2.6纸浆浓度检测

纸浆浓度检测,纸浆浓度对造纸过程来说，是一个重要参数，它不仅影响各个生产过程中浆料的质量，而且直接影响到纸张成品质量的物理标准。因此控制好各个环节的纸浆浓度，对保证浆料和纸张的质量以及减小原材料的消耗都极其重要。由于纸浆流体的特殊性，一般把纸浆分为中浓（一般大于2）和低浓（低于2）。,中浓纸浆测量仪表一般是利用纸浆流动时对感测元件所表现出来的压力损失与浓度有一定的关系来测量的低浓纸浆浓度测量仪多是利用纸浆对光的吸收、散射和透射能力与纸浆浓度有关的特性来工作的。,一、中浓纸浆浓度的测量,为了深刻了解纸浆浓度测量的原理和在使用时应注意的问题，以便在不同工艺条件下正确选择纸浆浓度测量仪表，保证测量精度。下面首先简介纸浆的流动特性与浓度的关系，然后给出几种常用中浓纸浆浓度测量仪表。,由于纸浆是液态水、固态纤维和气态空气组成的三相非均匀悬浮液。其流动特性受到诸如浓度、纤维种类、打浆度、填料量、流速、温度等多种因素影响，比较复杂。从大量的实验结果分析，纸浆的流动特性可定性描述如下：由于纸浆特有的网状物性质，当纸浆运动流经固体物质（如管壁、转子、搅拌器等）表面时，固体表面对纸浆运动会产生明显的阻力使纸浆产生压力损失。例如，下图所示的是四种不同浓度的未漂硫酸盐浆，在100m管道中流动实验所得的压力损失曲线。,大量实验证明，尽管不同浆料的压力损失不同，但曲线的形状有近似性。从图中曲线可见，在一定的流速范围内，存在压力损失的最大值D，最小值F，与水在同一流动条件下的压力损失相比，又有交点H和压力衰减点I。为了研究方便，根据纸浆流速可分成四个区域：,（1）局部环栓流区（a区）当纸浆流速比较低，即在临界速度（约0.30.6m/s）以下，见图中D线左侧段，纸浆沿管道运动时的压力损失，主要是由纸浆与管壁接触时纸浆纤维对管壁产生的摩擦力和纸浆纤维层之间的摩擦力决定，并且纸浆纤维对管壁的摩擦力比纤维各层之间的摩擦力大。在其它条件不变的情况下，纸浆浓度越大，压力损失也越大。,例如，对于化学浆，压力损失与浓度的关系可由下面经验公式表示：或式中P压力损失（mmH2O/100m）；C纸浆浓度（）；V纸浆流速（m/s）；D管道直径（mm）；K常数；F取决于纸浆种类、pH值、温度的常数。显然，如果纸浆种类、pH值、温度、流速和管道直径一定，可通过测量纸浆在管道中的压力损失P来测量浓度C。,（2）层流水环栓流区（b区）当纸浆速度提高时，各纤维之间的摩擦（连结）力增加，当高于临界速度时，见图中DF段，这时，各纤维之间的摩擦力就比纤维对管壁的摩擦力大，并且当纸浆沿管壁滑动时，其各层纤维没有相对移动而开始成为“活塞”。同时在内摩擦力的作用下，在管壁液体分界面处发生了纤维的分离，并沿流束中心线的方向发生放射型的压缩而形成层流状态的水环，该水环减小了管壁液体之间的摩擦力，因而使得总压力损失减小，当然，压力减小的程度与纤维的结构强度密切相关。,（3）湍流和减阻区（c、d区）在通常纸浆流速（约2m/s以下）时，水环运动具有分层特征，但当纸浆流速继续提高时，其运动就成为湍流，压力损失增大，见图中FH段。尤其到了HI段，纸浆变为混流或完全湍流状态，其压力损失更为增大。,由上述纸浆的流动特性可以看出，当纸浆与固体（管道或测量元件）之间的相对流速小于临界速度时，它们之间产生的摩擦力（压力损失）主要由纸浆浓度决定，同时与纸浆流速、浆种、pH值和温度等因素有关。但当它们之间的相对速度大于临界速度时，由于水环和湍流的产生，摩擦力与浓度之间的关系较为复杂，具有不确定性。,因此在利用纸浆在流动过程中产生摩擦力来测量纸浆浓度时，要把纸浆与测量元件之间的相对流速限制在临界速度之下，并要稳定或补偿纸浆流速、温度、浆种等因素的影响，只有这样，才能保证纸浆浓度和摩擦力之间的单值对应关系。这是在设计和使用这种变送器中必须注意的问题。