BTG濃度傳感器與常用濃度傳感器的分析與比較

劉桂德

（遼寧興啟電工材料有限責任公司，　遼寧　遼陽　111000）

BTG濃度傳感器與常用濃度傳感器的分析與比較

劉桂德

（遼寧興啟電工材料有限責任公司，遼寧遼陽111000）

濃度的測量對造紙抄造非常重要，尤其是高速紙機。如果濃度產(chǎn)生波動將會給產(chǎn)品帶來致命的缺陷。從生產(chǎn)工藝角度詳細地敘述了BTG濃度傳感器對比普通濃度傳感器使用中的優(yōu)缺點；同時也分析了其他傳感器的使用方法（例如像靜態(tài)剪切力法、原子法以及微波方法測量濃度的傳感器）。

濃度靈敏度傳感器取樣量線性度漿種

0　前 言

目前紙漿濃度傳感器的檢測方法主要有力學法、光學法、電容法、同位素密度法、超聲波法等等。工程應用上主要以力學法為主。力學法又可分為外旋式、內(nèi)旋式、靜刀式和動刀式。這其中又以內(nèi)旋式的性能最優(yōu)，但其結(jié)構(gòu)復雜、造價高，不易推廣。就瑞典BTG內(nèi)旋式MEK系列、動刀式MBT系列、反射光學式QCT三種濃度傳感器從性能而言是最難掌握的，有關(guān)專業(yè)人員也沒能正確地去認識該產(chǎn)品。這就是為什么內(nèi)旋式和其他型式濃度傳感器不能應用的原因。事實上，可以在相同的運行費用下安裝以上這三種變送器。就旋轉(zhuǎn)濃度變送器而言，總體來說在理論和實際上可獲得相同的運行效果。這是因為通常濃度變送器的安裝、測量的條件是連續(xù)變化的，所給出的濃度傳感器參數(shù)表中的數(shù)據(jù)值是在模擬生產(chǎn)實際中的漿料種類和流送條件下在試驗室來完成的。實踐證明在上述條件下三種濃度傳感器的運行性能要優(yōu)于試驗室的模擬運行性能。因此試驗室的數(shù)據(jù)表是可信賴的，而其他設計者并非是這樣，他們往往是忽略了適用的漿料和實際的流送工況，導致失敗或者得出錯誤的結(jié)論。

1 被測漿料取樣量

最常見的濃度測量方法有旋轉(zhuǎn)剪切力法、固定/移動刀式剪切力法、光反射或傳導式，見圖1。

圖1　被測量漿料在測量室內(nèi)體積比例

MEK旋轉(zhuǎn)濃度傳感器通常安裝一個帶有恒定流量的傳感螺旋槳。這就使得傳感器對流量的變化不敏感，但保證了在較大抽樣體積下也能測量大約平均流量的20%～90%（還取決于管徑、濃度等）。在測量前這個導槳也能提供漿料混合，如果傳感器的變送元件被離線安裝還可以保護外部元件免遭漿料的腐蝕。在大于5%的較高濃度下，若不使用導槳而傳感器安裝在主流體中，由于漿料的低湍動流速的變化一般會引起很小的信號改變。普通和旋轉(zhuǎn)濃度傳感器的傳感元件是安裝在管道中間的，在任何濃度下不能保證測量精度，結(jié)果導致流速范圍窄。利用定刀式濃度變送器直接受流量的干擾，而BTG的移動刀式濃度傳感器是利用一塊導流片來保護傳感器。上述兩類型傳感器測量體積較小，占總流量的2%～10%，與旋轉(zhuǎn)型濃度傳感器相比易受周圍區(qū)間漿料的流速和湍動的影響比較明顯。因此推薦直管段長度要比旋轉(zhuǎn)式傳感器直管段長度要長6～10倍。在此種濃度傳感器中，傳感器本身不參與漿料的輔助混合，但是他們有存在測量誤差的可能。

