紙漿濃度在線測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

劉 磊

（山東太陽紙業(yè)股份有限公司，山東濟(jì)寧，272100）

紙漿屬于一種混合物懸浮液，包括存在于懸浮液中的所有物質(zhì)，如水、纖維、填料∕灰分、木屑以及各種化學(xué)藥品等。紙漿按纖維種類可以分為闊葉木漿、針葉木漿、非木漿以及廢紙漿等。

紙漿濃度指紙漿中纖維的含量，是將抄取的紙漿樣品進(jìn)行干燥稱量，以所得絕干固形物質(zhì)量與樣品濕重比值的方式表示，單位是%或g∕L。

1 紙漿濃度測(cè)量的意義及影響因素

1.1 紙漿濃度測(cè)量的目的

紙漿濃度是關(guān)于紙漿設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)。盡管紙漿濃度控制邊際利潤率低，但其精確測(cè)量對(duì)于紙漿篩選及洗滌控制、打漿電耗、藥品消耗以及紙張質(zhì)量控制尤為重要。

1.2 紙漿濃度控制應(yīng)用及控制方式

常見的紙漿濃度控制應(yīng)用有以下幾種：在篩選、洗滌工段根據(jù)濃度控制良漿通過量；在磨漿工段通過比能量控制（Specific Energy Control，SEC）控制磨漿機(jī)的噸漿電耗；在紙機(jī)流送工段根據(jù)紙漿濃度控制化學(xué)助劑的加入量；濃度前饋用于紙機(jī)縱向定量控制等。

圖1 為常用的紙漿濃度控制方式，主要包括典型控制方式A、前饋控制方式B 和前饋串級(jí)混合控制方式C。

圖1 常見的幾種紙漿濃度控制方式

濃度調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有慣性加純滯后特性，工程應(yīng)用中一般采取PI（Proportion Integration）控制。典型控制方式A采用反作用單調(diào)節(jié)回路，根據(jù)濃度設(shè)定值進(jìn)行濃度控制。前饋控制方式B將紙漿流速的變化量折算后疊加到濃度控制的輸出上，可以抑制稀釋水壓力波動(dòng)帶來的濃度測(cè)量干擾。前饋串級(jí)混合控制方式C將流速干擾疊加到濃度主回路控制輸出后，作為流量副調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值控制稀釋水流量，以獲得穩(wěn)定的濃度控制。

1.3 紙漿濃度測(cè)量影響因素

因漿種和紙種不同，紙漿濃度測(cè)量受體積濃度、纖維長度、黏度、無機(jī)物含量、顏色以及流速等因素影響。如溫度和無機(jī)物含量的增加會(huì)降低紙漿濃度，而纖維長度、游離度或漿液pH 值增加均會(huì)使紙漿濃度升高，不同的濃度條件需要采取合適的測(cè)量方式。紙漿中木素含量及白度等參數(shù)變化會(huì)影響紙漿濃度的光學(xué)測(cè)量。另外，控制系統(tǒng)的安裝位置及控制方式的選擇，也會(huì)因紙漿在管道內(nèi)的流速大小、混合程度不同，給濃度測(cè)量帶來誤差。

2 紙漿濃度在線測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

2.1 在線測(cè)量技術(shù)分類

紙漿濃度測(cè)量技術(shù)按照測(cè)量方式劃分，可分為接觸式和非接觸式兩大類。根據(jù)測(cè)量原理不同，目前有剪切力測(cè)量技術(shù)、射線測(cè)量技術(shù)、超聲波測(cè)量技術(shù)、電容測(cè)量技術(shù)、光學(xué)測(cè)量技術(shù)以及微波測(cè)量技術(shù)等類別。

2.2 在線測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

2.2.1 基于剪切力的濃度測(cè)量技術(shù)

早在20 世紀(jì)初，部分制漿造紙企業(yè)已經(jīng)開始采用刀式傳感器感應(yīng)漿液中纖維變形所受剪切力的方法，進(jìn)行紙漿濃度的在線測(cè)量。