,2刀式纸浆浓度变送器,在纸浆管道上设置一个固定物体（如圆铁棒）作为感测元件，如图（a）所示，当纸浆流动时，速度为V0的纸浆在碰到固定物体时，前缘部分的纸浆速度将降为零，而管道内其余的纸浆则继续以V0速度流动。由于纸浆特殊的纤维结构，这些继续以V0速度流动着的纸浆将带动前缘速度为零的纤维沿物体表面流动，并且使得这部分纤维流速由零逐渐增大。,这种流线型是伴随着纤维对物体表面及其纤维层之间的摩擦而发生的。当纤维离开固定物体时，它们混入到总的纸浆流中，且速度恢复为V0。因此纸浆纤维对检测元件表面产生摩擦力，该摩擦力的大小取决于纸浆浓度，纸浆浓度越高，摩擦力越大。因此，可通过测量该摩擦力的大小来间接测量浓度。,采用上述原理组成变送器时，还要解决好两个问题：一是上述感测元件除了受到纸浆纤维的摩擦力以外，还有纸浆对其产生的冲击力和它切断运动着的纸浆纤维结构所需的剪切力，这两种力显然与纸浆流速和纤维结构有关，因此在测量摩擦力时要补偿掉这两种力的影响；二是要限制相对流速在临界速度（0.30.6m/s）以下，以保证纸浆浓度与摩擦力间的一定关系。,刀式纸浆浓度变送器就属于这种流线型变送器，它由感测元件弯刀、力气（或力电）转换装置组成，气动刀式纸浆浓度变送器的结构原理如图3所示。弯刀的作用就是将纸浆浓度转换成与之成比例的摩擦力F，并传送给力气转换器的杠杆系统。这里要求弯刀要处理好上述两个问题。,第一个问题是靠刀片形状的合理设计来解决的。如图3所示的弯刀，其特点是尾部为一刀翅。这样上述两种力（冲击力和剪切力）的合力在前缘为F1，在尾翅为F2，该弯刀形状使F1和F2对主杠杆支点H所形成的力矩大小相等而方向相反，这样这两种力对主杠杆的作用相互抵消，从而补偿了流速变化和纤维结构不同对浓度测量的影响。,图3气动刀式纸浆浓度变送器1弯刀2主杠杆3副杠杆VC-临界速度（0.3-0.6m/s）4挡板5喷嘴6气动放大器S-弯刀表面纤维层面积7反馈波纹管8调零弹簧,第二个问题是通过弯刀两侧浆层和水层面积的变化来自动补偿纸浆流速过高对测量结果带来的影响。如图（b）所示，当速度为零的纸浆在流动着的纸浆带动下，速度逐渐增大，流速在到达临界速度VC（约0.30.4m/s）以前，纤维与弯刀两侧直接接触形成纤维层S，这时，纸浆对弯刀的摩擦力主要由纤维对刀面的摩擦力和纤维层之间的摩擦力来决定，符合测量要求。但当弯刀表面纸浆流速超过临界速度以后，则在弯刀表面形成水层W，显然水层对弯刀的摩擦力远远小于纤维层对弯刀的摩擦力。,S-弯刀表面纤维层面积W-弯刀表面水层面积,纤维层和水层区域大小与浆速V0有关，V0越大，水层W越大，纤维层越小。当V0超过1.5m/s时，几乎在弯刀前缘就形成水层，显然这时已不能通过摩擦力来感测浓度了。但是浆速在0.51.5m/s范围内，纤维层和水层面积的变化会自动补偿纸浆流速V0变化对测量的影响。,例如，流速增加时，虽然会增大纤维对弯刀的摩擦力，但水层同时向前移动，摩擦力较大的纤维层S减小，而摩擦力较小的水层W增大即摩擦力减小，结果使弯刀受到的总摩擦力F近乎不受浆速V0的影响，而与纸浆浓度几乎成单值函数关系。因此刀式纸浆浓度变送器可允许纸浆在管道中的流速达到0.51.5m/s。,力气转换器包括力平衡转换、位移检测、气动放大器和反馈装置等部分组成。弯刀上受到的摩擦力F作用在主杠杆上，并进一步传递给副杠杆带动挡板移动，从而改变挡板与喷嘴之间的位移，该位移通过喷嘴挡板机构转换成气动信号，通过气动放大器放大输出PO，同时该信号通过反馈波纹管转换成反馈力作用在副杠杆上，当反馈力和输入力所产生的力矩平衡时，变送器便达到稳定状态。此时变送器的输出PO便反映了纸浆浓度的大小。,3旋转式纸浆浓度变送器,旋转式浓度变送器是依据纸浆对感测元件产生的摩擦力或剪切力与纸浆浓度有一定关系进行测量的。