光學式濃度傳感器是利用光學傳導元件測量 ，普遍安裝在旁路管上。在這種情況下流過旁路管的體積比主管道中的體積小，但濃度變送器需要測量的管路中大部分漿料流體的抽樣體積，這里關(guān)鍵是得到有代表性的漿料通過旁路管。由于輸送和堵塞管路的原因，原則上光學式濃度傳感器是受最大濃度的限制。

利用光學反射式濃調(diào)傳感器（例如Opticon）測量主管中濃度，而它發(fā)出的光波射入漿中只是很短一段距離，從而導致光學式濃度傳感器有較小的抽樣體積（小于1%）。在上述的兩種光學式的濃度測量方法中沒有一種參與漿料的輔助混合［1-3］。

2 濃度傳感器對漿速的敏感性

不同型號的濃度傳感器的靈敏度對漿速的變化或多或少受到一些影響［4-6］。要求特殊安裝的濃度傳感器靈敏度取決于多種因素，主要有：

（1）使用的傳感器型號。旋轉(zhuǎn)式、定刀式、移動刀式、光反射式或光導式等。

（2）安裝條件。安裝管徑，泵或管彎頭后的直管段長度，控制閥水平/垂直或傾斜安裝等。

（3）濃度。何種濃度？測量量程？

（4）漿的纖維種類。長/中/短纖維？是否絮聚（主要對光學傳感器而言）。

（5）流速。漿流速變化多大，哪種流速范圍（低、高，他們的狀態(tài)如何）。

鑒于上述這些因素，不難理解：安裝時不能直接與其他類型傳感器調(diào)換——因此測量結(jié)果的改變很明顯是由使用過程中的其他條件造成的。曾經(jīng)有人做過一次試驗，條件是按照安裝手冊準確地來完成，為了得到有代表性的數(shù)據(jù)，所有變化的因素盡可能的保持穩(wěn)態(tài)。使用2臺BTG的濃度傳感器和2臺普通定刀式濃度傳感器，被測試濃度傳感器如下：

（1）裝有B型標準傳感元件的MEK型。在測量室內(nèi)裝有較大的導槳，連接改進型150 mm的傳感器，尺寸與常用的傳感器相似，使用焊接雙頭螺栓連接（300 mm或更大的管道）。

（2）MBT型帶有L型的標準傳感器，標準行程電流750 mA。

（3）普通A型帶有定刀標準型式濃度傳感器和標準電信號輸出。

（4）普通B型帶有定刀標準型濃度傳感器和氣壓輸出信號（其他的制造者可參照普通A型）。

使用三種不同的漿料作試驗：化學熱磨機械漿、磨木漿與硫酸鹽木漿。僅以化學熱磨機械漿（其有很高的剪切力）和磨木漿（具有很小的剪切力）為極端例子來討論。在這方面，磨木漿是一種比較典型的混合回收材木漿。硫酸鹽木漿介于兩者之間。曲線說明了在不同濃度范圍內(nèi)的輸出信號：化學熱磨機漿在0.9%～4.2%，磨木漿在1.1%～4.8%之間。漿流速變化范圍：在150 mm管徑中，不同的傳感器輸出的信號值換算成顯示實際濃度標準誤差值（這個值是實驗室測得的）。為測試傳感器，把流速定在了如下范圍，見表1。

表1　漿速變化范圍表1 ft=0.3048 m

為了使?jié){流速控制在推薦的流速范圍內(nèi)，實際中經(jīng)常按傳感器要求使用適應上述流速范圍且必不可少的一段上升管路，僅允許低于最大流速。圖2、圖3、圖4、圖5當中的曲線關(guān)系證明當管徑不大時，是足以滿足測試其他型號濃度傳感器，而實際運行流速要優(yōu)于推薦的流速，見圖2。

