光散射透射法在线测量白水浓度

光散射透射法在线测量白水浓度
张占波闫东波刘焕彬
(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州, 510640)
摘要:本文论述了利用光散射透射法测量白水浓度的原理,给出了在线传感器的结构和利用在线传感器进行测量的结果。

关键词:光散射;光透射;白水浓度
随着现代造纸工业纸机车速的提高,再生纤维
的大量使用,中性造纸技术的应用,使用的造纸湿部
化学品的种类越来越多,对造纸湿部进行系统的优
化控制也变得愈加重要。

另一方面,随着环保意识
的提高,纸厂的环保压力在不断增大,实施清洁生产
要求纸机白水最大限度地封闭循环,以提高纤维利
用率和减少污染物排放,这也要求对纸机湿部进行
系统的优化控制。

虽然影响湿部化学变化的因素很多,但最终都
将在纸机网下白水浓度的变化中体现出来,要实现
纸机湿部的优化控制,则网下白水浓度是一个必不
可少的参数。

目前纸厂白水浓度的测量采用的是传统的重量
法,重量法测定方法准确,但测定时间较长,且仅限
于实验室测量,无法实时监控造纸工艺。

如果能够
在线监测纸机网部白水浓度,则对产品质量的控制
和湿部化学的研究有着积极的意义。

国外已有利用
光散射透射原理测量白水浓度的产品,如K AJAANI
的R M - 200 。

国内尚无相关产品。

有鉴于此,我们
研制了白水浓度在线测量传感器。

流道为圆形玻璃管,半径为d 。

图1 为剖面图。

光强为I0 ,波长为λ的单色平行光穿过流道
中心。

立体角θ范围内的光作为透射光I t 。

立体角
Ω2 范围内的光作为90°散射光。

定义立体角θ
以外的全体为立体角Ω1 。

立体角θ和Ω2由
小孔光栏限定。

考察入射的平行光束与两个
小孔光栏延长线在
流道中心的交汇区域D 。

假设区域 D 内的90°散射光穿过悬浮液时没有
吸收和二次散射。

固定入射光波长,根据散射理论
和Lam bert - Beer 定律,有:
I s Vμτ
e (α+τ) d
=
d2
t
式中:V 为区域D 的体积μ,为系数。

令Vμ/ d2 = A ,将e (α+τ) 展开,略去高次项,得:
I s
= Aτ(1 +αd +τd)(1)
t
由式(1) 可以看出,如果忽略悬浮液对散射光的
吸收和二次散射,散射光与透射光之比和散射系数
之间为二次函数关系。

而散射系数和区域D 内的
散射粒子个数成正比,即与浓度c 成正比。

1 测量原理
利用光学方法在线测量白水浓度,涉及光线在
悬浮液中的吸收和散射。

考察如
图1 所示的测量装置:
图1 装置剖面图
图2 传感器结构图
作者简介: 张占波,男,硕士研究生,主要从事造纸过程计算机模拟与控制的研究。

Pap er Science & Technology 2004 Vol . 23 No .6 93
传感器结构
传感器如图 2 所示 ,光源采用红色单波长激光 二极管 。