刀式濃度計(jì)按傳感器檢測(cè)方式分為：靜刀和動(dòng)刀兩種。圖2為靜刀式濃度計(jì)中剪切力計(jì)算示意圖。靜刀式傳感器感應(yīng)的紙漿剪切力與紙漿濃度呈函數(shù)關(guān)系，在一定漿速范圍內(nèi)，紙漿濃度只與纖維特性有關(guān)。紙漿沖擊產(chǎn)生拉力F2和F4，合力F3作用在刀式傳感器的支點(diǎn)上，因此在一定流速范圍內(nèi)，漿流產(chǎn)生的力矩f(v)=F2·l2+F3·l3+F4·l4是 1 個(gè)常數(shù)，所以可對(duì)漿流沖擊力矩F3·l3進(jìn)行速度補(bǔ)償（當(dāng)流速在0.6 m∕s 以下時(shí)，流速帶來的水層影響可以忽略不計(jì)；當(dāng)流速大于1.8 m∕s 時(shí)，漿流沖擊力正比于流速的平方，難以進(jìn)行補(bǔ)償[1]），因此，可以通過測(cè)量剪切力F1得到紙漿濃度。靜刀式濃度計(jì)需要安裝溫度傳感器對(duì)不同的紙漿溫度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。因所受剪切力不同，靜刀式傳感器需根據(jù)不同的纖維類型進(jìn)行刀型設(shè)計(jì)，經(jīng)幾十年的不斷研發(fā)和改進(jìn)，目前可以測(cè)量1.5%～16%范圍內(nèi)的紙漿濃度。

20 世紀(jì)80 年代出現(xiàn)了動(dòng)刀式濃度計(jì)。動(dòng)刀式濃度計(jì)利用刀式受力元件主動(dòng)剪切紙漿，由于紙漿濃度形成的摩擦力會(huì)影響動(dòng)刀的行程時(shí)間，因此可通過測(cè)量元件完成行程的時(shí)間計(jì)算紙漿濃度。動(dòng)刀式濃度計(jì)可測(cè)流速0.2～5 m∕s的紙漿，紙漿濃度測(cè)量范圍一般為1.5%～8%。

圖2 靜刀式濃度計(jì)剪切力計(jì)算示意圖（Valmet濃度計(jì)培訓(xùn)手冊(cè)）

此外，基于剪切力的濃度計(jì)還有旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)，包括內(nèi)旋式和外旋式兩種。在20 世紀(jì)20 年代，最初的內(nèi)旋式旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)由恒速電機(jī)驅(qū)動(dòng)單個(gè)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩臂測(cè)量其在紙漿中所受的剪切力，應(yīng)力測(cè)量有差動(dòng)氣路測(cè)量和電橋測(cè)量兩種形式。這種測(cè)量方式對(duì)流速變化不敏感，但旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)械密封的摩擦力會(huì)影響測(cè)量結(jié)果[2]，目前內(nèi)旋式旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)多為雙旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，測(cè)量范圍可以覆蓋1.5%～16%的紙漿。外旋式旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)采用管道外引流安裝方式，紙漿濃度測(cè)量范圍為2%～6%。

葛升民等人[3]還利用平板狀和梳狀旋轉(zhuǎn)葉片所受阻力與紙漿濃度和打漿度的不相關(guān)性，研制出可以同時(shí)測(cè)量濃度和打漿度的技術(shù)，克服了打漿度對(duì)濃度測(cè)量的影響，其紙漿濃度測(cè)量范圍為1%～7%。

2.2.2 射線濃度測(cè)量技術(shù)

利用射線對(duì)于不同密度物質(zhì)照射后衰減的原理，伽馬射線也被嘗試用于紙漿的濃度測(cè)量。纖維和水的密度很接近，因此傳感器需要很高的靈敏度。塑料閃爍檢測(cè)技術(shù)提高了傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，但填料和氣泡的存在，會(huì)導(dǎo)致過高或過低的假信號(hào)。理論上該類濃度計(jì)測(cè)量范圍沒有限制，然而由于該技術(shù)造價(jià)較高，目前還很少見到實(shí)際應(yīng)用。

