книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

дение 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 анализа, так как известно, что лист абсолютно сухой бумаги при­ обретает влажность окружающей среды за несколько секунд.

Становится очевидным, что измерение влажности полотна непо­ средственно на бумагоделательной машине (или влажности мате­ риала в других агрегатах) может быть осуществлено только при использовании косвенных видов измерений.

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

диэлектрические или емкостные, основанные на изменении ди­ электрической проницаемости бумажного полотна в зависимости от его влажности;

влагомеры СВЧ, использующие изменение степени поглощения или отражения энергии электромагнитных волн СВЧ в зависи­ мости от влажности полотна;

инфракрасные, основанные на измерении степени поглощения или отражения энергии инфракрасных волн в зависимости от влаж­ ности;

кондуктометрические, построенные на связи влагосодержания и активного (омического) сопротивления отрезка бумажного по­ лотна, находящегося между электродами, в цепи постоянного или переменного тока промышленной частоты;

емкостно-индуктивные, использующие связь влагосодержания бумажного полотна, перемещающегося в поле колебательного кон­ тура, и потерь мощности колебательного контура вследствие изме­ нения 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 оказы­ вают существенное влияние качество сырья, инерционность паро­ вого обогрева и ряд других факторов. Судить о влажности полотна по влажности воздуха над бумажным полотном также не представ­ ляется возможным ввиду слабой корреляции показаний гигроскопи­ ческих влагомеров с содержанием влаги в полотне. Попытки ис­ пользовать для измерения влажности полотна явления ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, из­ менения свойств радиоактивного и ультразвукового излучения пока не увенчались успехом.

Ряд перечисленных выше технических влагомеров также имеет ограниченное практическое применение. Примером могут служить влагомеры, построенные на кондуктометрическом принципе. Этот принцип нашел воплощение в приборе «Акватель» (Канада), имею­ щий диапазон измерений влажности 3—10% и основную абсолют­ ную погрешность ±0,3%. Широкого применения подобные влаго­

244

меры не получили из-за большого влияния на результаты измере­ ния непостоянства контакта измерительных электродов с полотном, изменения температуры, нестабильности композиции и pH полотна,

атакже распределения влаги по его толщине.

Внастоящее время ЦБП не располагает влагомерами, которые полностью удовлетворяли бы всем этим требованиям.

Далее остановимся на принципах действия, устройстве, харак­ теристиках и области применения влагомеров, выпускаемых нашей промышленностью, а также опытных образцов, которые успешно прошли испытания на целлюлозно-бумажных предприятиях страны за последние годы.

Измерение влажности бумаги и картона по их диэлектрическим свойствам является наиболее распространенным принципом дей­ ствия промышленных отечественных влагомеров. При­

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

На рис. 8-28 показана упрощенная электрическая схема заме­ щения емкостного датчика диэлькометрического влагомера с по­ лотном, прилегающим к обкладкам развернутого конденсатора.

Параметры схемы R и С зависят от удельных электрических параметров материала: диэлектрической проницаемости е, удель­ ного электрического сопротивления р, также от формы, располо­

Значения коэффициента k для наиболее распространенных типов электродов приведены на рис. 8-29.

Чувствительность датчика определяется в зависимости от того,

Отсюда следует, что чувствительность датчика характеризуется в первую очередь изменением электрического параметра (е или р).

245

Чувствительность к изменению емкости 5с можно увеличить, увели­

чивая емкость С0= — • Кроме того, подбирая оптимальные соот- k

ношения между размерами датчика, т. е. изменяя k, можно увели­

форм пластин датчика объясняется стремлением обеспечить равно-

мерное электрическое поле и уменьшить влияние краевого эффекта в пространственном конденсаторе.

Величины в зависимостях (8.13) дают качественную картину физических процессов, происходящих в датчике. Для реальных ем­ костных датчиков они определяются в процессе градуировки.

В измерительных устройствах диэлькометрических влагомеров в основном используются равновесные и неравновесные мостовые измерительные цепи. Кроме того, измерения емкости и датчиков часто производят по изменению напряжения на резонансном LC- контуре, включенном по методу уравновешивающего преобразова­ ния (дифференциально-разностному) с контрольным контуром. Разность их напряжений измеряется в цепи прямого преобразо­ вания. Такое измерительное устройство используется, например, во влагомере типа «Роса».