圖2　改變化學熱磨機械漿的流速，刀式傳感器濃度、絕對誤差與流速關(guān)系曲線圖

圖3　是不同流速下的化學熱磨機械漿，光反射式、MEK濃度絕緣誤差曲線圖

圖4　相對應圖2為機械磨木漿濃度誤差、漿流速曲線圖

圖2是用長纖維化學熱磨機械漿利用刀型傳感器做的試驗。對于各種濃度曲線趨向是相同的。普通B型顯示負誤差而普通A型顯示為正誤差。普通B型在很窄的流速范圍內(nèi)，對應的濃度誤差較小，相對濃度的靈敏度較高，而在這個流速范圍外誤差迅速增大。普通A型有較寬的流速范圍，然而在這個范圍之內(nèi)有較大的誤差。在被測的刀式傳感器中，MBT的響應性最好。它的特點是相對于普通型更適用于低濃和較短的纖維，建議在最低濃度（0.9%，1.1%和1.8%）范圍內(nèi)，不要使用任何型號的刀式傳感器，這是因為在限定的流速范圍內(nèi)是不增加傳感器的靈敏度，實際上A型傳感器這時的測量狀態(tài)類似一臺流量計，類似這種情況是不能安裝刀式傳感器的。MBT被設計成能安裝不同的傳感器，這種設計完全可以滿足各種條件下的濃度測量。

圖3表示了MEK和光反射式傳感器的絕對誤差曲線。這些傳感器經(jīng)測試有較高的靈敏度，在低濃度區(qū)間也得到了同樣結(jié)論。MEK及光反射式傳感器實踐證明：在任何條件下不必考慮對流速的敏感性。但最大濃度4.2%下，光反射式傳感器對流速有明顯的靈敏度。根據(jù)現(xiàn)場報告，普通型光反式傳感器具有相似的測量規(guī)律，而大多數(shù)的光反射式傳感器功能是允許在測量點上對流速的敏感性。這是因為這些傳感器使用可見光工作，可見光波在漿中傳輸?shù)木嚯x不如紅外線傳輸?shù)木嚯x長，而紅外線則不同。其他因素影響流速敏感性是光反射式傳感器的設計和漿的絮聚趨勢。

圖4說明刀式傳感器在短纖維磨木漿上的應用，從圖4不難看出與圖2有相同的變化傾向。

MEK和光反射式在磨木漿中應用，見圖5

圖5　是與圖3相對應的機械磨木漿濃度與流速關(guān)系曲線圖

圖5中曲線同樣證明了與圖3有相同的變化趨勢。改變流速傳感器在不同的漿料濃度下的靈敏度排列如下：

（1）MEK最好。

（2）光反射式一般。重要的是正確的安裝，尤其在高濃情況下。

（3）MBT一般情況下使用較好，注意直管段距離。

（4）普通A型應用于長纖維令人比較滿意，而應用于短纖維測量效果不好。

（5）普通B型在嚴格限制的流速范圍之內(nèi)，性能相對較好，超出這個范圍就有較大的誤差［4-6］。

3　漿料種類的變化對傳感器靈敏度和線性度的影響

圖6　刀式傳感器對不同漿種的靈敏度曲線圖

理想的濃度傳感器從低濃到高濃有很寬的操作范圍，信號曲線是直線并只對纖維濃度敏感，漿中的空氣和pH值的變化等均對測量沒有影響。在某些漿池紙漿中含有一定的填料，而在其他位置中沒有。實際上是純纖維對傳感器和性能起著很大的影響。利用當今現(xiàn)代技術(shù)，用一種型號傳感器來測量紙漿實際上是不可能滿足所有的要求，必須采取一種折中的方案，但也不能不考慮制造者的損失。在以前的測試方法中這些變化因素也已經(jīng)估計到一些［7-9］。圖6是刀式傳感器對不同漿種的靈敏度。圖6顯示了刀式傳感器的特性曲線，從曲線上看出所有刀式傳感器都是非線性的，然而當傳感器在控制條件下使用時，傳感器的量程并不是很大（1%～2%）。測量范圍越大曲線的非線性就越差。當今，現(xiàn)代化的過程控制系統(tǒng)已經(jīng)給出了一個校準的測量范圍，包括所有的濃度值，并用絕對值來表示，不必擔心在校準的測量范圍內(nèi)給出非線性的可能，即在正常的濃度下顯示的是正確濃度值，而并不是取決于濃度或輸出信號曲線的線性度，輸出僅在測量量程的端點有誤差，而對于傳感器要求有較好的線性信號，那么它的輸出就按一定比例輸出。BTG的新型智能或高靈敏型傳感器的輸出信號是自動線性化的，所以實際上它比老式模擬型傳感器精度更高?？梢钥闯鏊械妒絺鞲衅髟跐{種類改變情況下輸出相對信號差較大，在輸出信號值60%時，漿料種類從高交織強度到低交織強度的磨木漿，實際濃度誤差對于普通B型傳感器是0.8%，對于普通A型傳感器是0.9%，而對于MBT是1.1%。

