4.3.9. Микроволновый метод измерения концентрации независимо от вида древесины

Н а некоторых технологических объектах преобразователи концентрации трудно откалибровать, грязь и пробки вызывают засорение и забивание датчиков. На результаты измерения влияет изменение скорости процесса, тип наполнителей. Монтаж и обслуживание приборов предыдущего поколения были затруднены или дорогостоящие.

Н овая конструкция микроволновых преобразователей концентрации обладает повышенными характеристиками точности, более прочная и легкая и выдает унифицированный стандартный сигнал, рис. 4.25. Преобразователи нового поколения занимают все более прочные позиции на рынке датчиков концентрации бумажной массы. Прибор имеет совершенную систему самодиагностики и поддерживает мониторинг в режиме реального времени. Микроволновый преобразователь измеряет полную концентрацию в потоке массы независимо от длины волокна пучков, вида древесины или смеси. На процесс измерения не влияют: скорость потока, изменение цвета и яркости, что обеспечивает лучший контроль композиции. Уменьшается число сбоев процесса и количество несортового продукта.

Микроволновые преобразователи концентрации включают в себя механические и оптические методы контроля. В данном приборе используется зависимость скорости прохождения СВЧ колебаний от концентрации. Твердые включения, такие как волокна и наполнители, пропускают СВЧ быстрее, чем вода, т.е. чем выше концентрация массы, тем быстрее

СВЧ достигает датчика-приемника. Существует линейная зависимость между скоростью распространения микроволн и концентрацией включений, что обеспечивает простоту градуировки и настройки прибора. Прибор имеет широкий диапазон применения и легко справляется с измерением концентрации тряпичной массы, макулатурной и бумажной массы.

Прибор легко градуируется по одной точке, рис. 4.26. Высокая точность измерений, простота в обслуживании и градуировке прибора позволяют легко и быстро адаптировать его в технологический процесс.

Измерение полной концентрации массы до и после машинного бассейна позволяет более точно регулировать вес бумажного полотна на каждой линии. Регулирование по входному воздействию позволяет устранить помехи до того, как они достигнут напорного ящика, что обеспечивает высокую точность и быстроту регулирования на сеточном столе.

Точность измерений полной концентрации компонентов массы на входе в смесительный бассейн является необходимым условием качества отбеливания, особенно на линиях брака и окрашенной массы, где имеются колебания зольности. Концентратомер позволяет управлять подачей химикатов, задавать их параметры на высокоэкономичном и качественном уровне.

5. ИЗМЕРЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ БУМАГИ

К качественным параметрам бумаги относятся:

1) число двойных перегибов;

2) разрывная длина;

3) толщина полотна при заданной прочности;

4) сопротивление раздиранию;

5) влажность;

6) лоск;

7) белизна;

8) цвет;

9) прозрачность;

10) воздухопроницаемость;

11) зольность;

12) вес квадратного метра и т.д.

Влага является обязательным компонентом капиллярно-пористых материалов, к которым относится древесина, целлюлоза, бумага и картон. Для количественной характеристики содержания влаги в материале применяют две величины: влагосодержание и влажность. Влагосодержанию соответствует также термин абсолютная влажность, а под влажностью часто подразумевают абсолютную влажность. Влагосодержанием U определяется отношение массы влаги , содержащейся в материале, к массе абсолютно сухого материала .

Под относительной влажностью понимают отношение массы влаги , содержащейся в теле, к массе влажного материала .

Обычно эта величина выражается в процентах. Переход от одной величины к другой может быть осуществлен по соотношениям:

Под сухостью А понимают отношение:

Существуют многочисленные методы измерения влажности на основе косвенных измерений. Среди влагомеров широкое распространение получили:

1) диэлькометрические, (индуктивные, емкостные), основанные на измерении диэлектрической проницаемости бумажного полотна в зависимости от его влажности;

2) СВЧ-влагомеры, использующие изменение степени поглощения или отражения энергии электромагнитных волн сверхвысокой частоты в зависимости от влажности полотна;

3) ИК-влагомеры, основанные на измерении степени поглощения или отражения энергии инфракрасных волн в зависимости от влажности;

4) кондуктометрические, построенные на связи влагосодержания с активным (омическим) сопротивлением отрезка бумажного полотна, находящегося между электродами в цепи постоянного или переменного тока промышленной частоты;

5) емкостно-индуктивные, использующие связи влагосодержания бумажного полотна, перемещающегося в поле колебательной контура, и потерь мощности колебательного контура вследствие изменения активного и реактивного сопротивлений.

