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一种应用于纸浆浓度的内旋式变送器介绍

作者:江苏创辉自动化仪表有限公司
一种应用于纸浆浓度的内旋式变送器介绍
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绍
(1)Y射线法
利用纤维与水对y射线的衰减率不同,当纸浆浓度不同时它对Y射线的衰减率不同。通过让探头发出的γ射线穿过管道,然后检测并测定衰减信号便可实现浓度测量。这种方法从原理上讲测量范围无上、下限,但造价高。
(2)阻抗法
利用纸浆纤维的非导电性,随浓度(含纤维量)的变化工业管道的阻抗亦会发生变化、从管道两侧引出电极就可测量电容或电导的变化量这种方法造价低原理简单,但在实现测量中,如何克服各种分布参效的影响是个难题
(3)密度法
密度法是利用测量对象的密度和浓度的关系来测量的一种方法,由于溶质和溶剂的密度不一样,当其混合比例不同时即浓度不同时其密度便发生改变利用这种对应关系,便可通过测密度间接测得浓度由于纸浆的浓度变化时其密度的变化量很小;另外纸浆纤维含量不变时各种填料的变化也会使密度发生变化从而影响浓度的测量;因此密度法很难获得工程实现
(4)电容法
电容法测量浓度的基本原理是基于流体通过电容极板间所形成的敏感电场时,浓度的变化将引起流体等效介电常数的变化,从而使电极间的电容值随之变化,通过测量电极之间的电容可测量介质的组分比例,即介质的浓度、其原理见图1.1
电容法有望在髙浓测量范围内得到应用.但其测量值易受两相流体流动状态流型影响测量具有局限性当固相分布发生变化时常导致难以估计的测量误差,且易受介质中化学离子多少的影响,测量结果很不稳定。
(5)流动成像法
以阵列式电容传感器为信息获取手段,基于流动成像技术也可以测量两相流离散相的浓度测量原理图见图1.2

该技术可获取两相流体流经管道某一截面局部的,微观的物质的相分布实时信息。由于两相流体各分相具有不同的介电常数,当各相组分浓度及分布发生变化时其测量电容值随之发生变化,电容值的大小可作为两相流相浓度的度量。采用多电极阵列式电容传感器,各电极间相互组合可提供反映两相流相浓度分布的多个电容测量值。以这些电容测量值为投影数据,应用CT原理根据图像重建算法可获得反映相浓度(局部)分布的管截面图像根据图像进而可得两相流离散相浓度值,但是流动成像法在理论和实践中还存在一些问题如其图像重建模型是在将两相流视为均相流,电容测量为灵敏度分布均匀的测量场等在这些不符合实际的假设条件下推导的简单模型,精度不高,难以用于实际两相流参数测量,要想得到工程实用仍有待于进一步研究发展。
(6)超声波法
超声波传播的方向性很好,尤其在液体和固体中传播时衰减很小超声波遇到杂质时会受到杂质的散射和吸收,碰到媒质分界面时有显著的反射,利用这些特性,可以通过测量一定能量超声波在含有固体悬浮物的液体中传播时的衰减量,间接得到液体中固体悬浮物的含量,从而得到介质的浓度,测量原量见图1.3
实际纸浆介质中除了液固两相外,还会夹杂着许多小气泡,形成多相流气泡会严重影响超声波的反射而使测量结果不能真实反映浓度的变化。
(7)光学法
光学法又分偏振光法、激光光纤法,全反射法以及光散射法图1.4为偏振光测量方法示意图。

偏振光法由于受化学离子的影响难以得到理想的结果激光光纤测量法的基本原理就是将光源的光经光纤送入调制区,在调制区内纸浆浓度与进入调制区的光相互作用,使光的强度被调制,再经光纤送至光探测器把光强变化转变为电信号,经信号处理系统处理获得纸浆浓度的大小.全反射法是利用光在光纤中稳定传输满足全反射条件,即入射角(θ)大于临界角(θc)。当光纤弯曲时,部分光线因入射角(θ)小于(θc)而通过界面透射出去若将光纤绕成一定直径的螺线管状,传输光线将连续发生透射,导致传感光强的衰减,如果将光纤包层去掉,并浸入检测液体中则透射出去的光线与液体折射率相关在
保持入射光波长,光纤弯曲半径和光纤长度不变的条件下,光强的变化与液体的折射率变化即液体浓度变化相关散射法是一种能够测量中浓度的光学浓度传感器,它是利用光在纸浆中的散射作用,如图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变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。光学传感器变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)力学法
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变送器的结构类型又分为;静刀式浓度变送器、外旋式浓度变送器动刀式浓度变送器内旋式浓度变送器。静刀式浓度变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。这种变送器零点经常会发生漂移,受流速的影响很大。外旋转式浓度变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,由此变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。动刀式浓度变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

它与静刀式浓度变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。
 
内旋式浓度变送器的工作原理
内旋式浓度变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)、光电分度变送器、反馈机构他磁铁)、电机、二次仪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,该浓度变送器可获得很高的灵敏度和精度。变送器正常工作时,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;光电分度变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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