BTG全智能或高靈敏型傳感器有四種分別被校準的測量范圍，經(jīng)過不同漿種的在線測量，已經(jīng)改善了它的測量精度。所有刀式傳感器有一個濃度范圍值，在濃度數(shù)據(jù)表中已標明（標準型）：

普通A型：1.5%～8%

普通B型：1.75%～6%

MBT：1.5%～8%

MEK：1%～10%

光反射式：0.5%～7%

通常建議刀式傳感器避免在濃度低于2%，MEK為1%下使用。此時的信噪比會較低。一般情況下MEK的信噪比刀式要高，同時也要注意在理想的校準濃度范圍內(nèi)也不要太接近傳感器規(guī)定的最小濃度值。

圖7測定的是MEK和光反射式傳感器相對不同漿種類的靈敏度?？梢钥闯鯩EK有一段窄的非線性區(qū)，對于漿種的變化誤差較小，尤其是在硫酸鹽漿與磨木漿之間，而且在低濃度區(qū)有一個最小的輸出值。光反射式通常線性很好，但在最高濃度區(qū)輸出信號將達到飽和測量曲線下降，將取決于所使用的漿種類。硫酸鹽漿在高濃度值下，非線性將增加；在較低濃度下，對于機械漿非線性將增加。作為誤差較小的MEK則適用于不同漿料種類中，例如混合纖維或者改變纖維的打漿度，MEK型傳感器的測量精度仍然較高。

光反射式傳感器并不是不靈敏，甚至在低濃下靈敏度很平穩(wěn)，但是要避免管型反射的干擾。

圖7　光反射式與MEK對于不同漿種的靈敏度圖

不推薦在達到0.2%～0.3%濃度以下使用。多數(shù)光學型濃度傳感器（光反射式）最大缺點是在漿種變化或混合漿情況下，測量誤差較大，（或在其他經(jīng)常改變漿種類狀態(tài)下）。一般來講，漿種類的變化所產(chǎn)生的誤差，光學式傳感器比旋轉(zhuǎn)式傳感器大4倍，為刀式傳感器的2倍。

圖8　不同漿種用MEK和光反式傳感器濃度輸出誤差曲線

圖8給出了磨木漿與硫酸鹽針葉木漿在典型濃度范圍內(nèi)的測量結(jié)果的比較。如圖8MEK實際濃度誤差是0.35%，即相對誤差是11.7%（實際傳感器的兩段測量區(qū)間已分別被校準）；對于光學傳感器的濃度絕對誤差是2.1%，實際上233%，計算結(jié)果是錯誤的。在這種情況下輸出信號是不能用的，除非在兩個測量區(qū)間被標定好。像類似的打漿度變化也會產(chǎn)生同樣的錯誤結(jié)果。

圖9使用光反射式濃度傳感器在不同的漿種下的輸出信號-濃度曲線圖。

圖9　用光反射式傳感器測量不同漿種的不同輸出信號圖

4　結(jié)束語

除了上述提到的因素影響外，還有許多變化因素影響到傳感器的精度，主要因素見表2。

表2　漿料影響傳感器精度表

（1） 打漿度。變化直接影響傳感器的輸出信號，就像漿種改變一樣，即對光反射式傳感器影響最大，而對旋轉(zhuǎn)傳感器影響最??；光學傳感器的信號輸出是隨著打漿度的增加而增加；旋轉(zhuǎn)剪力傳感器作用則相反。利用MEK測量濃度時，硫酸鹽原漿的打漿度是15oSR，在低于25oSR時，就發(fā)現(xiàn)傳感器輸出信號變化最大，大約在打漿度高于300oSR時輸出信號趨于穩(wěn)定。