根据安装位置的不同主要有两种形式，即旁路取样式和管道全通式。,如下图为电动旋转式浓度变送器的结构原理图。变送器主要由转子、伺服电机、光电频率发送器和频率信号转换器组成。转子是由有机玻璃制成的表面光滑的圆锥体，作为感测元件，由具有软特性的恒力矩电机带动旋转。被测纸浆引进取样筒上，并形成稳定的溢流，转子插入取样筒并以一定的转速旋转。转子的转速要求不能过高，一般为75100转/分，从而保证转子与纸浆的相对转速在临界速度之下。,转子与纸浆产生摩擦力使转子受到制动力矩，制动力矩大小由纸浆浓度决定，纸浆浓度越高，制动力矩就越大。而该制动力矩即是电机的负载力矩。因此，电机的转速就随着负载力矩的变化而变化。可通过测量电机转速来间接测知纸浆浓度的大小。,光电频率发送器将电机的转速转换成脉冲频率信号，再通过频率电压转换器转换成标准电流信号作为变送器的输出。光电频率发送器由信号盘、光源、和光敏三极管组成。光信号盘是钻有等分透光孔的圆盘，由光敏三极管接受光源透过信号盘的光脉冲信号，并将其转换为电脉冲信号。当然也可直接选择旋转编码器测量电机的转速。代表转速的电脉冲信号再通过频率电压转换器转换成标准电流信号输出，该输出信号的大小即反映了浓度高低。旋转式浓度变送器，条件容易稳定，并且可以更换转子的大小以适应不同性质的浆料，但由于采用旁路取样测量，因此安装较麻烦，并且取样筒内溢流面波动（即转子插入的深度的波动）对测量的影响没有补偿，在使用时要注意保证稳定的溢流。,二、低浓纸浆浓度的测量,当纸浆浓度在1.5%以下时，这时就不能采用测量摩擦力或剪力的方法来测量浓度。对于1.0%以下的低浓纸浆，一般采用纸浆的光学特性与浓度有关的原理进行测量。需要注意的是纸浆的光学特性除了与浓度有关外，还与纸浆的种类、打浆度、pH值、填料量、纸浆中气泡等多种因素有关，因此，在测量过程中也要考虑消除或补偿这些干扰因素。,1光电式低浓纸浆浓度变送器（1）测量原理当光线通过含有纤维、填料、胶料、白水等的低浓纸浆（或称纸料）时，纸浆对光线会产生吸收和部分散射，其中散射光通量与纸浆浓度有关。根据拉姆贝尔塔贝拉定律，穿过纸浆的光通量强度I可由下式表示：式中I0光源强度；x单位物质浓度上吸收光线的指数，它取决于纸浆纤维种类、打浆度和光线的波长等等；C纸浆浓度；光线穿过纸浆的厚度。因此，纸浆浓度为：,当I0、和x为常数时，纸浆浓度可以通过纸浆的光通量强度来测定。其测量原理如下图（a）所示，由光源D发出的光线经聚光透镜B后形成平行光束，照射到流经玻璃管T的纸浆上。通过纸浆散射的光通量，分别被光电池P1（置于散射角约30处）和P2（置于散射角约45处）接收，并被转换成光电流i1和i2，光电流i1和i2的大小随纸浆浓度变化而改变，其关系见下图（b），即i1随浓度的增大而减小，i2则随浓度的增大而提高。,同时，由光源D发出的光线经可变光栅G照到一块毛玻璃H上，通过毛玻璃散射的光通量被光电池P3所接收，并被转换成光电流i3，作为测量（i1i2）的参比电流。对两块光电池电流进行差动测量的目的是补偿浆种、填料、打浆度等因素对浓度测量的影响。,2偏振光式低浓纸浆浓度测量仪,利用纸浆纤维具有消偏振特性可以制作偏振光式浓度变送器。其基本组成原理如图所示。光源1发出的光通过垂直偏振镜2后，成为平行于入射面的偏振光束，并透过纸浆纤维流经的玻璃管。,由于纸浆纤维的消偏振特性，使透过纸浆悬浮液的部分偏振光发生偏转而成非偏振光，这种消偏振的强度是随浆料浓度的增大而增加的。透过纸浆后的光束再通过平行偏振片5（检偏器）。由于垂直偏振光不能通过平行偏振片，只有消偏振后的那部分光透过平行偏振片，因此透过平行偏振片的光强度便与纸浆纤维浓度有关，它通过透镜3聚焦后在光电池4上产生光电流，从而测知纤维浓度的大小。,在偏振光式浓度变送器中，由于纸料中其它物质（