7.7. Влагомеры

Физические свойства бумаги и картона характеризуются це­лым рядом взаимосвязанных показателей, среди которых одним из наиболее важных является влажность. Действительно, экс­периментально установлено, что такие показатели, как число Двойных перегибов, растяжение под действием разрывных уси­лий, сопротивление раздиранию, толщина полотна при заданной прочности увеличиваются с возрастанием его влажности в оп­ределенных пределах. В то же время прочность полотна на раз­рыв и продавливание уменьшаются. Исследования показывают, Что неравномерность плотности намотки рулонов бумаги по Ширине является следствием неравномерности ее влажности. Степень и равномерность влажности бумаги в значительной мере влияют на качество дальнейшей ее переработки, на ее гладкость, лоск, печатные свойства.

Для обеспечения стабильности свойств готовой бумаги и картона (особенно на скоростных машинах) актуальное значе­ние приобретает проблема измерения влажности полотна (для управления) непосредственно в процессе его изготовления Контроль за изменением влажности полотна в процессе его производства имеет также большое значение для оптимизации технологических процессов обезвоживания и сушки, оказываю­щих существенное влияние на многие важные физические и ме­ханические свойства готовой продукции. Кроме того, поддер­жание влажности полотна в определенном диапазоне при усло­вии сохранения всех механических показателей в заданных пределах обеспечивает получение значительного экономического эффекта за счет сокращения удельного расхода пара или за счет экономии волокна и дорогостоящих наполнителей.

В целлюлозном производстве необходимо измерять влаж­ность древесины и древесной щепы с целью стабилизации этого технологического параметра для получения воспроизводимого качества древесной массы и оптимизации технологических про­цессов по экономическим показателям.

Влага является обязательным компонентом капиллярно-по­ристых материалов, к которым относится древесина, целлюлоза, бумага и картон. Для количественной характеристики содержа­ния влаги в материале применяются две величины: влагосо-держание и влажность. Влагосодержанию соответствует также термин абсолютная влажность, а под влажностью часто подра­зумевают относительную влажность. Влагосодержание U опре­деляется отношением массы влаги т_в, содержащейся в матери­але, к массе абсолютно сухого материала т_а

U = т_в/т_а.

Под относительной влажностью w понимается отношение массы влаги т_в, содержащейся в теле, к массе влажного мате­риала т:

W =—-=

т /и_я + пи

Обычно эти величины выражают в процентах. Переход от одной величины к другой может быть осуществлен по соотно- шениям: _ГТ

U jjW w = , и — .

i + u i -

Под сухостью А понимают отношение

m m_a + m_B 1 — U

Виды измерения влажности подразделяются на прямые и косвенные. В прямых производится непосредственное разде­ление материала на сухое вещество и влагу, а в косвенных из­меряется физическая величина, которая функционально связана с влагосодержанием в материале. 254

Из прямых видов измерения влажности наибольшее распро­странение получил способ высушивания проб. В этом случае значение влажности определяется по формуле

w= ^G^"^C° , (7-26)

G_w

где G_w — масса пробы бумаги; G₀ — масса пробы бумаги в абсолютно су­хом состоянии; ш — влажность в процентах.

В лабораторных условиях значения G_w и Go определяются взвешиванием образца бумаги, помещенного в бюкс, на анали­тических весах до и после высушивания с учетом массы самого бюкса. Образцы высушиваются до постоянной массы в сушиль­ном шкафу или с помощью ламп инфракрасного излучения. На проведение одного анализа требуется от 20 до 40 мин. От­бор проб для определения влажности, например полотна, дол­жен производиться непосредственно на бумагоделательной ма­шине с максимальной быстротой для обеспечения большей до­стоверности результатов анаДиза, так как известно, что лист абсолютно сухой бумаги приобретает влажность окружающей среды за несколько секунд. Следовательно, измерение влажно­сти полотна непосредственно на бумагоделательной машине (или влажности материала в других агрегатах) может быть осуществлено только при использовании косвенных видов из­мерений.

Существуют многочисленные принципы построения влаго­меров на основе косвенных измерений влажности. Наибольшее практическое применение среди них для измерения влажности полотна нашли следующие (перечисленные в порядке распро­страненности) :

диэлькометрические (диэлектрические, емкостные), основан­ные на изменении диэлектрической проницаемости бумажного полотна в зависимости от его влажности;

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

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

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

емкостно-индуктивные, использующие связь влагосодержа-ния бумажного полотна, перемещающегося в поле колебатель­ного контура, и потерь мощности колебательного контура вследствие изменения активного и реактивного его сопротив­лений.