5.1 КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЛАГОМЕРЫ

Д ля бумажного полотна характерно влияние влажности на электрические свойства материала. Удельное сопротивление бумажного полотна в зависимости от влажности может изменяться на 12-18 порядков. Во избежание явления поляризации электродов для измерения влажности применяют переменный ток высокой частоты 100-400 кГц. При этом принципиально могут быть применены два способа измерения влажности:

1) измерение «сквозного» сопротивления: электроды располагаются с противоположных сторон бумажного полотна (рис 5.1). Сопротивление бумажного полотна на постоянном расстоянии имеет определенную величину при определенной влажности. Схема включения датчика показана на рис. 5.2.

2) измерение поверхностного сопротивления, при котором электрод располагаются с одной стороны бумажного полотна, но при этом значительно возрастает погрешность измерений. Чем толще бумажное полотно или картон, тем выше погрешность

измерений, поскольку бумажная масса по своей влажности неоднородна. Погрешность измерения влажности составляет 1% при изменении температуры на каждые 10°С. При постоянной температуре погрешность измерения влажности бумажного полотна составляет 0,3-0,5%.

5.2 ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОМЕР

Принцип действия влагомера основан на зависимости диэлектрической проницаемости бумажного полотна от его влажности, рис. 5.3. Диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды .

Ф ормула емкости плоского конденсатора:

где С - емкость конденсатора;

- относительная диэлектрическая проницаемость бумаги;

- абсолютная диэлектрическая постоянная;

S - площадь пластин;

- число пластин;

d - расстояние между пластинами.

Для измерения влажности бумажного полотна собирают схему моста переменного тока, рис. 5.4. В плечах моста устанавливают два конденсатора, один и з которых является конденсатором-датчиком, а второй подстроечным конденсатором, балансирующим мост переменного тока. Для повышения точности измерений частоту электронного моста повышают до 100-400 МГц, поскольку емкость конденсатора изменяется в интервалах нескольких пикофарад.

Пусть ток первичной обмотки трансформатора пошел вниз, тогда в двух вторичных обмотках трансформатора токи пойдут вверх.

При изменении влажности бумажного полотна изменяется емкость конденсатора-датчика, а, следовательно, изменяется его реактивное сопротивление. При настройке оба конденсатора имеют одинаковое реактивное сопротивление, поэтому оба встречных тока через резистор компенсируют друг друга. При рассогласовании электронного моста возникает падение напряжения на резисторе

5.3 ИНФРАКРАСНЫЕ ВЛАГОМЕРЫ

Измерение влажности инфракрасными влагомерами основано на двух методах:

1 ) измерение инфракрасного излучения, отраженного влагосодержащим элементом;

2) абсорбционный метод, основанный на измерении поглощения ИК-излучения при попадании на бумажное полотно.

Рассмотрим устройство ИК-влагомера, измеряющего влажность по интенсивности поглощения ИК-излучения влажным бумажным полотном, рис. 5.5.

Для измерения влажности бумажного полотна применяют специальные лампы накаливания 1 с нитью накала из вольфрама с иодным циклом. Длина волны ИК-излучения берется строго определенной. Известно, что вода наиболее полно поглощает (абсорбирует) энергию с длиной волны 1,94 мкм, поэтому перед накатом бумажного полотна устанавливают излучатель с длиной волны 1,94 мкм, а в прессовой части предпочтение отдается длине волны 1,45 мкм.

Через ИК-светофильтр 2 лучи попадают на два зеркала 4 и рассеиваются ими в равномерный размытый световой поток. ИК-лучи попадают на движущееся бумажное полотно. Чем выше влажность бумажного полотна, тем интенсивнее поглощается ИК-излучение. В отраженном потоке интенсивность ИК-излучения снижается. Отраженные лучи фокусируются рефлектором 5 на фоторезистор из сульфида свинца, включенный в плечи электронного моста с усилителем 8, сигнал с которого подается на измерительный прибор 7. Более наглядное представление о работе ИК-влагомера дает цветной рисунок 5.6.

