采用NILabVIEW平臺(tái)的新型絮凝分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

趙光磊 李 威 烏日娜 何北海

（華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640）

在紙機(jī)白水封閉的情況下，為了使紙機(jī)濕部助留系統(tǒng)保持良好的助留效果，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)助留系統(tǒng)的絮凝機(jī)理和絮凝行為進(jìn)行研究尤為重要，也得到了廣泛關(guān)注。近年來(lái)，由透光脈動(dòng)原理發(fā)展起來(lái)的光散射顆粒分析儀（Photometric Dispersion Analyzer，PDA）因具有對(duì)絮凝現(xiàn)象的研究動(dòng)態(tài)、直觀且適合濃度較高的體系等優(yōu)點(diǎn)，在絮凝現(xiàn)象研究中得到廣泛應(yīng)用。然而，受傳感器結(jié)構(gòu)的限制，目前商品化的PDA系統(tǒng)不適合用來(lái)研究造紙濕部的絮凝現(xiàn)象［1-2］。基于上述現(xiàn)狀，本研究探討了應(yīng)用于PDA技術(shù)的透光脈動(dòng)原理，采用虛擬儀器的研發(fā)理念設(shè)計(jì)并制備了一套可用于濕部系統(tǒng)填料絮凝情況在線檢測(cè)的分析系統(tǒng)，并采用MalvernMS2000對(duì)絮凝分析系統(tǒng)輸出信號(hào)R值與被測(cè)絮團(tuán)實(shí)際大小之間的相關(guān)性進(jìn)行了探討。

1 絮凝分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

透光脈動(dòng)原理由Gregory和Nelson等首次提出［3］。研究發(fā)現(xiàn)，懸濁液透光率脈動(dòng)值與懸濁顆粒粒徑有關(guān)，在對(duì)兩者相關(guān)性進(jìn)行深入探討后，提出了透光脈動(dòng)理論：當(dāng)流動(dòng)的懸濁液連續(xù)通過(guò)光路時(shí)，光路內(nèi)的顆粒數(shù)量隨機(jī)變化并服從泊松分布，故透光強(qiáng)度亦隨機(jī)波動(dòng)，如圖1所示。經(jīng)理論推導(dǎo)，可以得到一組由單一粒徑組成的懸濁液透光率脈動(dòng)值，也就是從脈動(dòng)里解出的交流信號(hào)（脈動(dòng)電壓的均方根）和直流信號(hào)（透光強(qiáng)度的平均電壓）的比值與顆粒半徑（水力半徑）和顆粒個(gè)數(shù)濃度的關(guān)系式［3］見(jiàn)式（1）：

式（1）中：Vr為脈動(dòng)電壓的均方根；Vd為透光強(qiáng)度的平均電壓；N為顆粒個(gè)數(shù)濃度；A為光束橫截面積；L為光路長(zhǎng)；a為顆粒半徑；Q（a）為顆粒光散射系數(shù)。

圖1 透光脈動(dòng)原理示意圖

該理論為懸濁顆粒粒徑的測(cè)量提供了一個(gè)良好的方法，并促使新型粒徑檢測(cè)傳感器PDA的產(chǎn)生。該原理目前主要用于水處理方面的研究。

式（1）中的Vr/Vd通常用R來(lái)表示，由式（1）可知，R值的大小與顆粒粒徑存在相關(guān)性，且大小不受管壁污染及電子元器件零點(diǎn)漂移的影響，因此，本研究絮凝分析系統(tǒng)定義R值為輸出的絮凝指數(shù)。