Рассмотрим устройство отечественного влагомера типа «Роса», который предназначен для непрерывного измерения и записи влаж­ ности бумажного или картонного полотна в процессе его выра­ ботки на бумаго- и картоноделательных машинах. Основные тех­ нические характеристики влагомера типа «Роса».

246

массы квадратного метра полотна на общем сканирующем уст­ ройстве для измерения влажности и массы м по ширине полотна. Обкладки конденсатора изготовлены в виде двух гребенок с чис­ лом зубьев 6 и 7. Пластины за­

лотном 5, подключен к измерительному контуру 3. Напряжение высокой частоты, снимаемое с обоих контуров, детектируется с по­ мощью диодных детекторов и подается в измерительное устрой-

ство 6. Контуры построены таким образом, что увеличение емко­ сти измерительного контура 3 при увеличении влажности полотна приводит к уменьшению напряжения в контуре 3 и увеличению напряжения во втором контуре.

247

тока 7-10.

Усилитель постоянного тока для уменьшения дрейфа нуля построен по схеме модулятор-усилитель переменного тока — демо­ дулятор. Входной сигнал постоянного тока поступает на транзи­ сторный модулятор (преобразователь) 7, где преобразуется в пря­ моугольные импульсы частотой 400 Гц. Далее сигнал усиливается

На выходе демодулятора 10 включены измерительный магнито­ электрический прибор 12, шкала которого отградуирована в про­ центах влажности, и система предупредительной сигнализации на­ рушения допусков влажности 13 с тремя лампочками 14, сигнали­ зирующими границы: «Мало», «Норма» и «Много».

С выхода демодулятора 10 сигнал постоянного тока подается на выходной усилитель 15, обеспечивающий постоянство выход­ ного тока 0—5 мА при изменении нагрузки от 0 до 5 кОм. Для обеспечения высокой стабильности усиления весь усилитель 7-10 через выходной каскад и усилитель 15 охвачены глубокой отрица­ тельной обратной связью. Самопишущий миллиамперметр 16 на 5 мА включен в цепь выхода 0—5 мА 17.

Для температурной стабилизации генератора высокой частоты и измерительных контуров, находящихся непосредственно на бума­ годелательной машине, они помещены в термостат 22, в котором с помощью подогревателя 18 поддерживается температура 50° С. Постоянство температуры через блок питания 21 обеспечивается терморегулятором 20, датчик температуры 19 которого размещен в термостате.

При отсутствии бумаги напряжение на контурах 2 и 3 одина­ ково и напряжение на выходе измерительного устройства равно нулю. Если к датчику приложить образец абсолютно сухой бумаги, на выходе измерительной цепи появится напряжение. Следова­ тельно, 0% влажности не будет совпадать с электрическим нулем влагомера, что необходимо учитывать при его настройке.

При увеличении влажности образца бумаги сигнал на выходе измерительной цепи растет почти пропорционально изменению влажности бумаги. Величина сигнала, кроме влажности бумаги, зависит от значения массы 1 м2 и композиционного состава бумаж­ ной массы. Поэтому в приборе предусмотрена коррекция по компо­ зиции и по массе квадратного метра полотна. Ручки потенциомет­ ров коррекции выведены на лицевую панель. Установка значений этих параметров производится вручную по данным лабораторных анализов.

Конструктивно прибор состоит из датчика влажности, блока вторичных преобразователей в термостате и пульта приборов, где

248

размещены измерительный блок, самопишущий прибор, системы сигнализации и корректировки.

Для контроля режимов работы измерительного устройства ис­ пользуется микроамперметр, установленный на пульте. С помощью переключателя контроля режимов работы микроамперметр под­ ключается к различным точкам схемы, и по его показаниям можно судить об исправности отдельных узлов прибора.

Настройку прибора в эксплуатационных условиях начинают с проверки режимов работы во всех положениях переключателя контроля. Датчик при этом находится за пределами полотна.

Градуировка датчика должна производиться при установке его на движущееся полотно каждого вида бумаг или картона по об­ разцам, влажность которых определяется по ГОСТ 8428—57. При градуировке шкалы прибора корректором «вес 1 м2» изменяется его чувствительность, а корректором «композиция» смещается шкала прибора в ту или другую сторону.

Современная модификация влагомеров типа «Роса» — «Роса-1» — отличается более современным внешним видом, некото­ рым улучшением измерительной части и применением вакуумного присасывания полотна к датчику.

