便攜式傳感器測量裝置的應(yīng)用潛力評估

便攜式傳感器測量裝置的應(yīng)用潛力評估

用于造紙工業(yè)的過程測量和診斷越來越多。傳統(tǒng)的過程監(jiān)測需要內(nèi)嵌式測量和在線測量并用，還需要完成大量實(shí)驗(yàn)室工作。這些傳統(tǒng)的內(nèi)嵌式傳感器均為實(shí)時(shí)測量裝置。由于這些傳感器安裝位置固定，限制了數(shù)據(jù)采集。因此，測量的數(shù)據(jù)非常固定，難以適應(yīng)工藝變化及試運(yùn)時(shí)等情況。

本文介紹了市售儀器的應(yīng)用潛能。該工作關(guān)注在工廠進(jìn)行的大量儀表測試，以及為滿足造紙行業(yè)苛刻條件所致的特殊需求而獲得的發(fā)展。除了測量技術(shù)，還發(fā)展了樣品預(yù)處理和取樣技術(shù)。同時(shí)，在數(shù)家工廠進(jìn)行了測試和應(yīng)用，并對這些儀器的使用性能進(jìn)行了評估。

1 原料和方法

為了在工廠中完成評估工作，首先在實(shí)驗(yàn)室對數(shù)種裝置進(jìn)行了測試，然后選擇了其中最具潛力的裝置在工廠范圍內(nèi)進(jìn)行測試。其目的在于測量那些工廠已經(jīng)監(jiān)測的典型參數(shù)，如溫度、pH和電導(dǎo)率，另外還測量一些不常檢測但是有用的參數(shù)。

鈣離子、氯離子和銨離子濃度使用離子選擇性電極（ISE）測量。離子選擇性電極技術(shù)測量水相離子濃度。這種方法的基礎(chǔ)是一種離子選擇性膜——這種膜只允許一定粒徑的顆粒擴(kuò)散通過膜。該傳感器將某種離子的活度轉(zhuǎn)換成電位，并與參比電極進(jìn)行比較。ISE測量的問題在于干擾離子——干擾離子的分子尺寸與被測離子的分子尺寸相似，能夠與被測離子一起擴(kuò)散通過膜，進(jìn)而對被測離子的檢測造成干擾。ISE測量在造紙行業(yè)并不常用——盡管在造紙行業(yè)采用它益處多多。

測量采用羅素離子選擇性電極，測量之前要對樣品進(jìn)行預(yù)處理。多參數(shù)測量裝置采用了ISE技術(shù)，氯離子和銨離子的測量就基于這種技術(shù)。測量發(fā)現(xiàn)，由于分子彼此大小相似，氯離子傳感器對溴離子敏感——假定這種傳感器對其他鹵素也敏感。因此，只要氯離子和溴離子沒有共存于待測溶液中，該傳感器就可以有效檢測這2種離子的其中1種離子量的變化。

測量溶解物質(zhì)（本研究中的鈣離子、氯離子和銨離子），要求在測量之前過濾樣品。對于造紙工藝，采用陶瓷交叉流動(dòng)過濾器與在線流室相連即完全可以滿足取樣前過濾樣品的要求。當(dāng)濾液從漿流中抽出時(shí)，過濾器本身消除了樣品的壓力。隨后，濾液轉(zhuǎn)向流室。在該流室中，安置有測量探針。測量發(fā)現(xiàn)，如果被測物質(zhì)中沒有流動(dòng)物質(zhì)（顆粒移動(dòng)），某些測量就不能準(zhǔn)確進(jìn)行[例如溶解氧（DO）和ISEs]。在交叉流動(dòng)過濾器的測試過程中，過濾器并不總能為流室提供足以讓探針可靠運(yùn)行的濾液流量。為此，設(shè)計(jì)并研制了具有自動(dòng)攪拌功能的流室。流室?guī)в?個(gè)小泵——在流室中循環(huán)樣品。這提供了探針運(yùn)行所需流量。