5.4 ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ И МАССЫ БУМАЖНОГО ПОЛОТНА

Вес квадратного метра бумажного полотна является одним из основных качественных параметров. Для непрерывного контроля этого параметра наибольшее распространение получили радиоизотопные методы измерения. Радиоизотопный метод осуществляется пятью способами:

1) прохождение излучения через контролируемый объект;

2) обратным рассеиванием излучения от материала;

3) обратным рассеиванием излучения от рефлектора, расположенного за материалом, эффективный атомный номер которого больше чем у контролируемого материала;

4) обратным рассеиванием излучения от воздушной среды, расположенной за материалом;

5) возбуждение в материале характеристического излучения каким-либо первичным излучением (флюоресцентный способ).

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СКАНЕРА БУМАЖНОГО ПОЛОТНА

Прежде чем рассмотреть работу сканера рассмотрим основы радиологических измерений.

Радиоактивность - это свойство некоторых нуклидов к самопроизвольному спонтанному распаду, получившее название - радиоактивный распад. Радиоактивный распад по своей природе является ядерным процессом, в результате которого ядро радиоактивного нуклида преобразуется в ядро нуклида другого химического элемента, находящегося в основном состоянии или на определенном возбужденном уровне. Обычно исходное ядро называется материнским, а ядро, образовавшееся в результате радиоактивного распада -дочерним.

Радиоактивный распад подчиняется основному закону распада:

где - количество атомов данного сорта в первоначальный момент времени;

- количество атомов того же радионуклида в момент времени t;

- постоянная распада, характеризующая вероятность распада ядра за 1 секунду;

- период полураспада.

Поскольку радиоактивный распад носит вероятностный характер и в силу данного обстоятельства подвержен статистическим флуктуациям, закон выполняется тем строже, чем большее количество атомов данного радионуклида находится в веществе.

Одним из последствий радиоактивного распада является изменение энергетического состояния ядра, которое характеризуется энергией распада.

Существует несколько видов радиоактивного распада, это:

1) альфа-распад, при котором ядро X с массовым числом А и зарядом Z испускает -частицу (ядро атома гелия ) и превращается в ядро Y с зарядом Z-2 и массовым числом А-4

2) бета-распад, в результате которого образуется дочернее ядро, массовое число которого соответствует материнскому, а заряд отличается на единицу. Известно два типа - распада – это

- распад, при котором вылетает электрон и антинейтрино:

и - распад, при котором из ядра вылетает позитрон и нейтрино:

Следует отметить еще одно обстоятельство распада электронного захвата. Благодаря вакансии, образовавшейся на одной из оболочек атома, происходит перестройка его электронной структуры, которое сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения.

Для регистрации , и рентгеновского излучения необходимы приборы - радиометры, регистрирующие эти излучения.

Радиометр - это прибор, позволяющий определить активность какого-либо радионуклида.

Скорость счета - n радиометра в достаточно широком диапазоне интенсивности излучения радионуклида пропорциональна его активности и определяется по формуле:

где - активность нуклида;

- фоновая активность.

РАДИОМЕТРЫ

В качестве элементов, фиксирующих излучение, применяют детекторы трех типов:

1) газонаполненные;

2) сцинциляционные;

3) полупроводниковые.

В газонаполненных детекторах количество импульсов тока за единицу времени пропорционально интенсивности излучения. Газ в датчике (рис. 5.7), одновременно служит как средой, в которой происходит взаимодействие излучения, так и его детектором, регистрирующим это излучение с помощью электронного счетчика импульсов.

В сцинтилляционных радиометрах радиоизлучение продуцирует вспышку света. Такие вещества могут быть в твердом жидком или порошкообразном состоянии. В качестве сцинтиллятора для регистрации излучения чаще всего применяют специальные виды пластмасс, а так же вещество ZnS.

Для регистрации гамма квантов применяют выращенные кристаллы больших размеров (40 х 40, 63 х 63, 100 х 150 мм и т.д.) с NaI, CsI, Tl. Наличие йода значительно повышает чувствительность датчиков. При испускании света в момент вспышки возникает квант с энергией, достаточной для вырывания электрода с фотокатода. Электронный фотоумножитель (рис. 5.8) усиливает импульс слабого тока и превращает его в импульс усиленного тока, который регистрируется счетчиком.

При использовании сцинтилляторов необходимо исключать шумовые, фоновые сигналы, к которым относится естественная радиация. Для устранения фонового сигнала применяют схему включения фотоэлектронных умножителей с применением схемы сравнения, рис. 5.9. Два фотоумножителя одновременно могут зафиксировать только ту вспышку, которую создает сцинтиллятор от прибора источника излучения. Если источник излучения создал импульс света, который одновременно получили оба ФЭУ, то импульс будет сосчитан. Если импульсы пришли не одновременно, то пришел фоновый шум, который счетчик считать не будет.