2.2.3 超聲波濃度測(cè)量技術(shù)

20 世紀(jì)70 年代，有人提出了利用超聲波在紙漿懸浮液中散射和吸收原理測(cè)量紙漿濃度的技術(shù)。姚駿等人[4]嘗試以0.86～2.75 MHz頻率的超聲波激勵(lì)進(jìn)行衰減測(cè)量，證明了紙漿濃度在0.5%～2.5%的范圍內(nèi)與超聲波衰減系數(shù)呈線性關(guān)系。

2.2.4 電容濃度測(cè)量技術(shù)

通過紙漿等效介電常數(shù)ε與濃度變化的函數(shù)關(guān)系可以測(cè)量紙漿的電容值（Cx=Kε），紙漿介電常數(shù)可分為固相紙漿介電常數(shù)ε1和連續(xù)相紙漿介電常數(shù)ε2兩種，等效介電常數(shù)ε=Cε1+(1-C)ε2。實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)可以測(cè)量的紙漿濃度范圍為2%～7%[5]。該類濃度計(jì)只在實(shí)驗(yàn)室中有相關(guān)報(bào)道，還未看到有實(shí)際應(yīng)用的案例。

2.2.5 光學(xué)濃度測(cè)量技術(shù)

根據(jù)拉姆貝爾塔-貝拉定律，紙漿濃度可以通過測(cè)量穿過紙漿的光通量強(qiáng)度求得。

近紅外光具有的光譜較寬、吸收強(qiáng)度較弱且信息量大的特性適合作為定量分析的光源。實(shí)驗(yàn)證明，利用波段750～2500 nm 的近紅外光線照射到樣品上，然后檢測(cè)樣品對(duì)光線的吸收，再對(duì)吸收譜圖進(jìn)行解析計(jì)算，可以得到樣品中各物質(zhì)的含量[6]。

在20 世紀(jì)70 年代，高強(qiáng)度LED 技術(shù)的研發(fā)也使光學(xué)濃度傳感器性能有了較大提高，人們開始利用近紅外光對(duì)影像增強(qiáng)敏感的特性，通過紅外光散射和透射方法進(jìn)行光學(xué)激勵(lì)[7]，對(duì)紙漿濃度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，最高可以測(cè)量濃度為4%的紙漿[8]。圖3 為常用3種光學(xué)濃度計(jì)A、B、C測(cè)量方式。

圖3 光學(xué)濃度計(jì)的常見形式

濃度計(jì)A使用鹵素?zé)襞莼虬雽?dǎo)體激光器產(chǎn)生的線偏振光進(jìn)行測(cè)量。透射過被測(cè)量介質(zhì)的光束分成兩部分，分別穿過兩個(gè)平面偏振濾光片。利用纖維的去偏振效應(yīng)，相應(yīng)波長的光束被光電二極管檢測(cè)并組合產(chǎn)生相對(duì)去偏振化信號(hào)，該信號(hào)與纖維和填料總濃度呈一定函數(shù)關(guān)系，可以由此計(jì)算紙漿濃度，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)紙漿的白度、顏色、打漿度或可溶性添加劑不敏感。

濃度計(jì)B是基于光的透射率與濃度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。但該類傳感器對(duì)游離度和顏色的變化敏感，在填料和可溶固形物含量變化時(shí)測(cè)量信號(hào)與濃度呈非線性關(guān)系。

濃度計(jì)C由多個(gè)傳感器收集前向和后向的散射光并產(chǎn)生一個(gè)與濃度成正比的信號(hào)。這種類型的濃度計(jì)可以在更高的濃度（約4%）下使用，一般來說，其對(duì)非纖維物質(zhì)含量變化的敏感性介于濃度計(jì)A和濃度計(jì)B之間，且該濃度計(jì)對(duì)填料最為敏感。

圖4為BTG 光學(xué)濃度分析儀組成示意圖。該濃度計(jì)利用光學(xué)峰值分析法（見圖5）測(cè)量紙漿濃度，假設(shè)懸浮液成分中同時(shí)有大顆粒和小顆粒，測(cè)量形式類似于圖3中的濃度計(jì)A。