本研究所測試的多數(shù)測量裝置各自都配有數(shù)據(jù)記錄器和合理的存儲(chǔ)空間。這些裝置的數(shù)據(jù)易于傳輸?shù)絺€(gè)人電腦，便于將來進(jìn)行分析。當(dāng)所需全部數(shù)據(jù)通過時(shí)間戳校準(zhǔn)后，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。這在微軟Excel中完成。將這些變量依次對時(shí)間做函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)那些不合理的數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)，可以直接去除。分析本身由Wedge軟件完成。分析基本工具包括趨勢、范圍和相關(guān)性，加上過程延遲分析和過程知識(shí)，這些分析結(jié)果足以解決造紙中遇到的許多問題。

2 結(jié)果和討論

本研究先在實(shí)驗(yàn)室中，然后在紙和紙板廠，對這些裝置和測量儀器進(jìn)行了大量測試。本論文重點(diǎn)介紹那些可以實(shí)際說明一些過程現(xiàn)象的案例，而從測量角度介紹裝置測試則為次重點(diǎn)。

2.1 檢測殺菌劑余量，優(yōu)化殺菌效果和過程穩(wěn)定性

眾所周知，對于微生物，銨是營養(yǎng)物，因而對于殺菌劑余量測量，它是一種非常敏感的待測參數(shù)。離子選擇電極是一種優(yōu)化殺菌劑使用的有用工具。殺菌劑余銨的在線測量需要連續(xù)過濾樣品。實(shí)驗(yàn)室測試表明，當(dāng)在一家紙廠的清白水樣品中加入銨鹽，這種傳感器對銨鹽濃度有線性響應(yīng)。

不幸的是，由于多種原因，實(shí)踐上對銨鹽沒有進(jìn)行在線監(jiān)控，但是殺菌劑中的銨鹽通常與鹵素配合使用，例如溴化銨體系。鹵素也在無銨情況下使用，如次氯酸鹽（NaOCl）和次溴酸鹽（NaOBr）。因此，了解鹵素濃度將增加銨檢測的價(jià)值，或者替代這種檢測。眾所周知，鹵素會(huì)導(dǎo)致腐蝕，對其含量的測定可提供臨界濃度報(bào)警信息。

在生產(chǎn)高級紙的紙廠，對損紙系統(tǒng)進(jìn)行鹵素測量。這個(gè)案例中，在2個(gè)彼此不相干的時(shí)期對溴化物測量。第1種情況下，紙廠使用還原型殺菌劑間歇添加體系。當(dāng)殺菌劑間歇添加的時(shí)候，從所測數(shù)據(jù)的波動(dòng)很容易就可看出添加變化（圖1上圖）。幾周之后，該廠改用為連續(xù)添加氧化型殺菌劑的殺菌系統(tǒng)（殺菌劑添加泵運(yùn)轉(zhuǎn)），發(fā)現(xiàn)鹵素探針?biāo)鶞y數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定（圖1下圖）。

圖1 鹵素電極檢測殺菌劑添加過程中的溴化物變化

殺菌劑間歇添加似乎對損紙系統(tǒng)的pH有影響。對該廠所提供數(shù)據(jù)的分析表明，pH在殺菌劑添加期間變化明顯（圖2）。

圖2 殺菌劑添加造成過程中的化學(xué)波動(dòng)

圖2表明，殺菌劑的不連續(xù)添加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的化學(xué)波動(dòng)。

眾所周知，殺菌劑對溶解氧的測量影響顯著。氧化型殺菌劑通過化學(xué)方法急劇提升氧量，另外由于厭氧菌被殺滅，也造成氧量上升。圖3表明了間歇式添加氧化型殺菌劑如何影響網(wǎng)槽中的溶解氧數(shù)據(jù)。

圖3 殺菌劑的添加對溶解氧和電導(dǎo)率測量的影響

圖3表明了溶解氧測量的靈敏程度——從溶解氧的測量可以看出殺菌劑的長期影響；而從電導(dǎo)率很難看出殺菌劑的添加情況，而且殺菌劑添加對電導(dǎo)率的影響很快就會(huì)消失。