В полупроводниковых детекторах датчиком служит приграничный слой - перехода. Чувствительность таких детекторов значительно выше, чем у других типов, но они имеют значительную стоимость. Отечественная промышленность их не выпускает. Основное их применение - исследовательские цели и спектрометрические измерения.

РАБОТА РАДИОАКТИВНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЕСА КВАДРАТНОГО МЕТРА БУМАЖНОГО ПОЛОТНА И ЗОЛЬНОСТИ

Р адиоактивный элемент, выбор которого зависит от свойств бумаги, устанавливается в капсулу, защищенную от внешней среды, но имеющую узкое отверстие, через которое излучение направляется

ч ерез подвижное бумажное полотно, рис. 5.10. Радиоактивный элемент имеет стабильный поток излучения в течение периода полураспада.

П оток бета-частиц пронизывает бумажное полотно и достигает приемника. В качестве приемника может быть использована трубка счетчика Гейгера. Поток бета-частиц пронизывает тонкую стенку трубки, в которой находится разряженный газ. Между электродами трубки (анодом и катодом) создается высокое напряжение от нескольких сот вольт до 2-3 кВ. При столь высоком напряжении электроны разгоняются до значительных скоростей и при ударе об атом ионизируют его. При этом возникает крайне малый импульс тока, который при прохождении через последовательно включенное большое сопротивление создает на нем импульс падения напряжения. Этот импульс регистрируется счетчиком импульсов Чем выше масса квадратного метра бумажного полотна, тем выше интенсивность поглощения бета частиц и меньшее число импульсов отсчитает счетчик. Рассмотрим устройство излучателя, рис. 5.11 Внутри барабана (поворотной турели) с комплектом радиоизотопных фильтров находится капсула с радиоактивным элементом. Для обеспечения высокой точности измерения радиационным методом применяются радиационные фильтры разной плотности Фильтры калибруются по компьютерной программе и имеют стандартную радиационную плотность с разным коэффициентом поглощения. При калибровке фильтров после проверки интенсивности излучения излучателя на данный момент времени происходит ввод его параметров в компьютер. По имеющейся в компьютере программе происходит автоматический просчет интенсивности радиоизотопа в любые последующие моменты времени и учет их при измерении во время работы. Поворотная турель с фильтрами управляется компьютером с помощью шагового двигателя. Компьютер, по заложенной в него программе, находит нужную группу фильтров и устанавливает их перед лучами, направленными на бумажное полотно.

Более наглядное представление о работе сканера дает цветной рисунок 5.12.

Поток лучей периодически прерывается шторкой, имеющей пневмопривод. Пока шторка прикрывает источник излучения, бета-лучи не проходят к бумажному п олотну, измерения не происходит. При открытии шторки бета-лучи проходят через бумажное полотно, счетчик импульсов считает число импульсов, прошедших к приемнику. Компьютерная программа обрабатывает информацию, п о результатам которой компьютер принимает решение по изменению подачи массы, удержанию массы, изменению подачи наполнителя, давлению пара и т.д. (рис. 5.14). Поскольку параметры бумаги - влажность, сухость, зольность взаимосвязаны между собой очень сложным соотношением, то управлять подачей выше названных компонентов может только компьютерная программа. Алгоритм программы управления этими параметрами составляется не только программистами, но и обязательно при участии технологов. Примерная взаимосвязь параметров бумаги и объектов регулирования в технологическом процессе показана на технологической схеме рис. 5. 13.

Выбор места контроля параметров бумаги - довольно сложная задача. Н еобходимо собрать все основные данные по текущим параметрам бумаги с минимальной погрешностью измерения, быстро обработать информацию и принять решение о подаче команд исполнительным механизмам, устраняющим те или иные возмущения в системе автоматического регулирования, вызывающие отклонения параметров бумажного полотна от заданного значения. На рис. 5.14, показана мнемосхема технологического процесса и узлы управления зольностью бумажного полотна. Схема наглядно демонстрирует сложность взаимосвязи параметров в системе технологического процесса.

М есто расположения сканера на БДМ показано на рис 5.15. Контроль параметров бумажного полотна производится несколькими измерительными приборами, входящими в систему контроля конечной продукции, называемую сканером. Внешний вид рамы сканера показан на рис. 5.16 Сканирующее устройство перемещается по рамке блока поперек направления движения бумажного полотна. При взаимно перпендикулярном движении полотна и сканера контроль параметров полотна происходит по синусоиде.

