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一種應用于紙漿濃度的內旋式變送器介紹

作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
一種應用于紙漿濃度的內旋式變送器介紹
纸浆浓度是指在一定重量(或体积)纤维的悬浮液中,绝干纤维的百分比含量。如何准确测量纸浆浓度一直是造纸工业部门比较关心的问题之一、纸浆是水中悬浮纸纤维等固体物质的两相流体,由于两相流特性复杂,其浓度的在线测量难度很大,而且不同的两相流特性不尽相同,因而其测量方法也应有所不同。目前,国内外有些厂家和研究院对不同两相流的在线浓度测量对象研究出了多种不同的测量方法妲迄今尚无非常理想的检测手段),主要有;用Y射线法、用阻抗法、密度法电容法流动成像法、超声波法、光学法和力学法面就这儿种方法作一简单介紹
(1)Y射線法
利用纖維與水對y射線的衰減率不同,當紙漿濃度不同時它對Y射線的衰減率不同。通過讓探頭發出的γ射線穿過管道,然後檢測並測定衰減信號便可實現濃度測量。這種方法從原理上講測量範圍無上、下限,但造價高。
(2)阻抗法
利用紙漿纖維的非導電性,隨濃度(含纖維量)的變化工業管道的阻抗亦會發生變化、從管道兩側引出電極就可測量電容或電導的變化量這種方法造價低原理簡單,但在實現測量中,如何克服各種分布參效的影響是個難題
(3)密度法
密度法是利用測量對象的密度和濃度的關系來測量的一種方法,由于溶質和溶劑的密度不一樣,當其混合比例不同時即濃度不同時其密度便發生改變利用這種對應關系,便可通過測密度間接測得濃度由于紙漿的濃度變化時其密度的變化量很小;另外紙漿纖維含量不變時各種填料的變化也會使密度發生變化從而影響濃度的測量;因此密度法很難獲得工程實現
(4)電容法
電容法測量濃度的基本原理是基于流體通過電容極板間所形成的敏感電場時,濃度的變化將引起流體等效介電常數的變化,從而使電極間的電容值隨之變化,通過測量電極之間的電容可測量介質的組分比例,即介質的濃度、其原理見圖1.1
電容法有望在髙濃測量範圍內得到應用.但其測量值易受兩相流體流動狀態流型影響測量具有局限性當固相分布發生變化時常導致難以估計的測量誤差,且易受介質中化學離子多少的影響,測量結果很不穩定。
(5)流動成像法
以陣列式電容傳感器爲信息獲取手段,基于流動成像技術也可以測量兩相流離散相的濃度測量原理圖見圖1.2

該技術可獲取兩相流體流經管道某一截面局部的,微觀的物質的相分布實時信息。由于兩相流體各分相具有不同的介電常數,當各相組分濃度及分布發生變化時其測量電容值隨之發生變化,電容值的大小可作爲兩相流相濃度的度量。采用多電極陣列式電容傳感器,各電極間相互組合可提供反映兩相流相濃度分布的多個電容測量值。以這些電容測量值爲投影數據,應用CT原理根據圖像重建算法可獲得反映相濃度(局部)分布的管截面圖像根據圖像進而可得兩相流離散相濃度值,但是流動成像法在理論和實踐中還存在一些問題如其圖像重建模型是在將兩相流視爲均相流,電容測量爲靈敏度分布均勻的測量場等在這些不符合實際的假設條件下推導的簡單模型,精度不高,難以用于實際兩相流參數測量,要想得到工程實用仍有待于進一步研究發展。
(6)超聲波法
超聲波傳播的方向性很好,尤其在液體和固體中傳播時衰減很小超聲波遇到雜質時會受到雜質的散射和吸收,碰到媒質分界面時有顯著的反射,利用這些特性,可以通過測量一定能量超聲波在含有固體懸浮物的液體中傳播時的衰減量,間接得到液體中固體懸浮物的含量,從而得到介質的濃度,測量原量見圖1.3
實際紙漿介質中除了液固兩相外,還會夾雜著許多小氣泡,形成多相流氣泡會嚴重影響超聲波的反射而使測量結果不能真實反映濃度的變化。
(7)光學法
光學法又分偏振光法、激光光纖法,全反射法以及光散射法圖1.4爲偏振光測量方法示意圖。

偏振光法由于受化學離子的影響難以得到理想的結果激光光纖測量法的基本原理就是將光源的光經光纖送入調制區,在調制區內紙漿濃度與進入調制區的光相互作用,使光的強度被調制,再經光纖送至光探測器把光強變化轉變爲電信號,經信號處理系統處理獲得紙漿濃度的大小.全反射法是利用光在光纖中穩定傳輸滿足全反射條件,即入射角(θ)大于臨界角(θc)。當光纖彎曲時,部分光線因入射角(θ)小于(θc)而通過界面透射出去若將光纖繞成一定直徑的螺線管狀,傳輸光線將連續發生透射,導致傳感光強的衰減,如果將光纖包層去掉,並浸入檢測液體中則透射出去的光線與液體折射率相關在
保持入射光波長,光纖彎曲半徑和光纖長度不變的條件下,光強的變化與液體的折射率變化即液體濃度變化相關散射法是一種能夠測量中濃度的光學濃度傳感器,它是利用光在紙漿中的散射作用,如圖1.5所示