溶解氧測量的靈敏度可能源自氧化型化學(xué)品測量技術(shù)的靈敏度。這個(gè)例子同樣很好地說明了殺菌劑的添加如何造成濕部的化學(xué)波動(dòng)。

2.2 化學(xué)品相互作用的監(jiān)測

眾所周知，電荷測量是測量濕部膠體濁度的一種方法。高陰離子電荷意味著濁度值低，濕部穩(wěn)定。由于電荷常常由工藝中大量的陰離子垃圾產(chǎn)生，所以這種情況并不總是我們所想要的。理想的狀況為電荷穩(wěn)定的弱陰離子系統(tǒng)。在這種情況下，存在電荷反轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)，也就是說，電荷會(huì)從陰離子狀態(tài)轉(zhuǎn)成陽離子狀態(tài)，然后再回轉(zhuǎn)為陰離子狀態(tài)。我們應(yīng)該避免這種情況的發(fā)生。在線測量電荷的裝置各式各樣，但是價(jià)格都很昂貴，且難于安裝。從尺寸看，這些裝置無法隨意移動(dòng)。它們還需要日常維護(hù)和連續(xù)添加化學(xué)品。在該評估過程中，測量了網(wǎng)水的光學(xué)濁度。結(jié)果表明，使用光學(xué)濁度測量膠體濁度是可能的。圖4表明了網(wǎng)水濁度和網(wǎng)水電荷數(shù)值之間的顯著相關(guān)性。

圖4 網(wǎng)槽后流體濁度和電荷在線測量

此案例中，過程在線光學(xué)濁度測量表征了膠體濁度大小。該研究只得到1個(gè)包含濁度和電荷的示例。

對于沒有電荷分析儀的紙機(jī)，濁度測量的好處非常明顯：取樣容易，不需要添加化學(xué)品，測量結(jié)果易于解釋，價(jià)格顯著低于常規(guī)測量。

另外還測量了一家高級紙紙廠網(wǎng)水的鈣離子含量。通過一個(gè)取樣裝置連續(xù)取樣，樣品經(jīng)0.8μm的陶瓷過濾器過濾。鈣化合物無法通過過濾器，只有溶解性離子才可以通過。與該廠內(nèi)嵌式安裝的電導(dǎo)率探針?biāo)脭?shù)據(jù)比較，這種鈣離子測量和它相關(guān)性明顯，見圖5。

圖5 網(wǎng)槽中電導(dǎo)率和溶解鈣離子測量

鈣離子的離子電導(dǎo)率計(jì)算揭示了該鈣離子的增加量下，電導(dǎo)率從100mS/cm增加到了135mS/cm。這表明電導(dǎo)率的所有波動(dòng)都是由于鈣離子含量變化造成的。電導(dǎo)率大約為100mS/cm時(shí)，鈣離子對電導(dǎo)率變化的影響程度大約為38%。當(dāng)電導(dǎo)率上升到135mS/cm，鈣離子對電導(dǎo)率變化的影響程度大約為54%。

由這個(gè)案例可以看出，測量過程中電導(dǎo)率的變化原因均為鈣離子含量的變化。這些變化最有可能是填料溶解的結(jié)果。這種結(jié)果強(qiáng)調(diào)了要想控制碳酸鈣的溶解，保持濕部條件穩(wěn)定，控制pH很重要。通過監(jiān)控鈣離子含量，可以區(qū)分由于填料溶解造成的電導(dǎo)率波動(dòng)和其他潛在變化源造成的電導(dǎo)率波動(dòng)。這為濕部控制提供了重要的信息。

2.3 確定過程延遲

本評估的裝置非常適合于監(jiān)測過程延遲。由于多參數(shù)探針可以在同一位置采用不同方法探測延遲情況，所以這些探針特別有用；也可以組合使用工廠自有的固定傳感器來監(jiān)測延遲。整個(gè)紙機(jī)所有漿槽的電導(dǎo)率都監(jiān)測到了電導(dǎo)率突然上升現(xiàn)象。通過信號(hào)延遲，就可以找到參數(shù)時(shí)間軸。通過移動(dòng)時(shí)間軸，過程分析軟件產(chǎn)生延遲信號(hào)，見圖6。