在測(cè)定條件給定的情況下，入射光束的橫截面積A和光路長(zhǎng)L都是常數(shù)，這時(shí)R值只與顆粒個(gè)數(shù)濃度的平方根N1/2及顆粒半徑有關(guān)；當(dāng)只有顆粒個(gè)數(shù)濃度改變時(shí)，R值跟顆粒個(gè)數(shù)濃度的平方根成線性關(guān)系；但當(dāng)顆粒個(gè)數(shù)濃度較大時(shí)，由于多重散射的原因，上述關(guān)系不成立。R值與顆粒半徑的平方成正比，發(fā)生絮凝時(shí)，由顆粒半徑（也就是絮團(tuán)半徑）造成的R值的變化比由顆粒個(gè)數(shù)濃度的改變要顯著的多，因此，可以用R值來(lái)表征絮團(tuán)大小的變化。一般來(lái)說(shuō)，絮團(tuán)半徑都是成一定分布的，經(jīng)進(jìn)一步推導(dǎo)得出了單一粒徑和呈f（a）分布的顆粒半徑表達(dá)式［3］（見(jiàn)式（2））：

單一粒徑：

呈f（a）分布粒徑：

式中，φ為懸浮液的體積濃度。式（1）～式（3）都表明，R值與顆粒半徑a存在一定的相關(guān)性，R值可以反映被測(cè)絮團(tuán)的大小和變化，具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)粒徑分析儀進(jìn)行校正。

2 絮凝分析系統(tǒng)的主要組成部分及其制備

本研究所開(kāi)發(fā)的絮凝分析系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：光學(xué)絮凝傳感器、流送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、處理及顯示系統(tǒng)和模擬剪切系統(tǒng)。

2.1 光學(xué)絮凝傳感器的制備

光學(xué)絮凝傳感器主要包括光學(xué)流動(dòng)池、光源和光電探測(cè)器等部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光學(xué)絮凝傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光學(xué)流動(dòng)池采用直徑4mm的光學(xué)玻璃管，流動(dòng)池嵌在正方體狀黑色工程塑料中。黑色工程塑料對(duì)流動(dòng)池可起到良好的保護(hù)作用，并且能最大限度地防止背景光的干擾。此外，從機(jī)械加工和材料強(qiáng)度方面考慮，選用光學(xué)玻璃管比較合適。

光源采用特定波長(zhǎng)的激光二極管，具有發(fā)光強(qiáng)度大、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于濃度較高的填料懸濁液系統(tǒng)［4］。激光二極管屬于電流驅(qū)動(dòng)型熱功耗器件，當(dāng)激光二極管PN結(jié)的通過(guò)電流超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生激光；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流恒定且長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用造成溫度升高時(shí)，激光二極管的輸出光功率下降，其閾值電流也會(huì)提高［5］，所以有必要設(shè)計(jì)激光二極管光強(qiáng)穩(wěn)定電路，使輸出光強(qiáng)穩(wěn)定。采用光強(qiáng)穩(wěn)定電路后，經(jīng)連續(xù)4h的開(kāi)機(jī)測(cè)試，激光二極管的光強(qiáng)度保持穩(wěn)定，滿(mǎn)足測(cè)試要求。光強(qiáng)穩(wěn)定電路原理如圖3所示。

圖3 光強(qiáng)穩(wěn)定電路原理圖

圖4 OP301內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

目前，常用的光探測(cè)器多為內(nèi)光電效應(yīng)型，它利用半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)將光能信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有體積小、靈敏度高、易于集成化的特點(diǎn)。本研究采用的OPT301（BURR-BROWN公司，美國(guó)）為光電集成電路，如圖4所示［6］。它將光電二極管和放大電路集成在一起，采用TO-99金屬封裝，除具備一般內(nèi)光電效應(yīng)型光探測(cè)器的特點(diǎn)外，還具有響應(yīng)速度快、耗電少、噪聲低、線性范圍大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。OPT301的一些基本參數(shù)：工作電壓2.25～18V、連續(xù)輸出（對(duì)地短路）、工作溫度55～125℃、最高溫度300℃。

2.2 流送系統(tǒng)