П еремещение сканера из одного конца в другой и обратно занимает примерно 1,5 минуты. При этом сканирование производится на каждых 1,3 см бумажного полотна.

Следует отметить сложную взаимосвязь параметров бумажного полотна с параметрами объектов регулирования. Изменение одного регулируемых параметров приводит к изменению нескольких выходных параметров. Из диаграмм (рис. 5.17), видно, что вес квадратного метра бумажного полотна, его влажность зольность можно поддерживать с определенной степенью точности. Обеспечить абсолютную равномерность параметров по всей ширине бумажного полотна удается приблизительно. Если при этом учесть, что скорость бумажного полотна составляет 1000 м/мин, и при этом надо поддерживать большое число параметров на

данном уровне, то обеспечить процесс управления производством может только компьютерная техника.

Свойства , и излучений приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Тип излучения	Природа излучения	Масса в г	Заряд	Энергия МэВ	Проникающая способность	Длина свободного пробега
-частица	Ядро атома гелия		+2	3-10	<0,02 мм	До 100 мм
-частица	Электрон или позитрон		-1 или +1	0,1-3	Несколько мм алюминия	До 5 м
-частица	KB электромагнитное излучение	0	0	0,1-1	Несколько см свинца

Из таблицы следует, что максимальной проникающей способностью обладает -частица, но наибольшее распространение получили -частицы, обладающие наиболее подходящими для нас свойствами при измерении влажности бумажного полотна, поэтому имеется ряд изотопов, которые наилучшим образом подходят для наших измерений. Параметры этих изотопов приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2.

Изотопы	Обозначения	Период полураспада в годах	Максимальная энергия частицы МэВ	Диапазон измерения массы бумаги по методу прохождения излучения,
Стронций-90 + Итрий 90		2,8	2,78	800-8000
Таллий 204		3,9	0,77	80-2000
Прометий 147		2,66	0,22	8,0 - 300
Криптон- 85		10,6	0,67	80-2000

Важнейшей особенностью источников радиоактивного излучения является то, что внешние условия: давление, температура, электрическое и магнитные поля не оказывают влияния на показания приборов. Это объясняется тем, что радиоактивность связана с явлениями, происходящими внутри атома, где энергия взаимодействия на 3-4 порядка выше энергии обычных физических явлений.

В приемниках радиоактивного излучения, в основном, используются явления ионизации или люминесценции некоторых веществ. В качестве приемников применяют ионизационные камеры или сцинциляционные вещества с цифровыми пропорциональными счетчиками импульсов.

У стройство ионизационной камеры показано на рис. 5.18. В трубке находится инертный газ. Сама трубка представляет собой герметичный тонкостенный алюминиевый баллон с нейтральными молекулами газа. К электродам ионизационной трубки прикладывается высокое напряжение от нескольких сот вольт до нескольких киловольт. Когда электромагнитное излучение отсутствует, то отсутствует и ток, т.к. у нейтральных атомов не возникает направленного движения.

При возникновении ионизационного излучения - частица бомбардирует нейтральный атом, возбуждает его, атом теряет электроны, которые под действием электрического поля разгоняются до скоростей, достаточных для ионизации других атомов. Возникает всплеск тока, создающего падение напряжения на резисторе, которое регистрирует счетчик импульсов. Для того, чтобы зарегистрировать такой ток, устанавливается сопротивление порядка Ом. Ток ионизационной камеры обычно достигает А.

Н о существует и другой метод измерения массы квадратного метра бумажного полотна - метод двукратного прохождения излучения через бумагу рис. 5.19. Поскольку - частица представляет собой электрон с отрицательным зарядом, то можно воздействовать на подвижный электрон с помощью магнитного поля. Такое воздействие описывается формулой Лоренца, в которой сила Лоренца равна:

где - заряд электрона Кл;

- скорость электрона, т.е - частицы;

- индукция магнитного поля;

- угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

При двойном прохождении излучения через контролируемый материал чувствительность измерительного устройства повышается вдвое по сравнению с однократным прохождением излучения через бумажное полотно, а погрешность измерений снижается в 4 раза. Недостатком данного способа является необходимость получения сильного магнитного поля, что затрудняет применение этого способа для бумаги массой выше .