Общим недостатком таких влагомеров является зависимость погрешности их показаний от толщины и массы квадратного метра полотна, а также требование жесткого контакта датчика с полот­ ном. Тем не менее емкостные влагомеры достаточно просты и на­ дежны. В лучших зарубежных образцах влагомеров этого типа аб­ солютная погрешность измерений влажности не превышает ±0,2%.

Влагомеры бумажного полотна, основанные на зависимости электрических свойств бумаги в диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ) от влажности (кратко влагомеры СВЧ), начали разраба­ тываться лишь в последнее десятилетие.

Во влагомерах СВЧ может использоваться эффект изменения (ослабления) мощности проходящей или отраженной волны СВЧколебаний в зависимости от влажности полотна.

Степень поглощения электромагнитной энергии полотном опре­ деляется его диэлектрическими свойствами. Полотно в этом слу­ чае находится в зазоре между двумя рупорными антеннами. Ослабление мощности в материале при отсутствии отражения можно оценить отношением

где Ро и Ру — мощность, поступающая на материал и прошедшая через него;

d — толщина материала; Я— длина волны;

а, k — соответственно, коэффициенты затухания и абсорб­

ции бумаги (последняя paBHa]/"|retg8, где б — тан­ генс угла диэлектрических потерь).

249

Если принять d =const и X= const, то можно показать, что ос­ лабление мощности связано только с диэлектрическими свойствами полотна.

В рассматриваемых влагомерах СВЧ в качестве выходной вели­ чины может использоваться также изменение фазы электромагнит­ ной волны Дф при прохождении ее через контролируемое полотно. Зависимости Дф(иу) аналогичны зависимостям f(w).

Общие характеристики фазового способа еще недостаточно изу­ чены, чтобы можно было сравнить его со способом ослабления. Однако не подлежит сомнению, что двухпараметровое измерение влажности полотна (и щепы) весьма перспективно, так как позво­

ции по амплитуде низкочастотным модулятором М сверхвысоких частот поступает по волноводу к от­ ветвителю О. Далее часть электромагнитной энергии СВЧ направ­ ляется в опорную волноводную ветвь, состоящую из аттенюатора АТі и детектора Д и а другая часть — в измерительную волновод­ ную ветвь. Здесь через рупорную антенну РАі колебания СВЧ на­ правляются на поверхность бумажного полотна, проходят через него и поступают в приемную рупорную антенну РА2. Далее через аттенюатор АТ2 энергия СВЧ по измерительной ветви поступает к детектору Д 2. В обоих ветвях напряжения СВЧ детектируются и выделенные детекторами Д\ и Д 2 низкочастотные сигналы посту­ пают на вход дифференциального усилителя ДУ. Разностный сиг­ нал после усиления подается на реверсивный двигатель РД, кото­ рый поворачивает уравновешивающий аттенюатор АТ2 измери­ тельного волновода до выравнивания сигналов и одновременно перемещает движок реохорда самопишущего и показывающего прибора СП.

Сигналы с детекторов Ді и Д 2 можно сравнивать с использо­ ванием дифференциального трансформатора. С выходной обмотки трансформатора сигнал подается на усилитель и далее на регист­ рирующий прибор. Такая схема была использована при разра­ ботке широкодиапазонного бесконтактного влагомера бумажного

250

полотна СВЧ ЦНИИ бумажного машиностроения. Макет этого влагомера успешно прошел производственные испытания для из­ мерения влажности бумаги в диапазоне 3,5—70%.

Кроме ослабления мощности колебаний СВЧ выходным сигна­ лом датчиков влагомеров СВЧ может служить изменение пара­ метров (например, резонансной частоты) объемного СВЧ-резо­ натора.

Вэтом случае, как показывают исследования, изменение влаж­ ности материала значительно меньше зависит от удельного сопро­ тивления и диэлектрической постоянной самого материала, а также от изменения массы 1 м2. Датчик влагомера устанавливается в лю­ бом месте бумажной машины, на его показаниях не сказывается вибрация и изменение положения бумажного полотна.

Промышленный влагомер СВЧ такого типа (Швеция) для диа­ пазона изменения влажности бумажного полотна от 5 до 10% об­ ладает абсолютной погрешностью не более ±0,1%, что указывает на его перспективность применения для ЦБП.

Втаблице 8-1 даны основные характеристики промышленных влагомеров СВЧ для измерения влажности полотна различных фирм и стран-изготовителей.