测量探头顶部内装有一个光源(LED)和两个光敏元件。LED发出的单色红外脉冲光通过一块石英玻璃窗射人到流动的纸浆中,光束的透射能力和散射强度与透光的横截面相纸浆纤维的密度有关、用光敏元件定点测量直接散射光强和间接散射光强,即可确定纸浆的浓度。间接散射光强的测量主要为补偿石英玻璃窗受污染给浓度测量带来的影响。但浓度高时,窗口污染大,其补偿作用是有限的,需要人工清洁光学纸浆浓度變送器的显著优点是非接触式测量,工业管道内无可动部件通常可在不影响生产的情况下对传感器进行维修.一般来说它们对纸浆流速不敏感所能接受的流速是没有限制的;它们体积小便于安装但是使用时光学传感器都受制浆造纸生产过程中填料量的影响,它们也不宜测量含有黑液或有诸多杂质的纸浆测量中,高浓度有一定的因难外纡维的粗细长短对光的反(散)射影响较大会带来测量误差。从本身性能的预测性来看,不如力学式测量方法。光学传感器變送器则注重探头的安裝位置能否对整个纸浆浓度具有代表性以及光源的选择等。
(8)力學法
力学法也叫机械法,是目前能很好的应用在工程中的在线测量两相流浓度的主要方法。它是一种利用流体粘度的性质测量纸浆浓度行之有效的间接测量方法按照變送器的结构类型又分为;静刀式浓度變送器、外旋式浓度變送器动刀式浓度變送器內旋式濃度變送器。静刀式浓度變送器由刀形敏感元件、主杠杆、矢量机构等组成。刀形敏感元件如图1.6所示

将其置于浆管中,当纸浆浓度不同时,流动的浆流使刀片两侧产生的剪应力随之变化,这一变化由力平衡系统检出并转变成电信号。这种變送器零点经常会发生漂移,受流速的影响很大。外旋转式浓度變送器将旋转锥体形敏感元件置于取样管的出口处,锥体表面与出口处的纸浆相对运动,当纸浆的浓度不同时敏感元件上的剪应力发生变化从而使锥体的旋转速度发生变化,由此變送器送出的电信号也随之变化从而间接测量出纸浆的浓度、这种测量方式需要外加旁通管路容易堵浆当敏感元件与纸浆的接触面积发生变化时(这种情况是经常发生的),测量结果将发生偏差。动刀式浓度變送器结构由敏感元件、测量轴、驱动部件劝发生器)和电路单元组成。可动部件在驱动力和运动阻力的共同作用下以支承轴为支点作摆动,构成一个单自由度机械可动系统,如图1.7所示

它与静刀式浓度變送器的主要区别是支撑轴上的敏感元件(刀)不停地摆动其工作原理为:敏感元件的运动由力发生器和驱动线圈构成系统驱动,当电流通入驱动线圈时,驱动线圈就会带动主轴以支承轴为圆心作偏摆运动而连在主轴上的敏感元件则剪切悬浮介质,敏感元件在一定时间里的运动距离是A到B即测量班离这个时间是剪切力作用时间,也就是浓度对转动起作用的时间当这个冲程结束的时候,电流反方向通入驱动线圈敏感元件返回到原来的位置这两个相反冲程的极限位置由两个限位块来调整,而时间测量由光电开关完成。
 
內旋式濃度變送器的工作原理
內旋式濃度變送器结构示意图如图所示,其测量纸浆浓度是基于剪应力与粘度成线性关系的原理。它是一力矩平衡式闭环仪表,集测量控制于一体,它主要由敏感元件硏轮)、平衡机构(测量轴和驱动轴)、光电分度變送器、反馈机构他磁铁)、电机、二次儀表等组成由于闭环结构降低了前向通道各环节性能对仪表输出的影响,该浓度變送器可获得很高的灵敏度和精度。變送器正常工作时,纸浆流体的浓度变化即其粘度的变化通过敏感元件转换成剪切力矩的变化;测量力矩作用在测量轴的左边,电磁铁产生的反馈力矩作用在测量轴的右边测量力矩的变化引起力矩不平衡就破坏了测量轴与驱动轴之间的同步运动关系,测量轴相对驱动轴产生角位移;光电分度變送器将角位移转换成相位差并送给仪表中的单片机微机只要检测到相位差变化就会按一定规律控制反馈电流增加或减少,使反馈力矩紧紧跟随测量力矩变化,zui终两轴恢复原来的同步关系(相位关系)这样,微机根据变化后的反馈控制输出数据即可按一定关系计算出被测浓度。
 
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