圖4 BTG光學(xué)濃度分析儀組成示意圖（BTG培訓(xùn)手冊(cè)）

圖5 BTG光學(xué)峰值分析法（BTG培訓(xùn)手冊(cè)）

紙漿體系中大顆粒（纖維）形成一個(gè)相對(duì)透明、并伴有大量小顆粒（填料和細(xì)顆粒）自由漂浮的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。對(duì)典型懸浮液隨時(shí)間變化的觀察表明，大量小顆粒相對(duì)恒定，而大量大顆粒卻很少，并可變。圖4 BTG 光學(xué)峰值分析法中有3 個(gè)光電檢測(cè)濾波器，分別檢測(cè)平均值VDC、峰值VP和信號(hào)中的交流成分信號(hào)VAC。圖5 中透射光的平均值確定VDC，VP代表沒有纖維時(shí)的透射光強(qiáng)值，VCW代表清水狀態(tài)下的參考光強(qiáng)值。大顆粒成分（Large Particle Content，LPC）為VP與VDC的差值，小顆粒成分（Fine Particle Content，F(xiàn)PC）為VCW和VP的差值，通過計(jì)算LPC 和FPC 即得到總濃度值[9]。

圖6 為總固形物測(cè)量原理圖。光學(xué)濃度計(jì)利用Arago 偏振光原理，采用了半導(dǎo)體激光器和氙光兩種光源，通過漿料不同成分的光學(xué)性能，檢測(cè)通過介質(zhì)的透射偏振光和激光與氙燈光的反向散射光光電轉(zhuǎn)換信號(hào)，根據(jù)光強(qiáng)與纖維、填料濃度的函數(shù)關(guān)系得到總濃度信號(hào)。目前，光學(xué)濃度計(jì)可測(cè)量濃度范圍為0～16%的紙漿。

圖6 總固形物光學(xué)測(cè)量原理[10]

2.2.6 微波測(cè)量技術(shù)

微波技術(shù)在20 世紀(jì)90 年代開始應(yīng)用于紙漿濃度測(cè)量。一般而言，水的介電常數(shù)為78.5，木質(zhì)纖維的介電常數(shù)為2.8[11]，微波在漿液中的傳導(dǎo)速度或通過漿液的時(shí)間是介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的函數(shù)，而微波在漿液中的傳播速度是濃度的強(qiáng)相關(guān)函數(shù)。因此，微波可以測(cè)量纖維和填料的總濃度。

微波濃度計(jì)對(duì)纖維類型、長度、成分、顏色、流速、打漿度等參數(shù)不敏感，但對(duì)電導(dǎo)率、空氣和溫度敏感，需要進(jìn)行特定的補(bǔ)償計(jì)算。另外，微波分析儀本身無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，后期維護(hù)量較小。微波濃度計(jì)的測(cè)量范圍一般為0～16%。

2.3 在線測(cè)量技術(shù)發(fā)展制約因素

2.3.1 轉(zhuǎn)換成本

與其他技術(shù)一樣，隨著紙漿濃度測(cè)量技術(shù)的不斷成熟，其技術(shù)性能的提高需要不斷的技術(shù)研發(fā)投入，在技術(shù)成熟期逼近一定的極限值后，會(huì)達(dá)到所謂的“技術(shù)成熟期”。在此階段，技術(shù)發(fā)展將面臨保持或轉(zhuǎn)換技術(shù)軌道的選擇。保持階段隨著技術(shù)的擴(kuò)散，產(chǎn)品利潤將難以保證，而變換技術(shù)軌道的轉(zhuǎn)換成本將制約新技術(shù)的發(fā)展。因此，較低的技術(shù)轉(zhuǎn)換成本將給制造商帶來巨大的技術(shù)競爭優(yōu)勢(shì)。

2.3.2 適用性和維護(hù)性

紙漿種類繁多，測(cè)量環(huán)境千變?nèi)f化，要求將來的在線濃度測(cè)量技術(shù)要有較強(qiáng)的適用性。測(cè)量產(chǎn)品的寬適用性將大大減少產(chǎn)品線的種類，給用戶的設(shè)備維護(hù)帶來便利。同時(shí)，還要求產(chǎn)品越來越輕量化、智能化，減少磨損和故障頻率，具有自診斷功能，便于后期校準(zhǔn)和維護(hù)。