%%

Сиспользованием этого принципа существуют влагомеры СВЧ

собъемными резонаторами для определения влажности кипы бу­

маги объемом до 1 м3 в диапазоне изменения влажности до 10% с достаточно высокой точностью. Этот принцип измерения изучен еще недостаточно: например, нет теоретических и эксперименталь­ ных данных о том, каким образом влияет на точность измерения распределение влаги в толще бумажного полотна, особенно — как влияет поверхностная влажность материала. Приборы СВЧ имеют неоспоримое преимущество: они измеряют влажность бумажного полотна в широком диапазоне и поэтому могут использоваться как в прессовой части буммашины, так и на накате. Кроме того, этим влагомерам присущи такие достоинства, как высокая точность, слабая зависимость от изменения композиции бумаги, состава

251

волокна и наполнителей, отсутствие механического контакта датчи­ ков с контролирующим полотном, влагомером СВЧ с объемным резонатором, независимость в широких пределах от действитель­ ного положения бумаги в электрическом поле контура.

Общими недостатками таких приборов являются: зависимость показаний от температуры, от бумажной пыли, от вибрации бума­ годелательной машины и полотна, громоздкость.

Последние годы в СССР и зарубежных странах с высокораз­ витой целлюлозно-бумажной промышленностью уделяется боль­ шое внимание разработкам и внедрению влагомеров, основанных на принципе поглощения или отражения энергии инфракрасных волн влагосодержащим материалом.

щий метод измерения, выбирая в спектре ИК-излучения две об­

ласти с различной зависимостью свойств ИК-излучения от влаж­ ности.

Принципиальная блок-схема ИК-влагомера представлена на рис. 8-33.

Источником ИК-излучения является обыкновенная лампа нака­ ливания 1. На пути следования света вращается диск 9 с оптиче­ скими узкополосными фильтрами 2 таким образом, что на систему зеркал 3 и далее на бумагу 4 попадает импульсами инфракрасное излучение двух длин волн. Отраженный свет поступает на систему фильтров (на рис. 8-33 не показаны). Используются два фильтра: первый пропускает излучение с длиной волны, например 1,94 мкм, которое поглощается молекулами воды, а второй — излучение, не поглощаемое молекулами воды. После фильтров свет собирается сферическим зеркалом 5 и направляется на детектор 6, где им­ пульсы света превращаются в электрические колебания, которые после усилителя 7 регистрируются измерительным устройством 8. В данном примере свет с длиной волны 1,94 мкм будет носителем информации, а второй — контрольным инфракрасным светом, так как он водой почти не поглощается. Оба потока в одинаковой сте­ пени зависели от характеристик бумажной массы, поэтому на по­ казания прибора не влияет изменение массы 1 м2 полотна, на­ пряжения питания, чувствительности измерительной цепи и т. п.

252

ИК-влагомеры имеют достаточно сложную конструкцию. На­ личие вращающегося диска с дорогостоящими фильтрами, си­ стемы зеркал ограничивает их широкое применение в целлюлознобумажной промышленности. В нашей стране работы по созданию

по ширине бумажного полотна построен на новом принципе (автор­ ское свидетельство № 230460 и 337700, авторы Л. А. Банина, В. Н. Фурсов), в основу которого положена зависимость мощности переменного электромагнитного поля в определенном диапазоне частот от влажности движущегося полотна. Электромагнитное поле создается разрядами электростатического электричества, имеющегося на движущемся бумажном полотне в конце бумагоде­ лательной машины.

Преимуществами данного способа измерения влажности яв­ ляется возможность поднять датчик (обыкновенную радиоантенну) довольно высоко (до 200 мм) над бумажным полотном. Поэтому датчик не только не изнашивается, но и не мешает заправке бу­ мажного полотна. Кроме того, прибор позволяет в каждый момент времени измерять среднее значение влажности движущегося бу­ мажного полотна, что иногда бывает предпочтительным.

Блок-схема прибора показана на рис. 8-34. Датчик прибора 1 представляет собой металлическую трубу D= 104-20 мм, закреп­ ленную на изоляционных подставках на заправочном шабере бума­ годелательной машины параллельно бумажному полотну. Бумаж­ ное полотно, проходя каландровую батарею, приобретает большой электростатический заряд, который наводит в датчике (антенне) электрический сигнал. При изменении влажности бумаги изме­ няется величина наведенного сигнала.

Сигнал от датчика по кабелю подается на вход модулятора и усилителя 2. Здесь сигнал модулируется и усиливается. Затем сиг­ нал через демодулятор 3 подается на микроамперметр 6, шкала

253