圖6 利用便攜式裝置監(jiān)測過程延遲

通過這種方式，可以比較容易找到原因與結(jié)果之間的關(guān)系——時(shí)間延遲分析不再復(fù)雜。同樣，過程延遲變化效應(yīng)也比較容易研究。這可能成為很多方面的重要研究手段，例如化學(xué)品的優(yōu)化。

2.4 沒有安裝儀表位置的測量

一家紙板廠通過某槽排水。為了減少清水消耗，這些水應(yīng)該回到工藝過程中加以循環(huán)利用。但是，由于日常毛毯洗滌水中的化學(xué)品也進(jìn)入該槽中，所以不確定這么操作是否安全。該槽沒有安裝任何測量裝置，所以沒法知道那些化學(xué)品是否影響水質(zhì)。該評估將一個(gè)多參數(shù)探針在這個(gè)槽上安裝了2天。測量結(jié)果揭示了洗滌周期如何影響其pH，如圖7。

圖7 毛毯清洗期間排水槽中的pH變化

從圖7可以看出，清洗毛毯導(dǎo)致了pH波動(dòng)。這表明在洗滌期間這種水不能再用于工藝過程中。與pH測量比較，電導(dǎo)率測量看不出清洗周期，見圖8（時(shí)間段和測量位置同圖7）。

圖8 排水槽電導(dǎo)率的周期性波動(dòng)

從圖8測量的電導(dǎo)率變化看出，工藝存在強(qiáng)烈的周期性波動(dòng)，掩蓋了化學(xué)品清洗的影響。實(shí)際上，這也是便攜式測量如何快速方便地獲得高價(jià)值數(shù)據(jù)的良好示例。周期性波動(dòng)是其他需要解決的問題。測量只需2 h就得到了結(jié)果。

2.5 氧化還原的監(jiān)測

以上所評估的測量對象多數(shù)是造紙廠已檢測多年的，都很普通。選擇測量這些參數(shù)并非因?yàn)闇y量速度更快，也不是因?yàn)閷λ鼈兊臏y量更可靠或者更準(zhǔn)確，而只是測量裝置比較容易安裝和測量，體積較小，費(fèi)用不是太昂貴。本案例所示測量對象并不普通，而且具備其他優(yōu)點(diǎn)，如使用多參數(shù)探針測量了溶解氧。如前所析，溶解氧對氧化型殺菌劑敏感。溶解氧測量的響應(yīng)時(shí)間與氧化還原電位和pH進(jìn)行了比較，見圖9（圖中方塊區(qū)域代表氧化型殺菌劑的添加泵開啟時(shí)間）。

溶解氧測量對殺菌效果的響應(yīng)比氧化還原電位測量對它的響應(yīng)早30 min。pH對殺菌效果則沒有顯著響應(yīng)。

圖9 氧化型殺菌劑對溶解氧、氧化還原電位以及pH的影響

對于相反的情況，即溶解氧下降的情況，結(jié)果應(yīng)該也是可比的。如果這是微生物活性造成的結(jié)果，那么這種方法可以成為避免這種問題的一種工具。文獻(xiàn)也討論了這種方法。對于涉及殺菌劑或者微生物的情況，溶解氧測量比氧化還原電位測量更加快速而靈敏。

3 結(jié)論

便攜式儀表為現(xiàn)有基本測量儀器提供了更多參考。這種儀表易于安裝和測量。它們還可以在沒有安裝儀表的位置進(jìn)行測量，以獲得更多的數(shù)據(jù)。便攜式儀表還可以進(jìn)行造紙非常規(guī)參數(shù)測量，如鹵素、銨和溶解氧量測量等。本文所評估的儀表長期以來并非設(shè)計(jì)用于造紙廠。因此這些儀表必須日常維護(hù)，無法經(jīng)年累月用于連續(xù)生產(chǎn)監(jiān)測。它們的價(jià)值體現(xiàn)在調(diào)試階段或者特定問題解決過程中。

（李海明）

book=6,ebook=5