣系統

  從管道中取出具有代表性的樣品是實現粉體粒度在線測試的第一步，根據不同的粉體生產工藝，本設計提供兩種取樣系統：負壓取樣和螺旋取樣，負壓取樣主要應用于飛灰式取樣，如火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣飛灰取樣，螺旋取樣主要應用于粉料的取樣，如水泥在空氣斜槽中傳輸過程中的取樣。

  負壓取樣器由取樣管和噴射泵組成，取樣管插入工藝管道，通過特殊設計的取樣孔從氣固兩相流中取出具有代表性的樣品。噴射泵與取樣管相連，可以形成0.04MPa的負壓，將取樣管中的樣品吸出送到主機進行測試，噴射泵采用陶瓷內芯，具有良好的耐磨特性。粉體在管道中傳輸過程中大小顆粒會產生分層現象，因此應采取多點取樣，本負壓取樣系統為運動式取樣，取樣器在運動控制箱的控制下從位置1到位置2作往復運動，在運動過程中連續(xù)取樣，保證了取出的樣品具有代表性。

  粉體運輸一般采用氣體輸送，管道中存在一定的正壓力或負壓了，螺旋取樣器只有在常壓下才能正常工作，因此在本設計中加入了旋轉卸料閥，能夠實現空氣密封，保證螺旋取樣器的正常工作，取出的樣品進入到分散泵中分散后經防堵反吹閥門進入主機進行測試。

  3.2 密封樣品窗口

  保持主機鏡頭，探頭的潔凈是保證在線儀器的連續(xù)運行的關鍵，本設計中采用全密封式樣品窗設計，一次保護氣對密封玻璃起到氣幕保護和吹掃的作用，二次保護氣保證密封窗口內的氣體壓力平衡，避免樣品從噴射管中噴出時出現返料現象。

  3.3 測試系統

  測試系統主要由主機和軟件系統構成。

  主機系統包括光路部分、電路部分、機械密封部分，光路部分采用反傅立葉變換光路，全量程采用米氏散射理論。電路部分掃描速度1000次/秒, 每秒可顯示2個完整粒度分布（用戶可調）。

  儀器符合ISO13320標準，所有接口（采樣管，閥門，管道）及主機各個部位均采用夾套式接頭方便現場檢修。

  軟件系統專門為在線粒度監(jiān)測系統研制，軟件具有形象化的良好的人機界面，操作方便，運行可靠，安全性良好，為用戶自行定制輸出數據項目提供方便。

  3.4 遠程通訊系統

  在線激光粒度分析系統的通訊系統構成如下圖所示，在線控制系統用于現場測試的自動控制及報警，現場PC為在線粒度測試軟件的運行平臺，生產控制系統為粉體生產設備的控制系統，中控PC用于數據的顯示及遠程生產線控制。

  在線控制系統控制器采用PLC，能夠穩(wěn)定地控制各器件的依次啟動和依次關閉，并能夠接收粒度分布數據并轉換為4-20mA標準信號輸出，能夠與生產控制系統進行接口，用于生產設備控制，提供完善的報警裝置。如果在線設備出現問題則自動報警，并自動采取保護措施。

  現場PC采用一體式工控機進行數據的采集、處理、并實時顯示在線顆粒的粒度分布，與中控室終端采用光纖通訊，能夠保證在遠距離和電磁干擾的情況下穩(wěn)定傳輸數據。

  圖2  通訊結構圖

  4、系統應用

  4.1 現場安裝

  圖3  現場安裝圖

  如圖3所示是微納公司為南京某水泥生產線定制的礦渣微粉在線粒度測試系統現場。本項目目的是為了在線24小時連續(xù)監(jiān)測梅寶公司成品的粒度分布數據，為生產線提供調整依據。本項目分為以下幾個系統：

  1、在線取樣系統

  2、在線分散系統

  3、在線主機

  4、在線回料系統

  5、在線空氣凈化系統

  6、在線氣體分配系統

  7、PLC控制系統

  8、工業(yè)PC測試系統（含在線粒度監(jiān)測系統專用軟件）

  9、遠程傳輸與顯示系統

  4.2 監(jiān)測數據

  圖7 粒度分布圖

  圖8 粒度數據監(jiān)控圖

  5、結論

  針對在線粒度測試方面的技術難點，本文結合微納儀器在線粒度分析儀器進行了詳細的分析研究，初步研究結果表明在線取樣技術，封閉樣品窗技術，遠程通訊技術均滿足了粉體粒度在線測試的需求。