2.3.3 技術(shù)性能

靈敏度、重復(fù)性、穩(wěn)定性和信息互聯(lián)性是濃度計(jì)的主要技術(shù)性能。紙漿濃度變化時(shí)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定的重復(fù)性測(cè)量性能對(duì)工藝過程控制尤為重要，將直接影響能耗、工藝穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

在信息時(shí)代，還要求濃度計(jì)具備互聯(lián)功能，對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)行情況可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，且紙漿濃度測(cè)量數(shù)據(jù)可以在云端進(jìn)行二次加工，作為其他云虛擬傳感器的一次測(cè)量傳感器。

3 紙漿濃度在線測(cè)量濃度計(jì)應(yīng)用情況

表1為紙漿濃度在線測(cè)量濃度計(jì)應(yīng)用的基本情況。紙漿濃度在線測(cè)量技術(shù)自問世以來，一直在持續(xù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和迭代，圖7為筆者對(duì)世界上兩大主流在線濃度計(jì)生產(chǎn)商產(chǎn)品技術(shù)迭代間隔周期進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，刀式濃度測(cè)量技術(shù)從第一代到目前的第四代迭代時(shí)間平均分別用了17年、12年、15.5年和7.5年；旋轉(zhuǎn)濃度測(cè)量技術(shù)從第一代到目前的第四代迭代時(shí)間平均分別用了34.5年、10年、10年和2年；微波濃度測(cè)量技術(shù)從第一代到目前的第四代迭代時(shí)間平均分別用了5年、5年、8年和4年；光學(xué)濃度測(cè)量技術(shù)從第一代到目前的第三代迭代時(shí)間平均分別用了9年、6.5年和5年。

表1 紙漿濃度在線測(cè)量濃度計(jì)應(yīng)用基本情況

由圖7 可以看出，目前較為流行的幾種在線濃度測(cè)量技術(shù)迭代間隔出現(xiàn)逐漸縮短現(xiàn)象，其中光學(xué)式濃度計(jì)平均迭代間隔時(shí)間最短，只有5.1年。

通過對(duì)在線濃度計(jì)廠商數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)計(jì)，目前世界上主要品牌有Valmet、BTG、SATRON、ABB、TECO、TEMCO、DEZURIK 和 AQUAR 等，其中 50%的公司有微波式濃度計(jì)產(chǎn)品，超過60%的公司已經(jīng)研發(fā)出光學(xué)式濃度計(jì)產(chǎn)品。2010 年之后，光學(xué)濃度測(cè)量技術(shù)有了新的突破，濃度測(cè)量范圍最高可以達(dá)到16%。目前國產(chǎn)濃度計(jì)也有了長足發(fā)展，主要產(chǎn)品集中在刀式和旋轉(zhuǎn)式濃度計(jì)兩個(gè)系列。

圖7 BTG、Valmet在線濃度測(cè)量技術(shù)迭代統(tǒng)計(jì)

從適用性和技術(shù)性能方面來看，微波式濃度計(jì)和光學(xué)式濃度計(jì)都具有較大發(fā)展前途，但二者造價(jià)相對(duì)較高，在某些測(cè)量場合的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提高。

4 結(jié) 語

根據(jù)技術(shù)生命周期理論，新技術(shù)存在變異、醞釀、選擇和保留幾個(gè)階段[12]，技術(shù)成長是技術(shù)性能與技術(shù)投入或時(shí)間的函數(shù)。目前幾種測(cè)量技術(shù)仍處于新舊技術(shù)之間、新技術(shù)與新技術(shù)之間競爭的階段，技術(shù)生命周期存在不確定性，不能簡單地說哪種技術(shù)將獨(dú)占鰲頭，這幾種技術(shù)將在一定時(shí)期內(nèi)繼續(xù)相互競爭并不斷發(fā)生技術(shù)替代。