质量流量计

科里奥利固体颗粒料质量流量计瞬时流量计算公式

本文通过对科里奥利固体颗粒料质量流量计的结构分析,认为该流量计无法获取实时的质量流量,并对公开的瞬时流量计算公式进行了理论分析,说明其理论上的缺陷,给出了详细的推证过程和更为精却的理论计算方法和措施·

             质量流量计,电磁流量计,靶式流量计

由于利用科氏加速度原理检侧物料的质量流堡可直接测量,所以其被公认为是目前比较理想的检测方法,在某些文献资料中甚至被称为是“完美的测量 技术[1],尤其是对液气态物体的检测已有很长的历史,其理论和性能分析也比较完善,而将科氏加速度原理应用于固体颗粒物料质量流量的检测中则时间相对较 短,大概有二、三十年的历史[2],目前已有成型的产品应用于实际的生产之中(如德国的SCHENCH公司)[3]。虽有科里奥利固体质量流量计的瞬时流 量计算公式,但国内外的文献资料中很难见到该公式的详细推导过程,为此国内有关科研人员对此进行了研究分析,在近两年的文献资料中看到了理论分析的推导过 程[3-4];但是,本文研究发现,被广泛接受的科里奥利流量计算公式并非是精确的瞬时质量流量计算公式,应用此公式只能计算出在一定条件下某时间段内的 累计质量流量,同时还发现,由于机构设计的原因,科里奥利质量流量计对瞬时质量流量的概念定义比较模糊,本文将就以上2个问题做出分析。

2科里奥利质量流量计结构及基本测量原理

科里奥利固体颗粒料质量流量计中有一个旋转的计量盘,计量盘由一些围绕在分料盘周围的导向叶片组成,如图1所示,中心引出一驱动轴,由安装在其 壳体上方的电机来驱动。计量盘是内部全封尘设计的,在其一侧的上方有一偏心的进料口,而在其底部有一中心出口的排料锥体,如图2所示[5-6].

计量盘在恒定的角速度下旋转,被计量的固体物料由上部落到计量盘上,由计量盘上的叶片捕获,并由于离心力的作用使其沿径向被加速,同时由于科氏 力的作用,使其在切向被加速。科氏力在切线方向产生一个反作用扭矩,这个扭矩由驱动装置来平衡,而平衡力矩的大小与物料的质量流量相关,找出两者的相互关 系便可检测出物料质量流量的大小。

从瞬时质量流量的概念来看,瞬时质量流量是指在单位时间内通过某截面的物料质量,从科里奥利质量流量计的结构和应用原理来看,其测出的质量流量 应该是分料盘出口处的质量流量,即指通过分料盘出口处圆形截面的质量流量,而非流量计物料出口处的流量,物料从分卜料盘出口处到流量计物料出口处时,由于 物料在空间的随机重新分布与时间滞后的影响,两处的质量流量是不同的(参见图2),因此,当瞬时质量流量作为后继过程的输人参数(如作为控制输人参数时,科里奥利质量流量计测出的流量值就缺乏实时性,这使得它的应用受到了限制,也即只能作为一个累于卜装置来使用,这是它结构上的缺陷。而在国内外的文献 资料中未见有对这一问题的说明,对瞬时质量流量的概念存在模糊性。

3科里奥利质量流量计的理论分析

假设在0t时间内通过计量盘的物料总质量为m,共有n个颗粒物料构成,单个颗粒物料的质量用mj表示,并在时间段tj0~tj1内通过计量盘,单个颗粒料产生的瞬时扭矩为Fj(t),则有:

从式(1)的推导过程中可以作以下补充分析:将式(1)2边同乘以ω,可得:

(2)表示当颗粒料mj从进人计量盘到离开计量盘过程中系统应付出的能量,如果假设颗粒料离开计量盘时的径向速度为vR,则颗粒料具有的能量 为(不计物料进人计量盘时的初始能量):1/2mj(R2ω2 +v2R),若不计颗粒料运动过程中的摩擦损耗,则颗粒料的总能量为mjR2ω2,即说明:在不计摩擦时颗粒料在离开计量盘时的径向速度(指颗粒料被流量 计加速产生的速度,不包含其进人分料盘时的初速度)和切向速度是一样的,这个结论在计量盘中的任何位置都成立。

