2.6纸浆浓度检测

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。 8 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75～100转/分，从而 保证转子与纸浆的相对转速 在临界速度之下。
V=0 V0
Vc V0 (a
小流速 S
) VC W 水层的 形成
大流速 S
VC
W (b )
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0.5～1.5m/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。
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％）。
V=0 V0
Vc V0 (a
小流速 S
) VC W 水层的 形成
大流速 S
VC
W (Hale Waihona Puke Baidu )
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（0.3～ 0.6m/s）以下，以保证纸浆浓度与摩擦力 间的一定关系。
1. 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
2. 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。
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：P
KFC V
2.5
2.5
0.15
D
1


或 C
PD KFV 0.15
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。
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。
V 第一个问题是靠刀片 V V 形状的合理设计来解决的。 如图3所示的弯刀，其特 (a ) 小流速点是尾部为一刀翅。这样 V 上述两种力（冲击力和剪 W S 切力）的合力在前缘为F1， 水层的 在尾翅为F2，该弯刀形状 形成 V 大流速 使F1和F2对主杠杆支点H S W 所形成的力矩大小相等而 方向相反，这样这两种力 (b 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。
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。
（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。


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。
c 0 0 C C
V=0
5
4 6
3 2 7 8 PO H F2 F F1
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0.3～0.4m/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。
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：
压损（mmH2O） a 20 3.41% 2.47% 3 2 1 0.5 0.2 0.1 0.2 1.27% 0.67% D F 水 0.5 1
（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
V=0 Vc V0 (a 小流速 S ) VC W 水层的 形成
4
5 6 频率-电压 转换器 7 2 Io
8
3 进浆
1
出浆
图 2-9-19 电动旋转式浓度变送器的结构原理图 1 转子 2 取样筒 3电机 4 信号盘 5 光源 6 光敏三极管 7 转轴 8 透光孔

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。
V0
大流速 S
VC
W (b
图 2弯刀表面纤维层和水层的形成 )
V0 -管道中纸浆流速 VC -临界速度（0.3-0.6m/s）
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。
b
c
d
I H
2
6 10 纸浆流速（m/s）
（1）局部环栓流区（a区） 当纸浆流速比较低，即在临 界速度（约0.3～0.6m/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。
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： xCl I I 0e 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： 1 I0 C l ln x I

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。
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。
4
5 6 频率-电压 转换器 7 2 Io
3 进浆
1
出浆
电动旋转式浓度变送器的结构原理图 1 转子 2 取样筒 3电机 4 信号盘 5 光源 6 光敏三极管 7 转轴 8 透光孔

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。
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0.5～1.5m/s。