流送系統(tǒng)主要由蠕動(dòng)泵、硅膠管和溢流穩(wěn)流裝置組成。蠕動(dòng)泵（Millipore公司，美國(guó)）是一種低剪切泵，不會(huì)對(duì)后面的剪切分析造成影響；管路采用直徑4mm的硅膠管；因?yàn)槿鋭?dòng)泵泵送流速不穩(wěn)定，所以流送系統(tǒng)還需一個(gè)帶溢流的穩(wěn)流裝置，使用前要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整流速，使穩(wěn)流裝置有適當(dāng)?shù)幕亓鳌?/p>

2.3 數(shù)據(jù)采集、處理及顯示系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的PCI-1200數(shù)據(jù)采集卡（NI公司，美國(guó)）性?xún)r(jià)比較好（見(jiàn)圖5），支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)，并支持單極和雙極性模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸入范圍分別為-5～+5V和0～10V，提供16路單端/8路差動(dòng)模擬輸入通道、2路獨(dú)立的DA輸出通道、24線的TTL型數(shù)字I/O、3個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器［7］。實(shí)驗(yàn)中，PCI-1200卡的采樣速率可達(dá)到105次/s。

圖5 絮凝分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理流程圖

數(shù)據(jù)處理、顯示軟件是基于NI公司的LabV IEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）開(kāi)發(fā)環(huán)境寫(xiě)成。LabV IEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabV IEW集成了與滿(mǎn)足GPI B、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。LabV IEW是一個(gè)開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以將其與任何測(cè)量硬件輕松連接。該絮凝分析系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)處理流程、數(shù)據(jù)處理軟件的顯示界面及數(shù)據(jù)輸出效果如圖5～圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理軟件顯示界面

圖7 在剪切變換情況下 R值輸出示意圖

3 R值與絮團(tuán)粒徑間的相關(guān)性

由上述的理論推導(dǎo)可知，R值與絮團(tuán)粒徑大小成一定的相關(guān)性。目前，常用于測(cè)量絮團(tuán)粒徑的方法主要有篩分法、沉降法、顯微鏡觀測(cè)法和庫(kù)爾特計(jì)數(shù)法等。這幾種方法都存在一定的不足。篩分法只適合測(cè)量粒徑大于38μm的顆粒，其他幾種方法要求的條件苛刻，并且測(cè)量的范圍窄［6］。Burgess等采用庫(kù)爾特計(jì)數(shù)法測(cè)量絮團(tuán)粒徑，然后與PDA輸出的R值建立一定聯(lián)系［2］。目前，比較先進(jìn)的方法是激光衍射法，該法具有動(dòng)態(tài)范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、直接測(cè)定而無(wú)破壞性、迅速、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。MalvernMS2000粒度儀就是采用激光衍射法，可以精確測(cè)量0.02～2000μm的粒徑［6］。Biggs等利用MalvernMastersizer/E測(cè)量了活性污泥在不同剪切條件下的絮凝情況，取得了良好的效果［7］。

采用Malvern MS2000粒度儀測(cè)量絮團(tuán)的實(shí)際大小，然后嘗試與絮凝分析系統(tǒng)輸出的R值建立相關(guān)性，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在10～250μm的粒徑范圍內(nèi)，R值與絮團(tuán)粒徑成較好的線性相關(guān)性，線性擬合關(guān)系式：y=19.0x-16.8，相關(guān)系數(shù)R2為0.9711，該方程與Burgess等得到的類(lèi)似方程相吻合［8］。

圖8 R值與實(shí)測(cè)粒徑線性相關(guān)性

4 結(jié)論

采用透光脈動(dòng)原理，研制了一套絮凝分析系統(tǒng)。通過(guò)該絮凝分析系統(tǒng)中絮凝指數(shù)的變化，可考察紙機(jī)濕部助留系統(tǒng)中填料產(chǎn)生的絮團(tuán)大小，從而全面分析紙機(jī)濕部絮凝狀態(tài)。研究結(jié)果表明，絮凝分析系統(tǒng)輸出的R值（x）與絮團(tuán)粒徑（y）具有很好的線性相關(guān)性，其線性擬合方程：y=19.0x-16.8，相關(guān)系數(shù)R2為0.9711。

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