接着式(1)往下进一步推导,当所有物料在时间t内全部通过计量盘时,扭矩对时间的累计值为:

式中:q(t)指计量盘出口断面的瞬时质量流量,式(5)就是目前公开的科里奥利质量流量计算公式,式(1)、式(3)~(5)的推导方法参见 文献[ 4-5 ]事实上,从上面的推导过程来看,式(4)获取是有条件的,即等式(3)的成立并不是在任何时刻都成立,只有在所有的待测颗粒料已全部通过计量盘,而后继 不再有颗粒料进人计量盘时才成立,因此式(5)表达的瞬时质量流量计算公式是有理论缺陷的。

事实上,瞬时扭矩是计量盘上所有颗粒料共同作用所形成的,这时计量盘上每个颗粒物料产生科氏力的作用时间长度各不相同,也即其在径向的运动长度 各不相同,这就使得式(3)的积分求和得不到解析表达式。为了获取解析表达式,先作以下3个假设,以便对流量计算公式作出定性的分析:

(1)在测量时刻上,质量在计量盘径向上分布均匀,即用计量盘径向平均质量分布来代替rj位置处单位长度上的质量mr,使问题简化;

(2)不计摩擦(即离心力产生的径向速度vj=rj.ω);

(3)物料进入计量盘时的初始速度相同,设为v0=n.R.ω,n为某实数。

于是可得表达式:

而从质量流量的定义来看,可求得在计量盘出口处截面的质量流量为:

如果考虑实际情况,则出口截面处的瞬时质量流量应在式(9)前面再乘上假设中的前2项影响因子,即可表示为:

如果依然应用式(1)~(5)的推导方法,也可以得出与式(10)相同的结果。在一般情况下,即时间t不受限制时,转轴扭矩对时间的累积效果由 2部分构成,一部分是己经离开计量盘的质量所产生的扭矩对时间的累积效果;另外一部分是在测量时刻t时尚留在计量盘上的物料所产生的扭矩对时间的累积效 应。假设计量盘中的质量分布均匀,则易知位于计量盘径向位置rj(rjR,即尚未离开计量盘)处的物料产生扭矩的时间累积效应为:mrjωr2j drj(应用式(3)的结果),于是有下式成立:

由于F(t)-1/3(MR2ω)可以表示成k.F(t)的形式,于是得到与式(10)形式相同的结果。同时易知k<1.从式(11)来看,随着时间的增长,m的值会越来越大,而M的值(测量时刻计量盘上物料的质量)相对m则越来越小,此时式(11)可简化为:

由此可以得到式(5)的结论,但这种简化是有条件的:

(1)m>>M,即时间足够大;

(2)M随时间的变化比较平缓,即M≈ 0。否则式(5)的计算公式就会有较大的误差。这与液态质量流量的测量过程具有相似的现象[7]。总之,从以上的分析来看,用式(5)表达的瞬时质量流量计算公式在理论上是有误差的,而且值偏大。

本文就科里奥利固体颗粒料质量流量计瞬时流量计算公式的理论不足进行了定性的分析,指出了其作为瞬时流量检测时的不足之处,但并不否认科里奥利 质量流量计在其设计原理上有独到的优越性,在累计计量中有较高的精度。针对其不足做出相应的改进具有较大的现实意义。通过以上的分析讨论,可以得出以下几 点结论:

(1)从科里奥利质量流量计的机械结构来看,其测出的瞬时流量只是计量盘出口处圆形截面的质量流量,而非出料口的流量。

(2)流量计算公式q(t) =F(t)/(R2ω)只是一个近似的计算公式,比实际值偏大。在流量计开始工作的前期和进料口流量波动较大时瞬时流量的计算误差较大。

(3)当瞬时质量流量作为其他过程的输入量时,科里奥利质量流量计的瞬时质量流量缺乏实时性,此时科里奥利质量流量计不宜使用,而作为累计计量时比较适合。

(4)从原理上分析科里奥利质量流量计可以通过在计量盘上增加称重传感器等方法对瞬时流量作出修正。

点击次数:  更新时间:2019-04-22 13:25:35  【打印此页】  【关闭