Измерение влажности полотна по температурному перепаду между сушильным цилиндром и отходящим от него полотном не применяется, поскольку на показания такого влагомера ока­зывают существенное влияние качество сырья, инерционность парового обогрева и ряд других факторов. Судить о влажности полотна по влажности воздуха над бумажным полотном также не представляется возможным ввиду слабой корреляции пока­заний гигроскопических влагомеров с содержанием влаги в по­лотне. Попытки использовать для измерения влажности полотна явления ядерного магнитного резонанса, электронного парамаг­нитного резонанса, изменения свойств радиоактивного и уль­тразвукового излучения пока не увенчались успехом.

Ряд перечисленных выше принципов построения влагомеров также имеет ограниченное практическое применение. Примером могут служить влагомеры, построенные на кондуктометриче-ском принципе. Этот принцип нашел воплощение в приборе «Акватель» (Канада), имеющий диапазон измерения влажно­сти 3—10 % и основную абсолютную погрешность ±0,3%. Ши­рокого применения подобные влагомеры не получили из-за большого влияния на результаты измерения непостоянства кон­такта измерительных электродов с полотном, изменения темпе­ратуры, нестабильности композиции и рН полотна, а также не­равномерности распределения влаги по его толщине.

Разработаны требования, которые должны учитываться при создании влагомеров. Они сводятся к следующему:

предпочтительнее бесконтактные влагомеры, а в случае применения контактных не допускать маркировки полотна бу­маги в процессе эксплуатации прибора;

конструкция прибора должна предусматривать установку его в любом месте бумагоделательной машины по ходу полотна, а именно: между прессовой и сушильной частями, где влаж­ность находится в пределах 55—75 %, перед полусухим каланд­ром, где влажность колеблется от 15 до 35 %, и перед накатом, где влажность имеет значения 3—20 %;

конструкция прибора должна обеспечивать перемещение датчика влажности по ширине бумажного полотна с целью вос­произведения распределения влажности в поперечном направ­лении;

на показания прибора не должны оказывать заметного влия­ния колебания концентрации различных компонентов бумажной массы, фракционного состава, массы квадратного метра, тол­щины и температуры полотна, а также его вибрация;

влагомеры должны обладать основной погрешностью не бо­лее ±0,5 % по абсолютной величине и на выходе иметь стан­дартный сигнал для включения в АСУ.

Остановимся на принципах действия, устройстве, характери­стиках и области применения влагомеров, выпускаемых нашей промышленностью, а также опытных образцов, которые ус-

256

пешно прошли испытания на целлюлозно-бумажных предприя­тиях страны за последние годы.

Диэлькометрические влагомеры. Измерение влажности бу­маги и картона по их диэлектрическим свойствам является наи­более распространенным принципом действия промышленных отечественных влагомеров. Применение этого способа основано на измерении емкости развернутого конденсатора, в электриче­ское поле которого помещен исследуемый материал. Причем в качестве параметра материала, связанного с влажностью, оп­ределяется именно диэлектрическая проницаемость полотна.

Как известно, для сухого волокна диэлектрическая прони­цаемость равна е = 2,5-^-3, а для воды 8 = 81. Отсюда следует,

Формы электродов		Постоянная электродов	Формы элентродоВ	Постоянная элеы'/роШ
	Йг^ юраллельные пластины	d s	Два коаксиальных цалии-боа оМнаковоО. длины	Ш1"т
N параллельных пластин, сое?чненньа электрически че­рез оспу		d S(N-t)	Я. Крцговои цилиндр и плос­кость (ось цилиндра па­раллельна плоскости)	где ц--Ь

Рис. 7-37

что диэлектрические свойства бумаги и картона в большей сте­пени зависят от количества влаги, чем от свойств волокна и наполнителя.

Упрощенная электрическая схема замещения емкостного датчика влагомера с полотном, прилегающим к обкладкам раз­вернутого конденсатора, представляет параллельное соединение активного сопротивления R и емкости С.

Параметры схемы R и С зависят от электрических характе­ристик материала: диэлектрической проницаемости е, удельного электрического сопротивления р, а также от формы, расположе­ния и размеров электродов. Обозначив через k постоянную электродов, можно написать:

R = kp; С= —е₀Б, k

где ео — электрическая постоянная, равная 8,86-Ю^-12 Ф/м.

Значения коэффициента k для наиболее распространенных типов электродов приведены на рис. 7-37.