光路 、流道和光接收元件封闭在黑色工程 塑料内 。

电路由光电转换 、模拟放大 、A/ D 转换和 计算机等组成 。

2 3 实验方法和结果
白水为南方某新闻纸厂 5 号机网下白水 ,经浓 缩后再稀释到不同浓度 。

对不同浓度的白水 ,用重 量法测量其浓度 ,用上述传感器测量其散射光强度
和透射光强度 。

表 1 是实验结果 。

图 3
电路框图
表 1
白水实验数据
散射光强 I r / V
透射光强 I t / V
实测浓度/ %
计算浓度/ %
相对误差/ %
I r / I t 0 . 084 0. 5176 6 . 8567 0. 274751 0 . 090015 2 . 086371 0 . 0926 0. 6628 4 . 7506 0. 373523 0 . 100238 2 . 649351 0 . 1041 0. 7686 3 . 4266 0. 473607 0 . 106974 0 . 996801 0 . 1226 0. 9348 2 . 0047 0. 682865 0 . 121057 - 0 . 53528 0 . 143 1 . 226 1 . 1729 1. 022386 0 . 143907 0 . 314448 0 . 1579 1 . 344 0 . 8167 1. 282828 0 . 161434 1 . 225914 0 . 1705 1. 3332 0 . 7119 1. 368479 0 . 167199 - 1 . 14511 0 . 199 1. 5254 0 . 4937 1. 757763 0 . 193397 - 1 . 94331 0 . 2068 1. 5581 0 . 4501 1. 860558 0 . 200316 - 2 . 24921 0 . 2204 1. 7688 0 . 3443 2. 266579 0 . 227641 2 . 511538 0 . 231 1. 6286 0 . 3492 2. 159584 0. 22044 - 3 . 66285 0 . 2452 1. 6991 0 . 3028 2. 368817 0 . 234521 - 3 . 70399 0 . 2512 1. 8212 0 . 2567 2. 663581 0 . 254359 1 . 095731 0 . 2582 1. 8049 0 . 2468 2. 704295 0 . 257099 - 0 . 38189 0 . 2927 1. 9348 0 . 1921 3. 173616 0 . 288684 - 1 . 39287 0 . 2947 1. 9445 0 . 1947 3. 160247 0 . 287785 - 2 . 39868 0 . 3038 1. 9461 0 . 1844 3. 248644 0 . 293734 - 3 . 49159 0 . 333
2 . 07 0 . 1387 3. 863198 0 . 33509
3 0 . 726053 0 . 3723
2. 1129
0. 117
4. 249585
0 . 361097
- 3 . 88585
最小二乘法进行回归 ,结果为 : 从回归结果可以看出 , I s / I t 与白水浓度之间 的相关性很好 ,且为线性相关 。

相关系数达到0 . 99 , 计算浓度和实测浓度之间的最大相对误差不超过
4 % ,最大绝对误差小于 0 . 0112g/ L 可以用于白水浓
度在线测量 。

4 结论
新闻纸纸机网下白水的浓度与 (下转第 108 页) 图 4
I r / I t 与白水浓度的关系
《造纸科学与技术》 2004 年 第 23 卷 第 6 期
94
f onates and kraf t lignins as oil/ w ater 2emulsion stabiliz ers studied by means of electrical c onductivity. c olloid and polymer science , 1999 , (277) :462 - 468 中 野 隼 三 编. 木 质 素 化 学 —基 础 与 应 用. 中 国 计 划 出 版 社 ,
1978 . 223 - 224 .
为我公司的废水达标排放奠定了坚实的基础 ,并促 进了公司的技术创新和设备更新工作 ,取得较好的 社会效益和经济效益 。

2
参 考 文 献
1 S. A gundersen , J . Sjoblom. H igh and low m olecular w eigh lignosul 2
Comprehensive U tiliz ation of R ed Liquor from Su lf i te Cooking
Zhou Dunhua Lin Ying Liao Yongde Liu S h engjiao
(Jiang men Sug arcane Chemical Factory C o . Ltd. ,Jiang men ,529075)
Abstract : C om prehensive utiliz ati on of red liquor is one of the m ost efficient m ethods for acid pulping spent liquor treat 2 m ent . According to the practice of our com pany ,the process fl ow and m ain equipm ent of red liquoz com prehensive utiliza 2 ti on were briefly introduced.
K ey w or d s : red liquor ; lignosulphonate ; c om prehensive utiliz ati on
(上接第 94 页)
上述传感器测得的散射光与透射光比值的平方根之
间有很好的线性关系 。

即使白水组分发生变化 ,两 者间的线性关系仍然成立 。

不同原料 、不同工艺的 白水组分相差很大 ,测量不同的白水 ,需要测得其不 同浓度下的传感器输出以确定数学模型的回归系 数 ,方能进行在线测量 。

(12) :648 - 651
贡献. 水的浊度测量及浊度单位. 电子仪器仪表用户 , 1998 (4) :44 - 56
丁来宝等. 造纸白水浓度快速测量法. 纸和造纸 , 2001 (3) : 68
- 69
2 3
参 考 文 献
1
孙振东等. 积分球式比例测浊仪的研制. 仪器仪表学报 , 1998
Online Mea s urement of the Consistency of White W ater B a s e d
on the Light Absorbing and Scattering Method
Zhang Zhanbo
Yan Dongbo Liu Huanbin
( S tate K ey Lab oratory of Pu lp and Paper Eng ineering , S o u th C hina University of Techn olog y G u ang zhou ,510640
) Abstract : The principle of m easuring the consistency of white water and the structure of online sensor and the result of m easurem ent were introduced in this paper .
K ey w or d s : light scattering ; light absorbing ; the consistency of white water
《造纸科学与技术》 2004 年 第 23 卷 第 6 期
108。