（2）顏色。僅對光學傳感器有影響，光源是重要因素，光反射式傳感器安裝有一個紅外線發(fā)光二極管，比普通傳感器使用普通光源大大降低了干擾。利用可見光的傳感器，漿的顏色也是一個重要因素，例如藍色將在很大程度上降低在可見光工作下傳感器的測量精度。

（3）白度。也影響光學傳感器測量結(jié)果。這種影響并不是絕對的，而在這里就白度的干擾我們發(fā)現(xiàn)在多數(shù)情況與顏色影響相同。

（4）填料量。主要影響光學傳感器精度。填料量增加，光學傳感器輸出信號迅速增強。二氧化鈦比高嶺土影響更大，當漿中含有填料時，建議使用BTG生產(chǎn)的一種低濃傳感器——SSA。他可以分別測量纖維濃度、填料量、纖維長度，它的精度更高。旋轉(zhuǎn)剪切力傳感器當填料量增加時，輸出信號稍微有點降低，一般這種情況可以忽略。但是必須把灰分和纖維、填料量分開，常規(guī)化驗室測得的濃度會產(chǎn)生誤差，因為測試結(jié)果包括填料在內(nèi)，而使用該型傳感器測量的只是一小部分纖維。使用剪切力傳感器測量總濃度是不合適的，原因是忽略了填料或稀釋水量，另一方面又過高地相信標準型式光學傳感器，在這方面BTG SSA型傳感器是一典型的測量方式。

（5）改變稀釋水量時，（主要目的是用白水稀釋）對于光學傳感器是一個難點。這些傳感器對稀釋水量的靈敏性比對纖維靈敏，因為光學傳感器測量的是漿中所有粒子的表面尺寸，白水稀釋量很大，光學傳感器在某些條件下會發(fā)生輸出信號增強，然而由于增加了稀釋水量反而濃度卻降低了。在正常條件下，剪切力傳感器對稀釋水不敏感，只是對纖維敏感。

（6）溫度。對剪切力傳感器以及光學傳感器都有影響。溫度提高，剪切力傳感器輸出信號下降，這種因素可以忽略，因為溫度通常是相對穩(wěn)定的，溫度變化＞10℃時，MEK被自動效正。其他測量方法像原子或微波受溫度影響比前述方法要大得多，這類傳感器在很大程度上是依賴于溫度補償來工作的。

（7）黑液量。對光學、原子和微波傳感器影響很大。這些傳感器只能用于洗后紙漿，對于光學傳感器，當黑液增大時，輸出信號也增加直到達到某一定值，信號飽和時，測得的濃度不再是紙漿濃度而是黑液量值。

（8）pH值。提高pH值，對剪切力傳感器來講輸出信號幾乎不增加，這是普遍存在的一種無關(guān)緊要的誤差。通常pH值是不變的，當纖維性質(zhì)改變——增加pH值即纖維潤脹，例如纖維尺寸增加而傳感器輸出信號降低。通過改變紙漿的pH值或?qū)щ娦詫ξ⒉▊鞲衅饔绊懞艽?，在某種程度這種影響是可以補償?shù)摹?/p>

（9）卡伯值。有時影響所有測量方法。當紙漿的卡伯值變化時，對傳感器影響程度目前不清楚。

（10）空氣含量。紙漿中的空氣含量對原子和微波傳感器的精度影響很大，對剪切力傳感器影響可以不考慮。空氣存在于纖維中是以小氣泡形式溶解在紙漿中，氣泡的大小主要取決于壓力，對原子或微波傳感器來說，改變流速導致壓力變化，從而直接影響測量結(jié)果。通過增加管道壓力可以減小氣泡的大小。這種方法往往可避免增加很高的費用，但提高管道壓力，能量消耗也增大，同時還需要1臺較大的漿泵。

［1］ 王文琪.兩相流動［M］，北京：水利電力出版社，1989.

［2］ 林宗虎.氣液固多相流測量［M］，中國計量出版社，1988.

［3］ 佟慶理.兩相流動理論基礎［M］，冶金工業(yè)出版社，1982.

［4］ 陳寶貴.MBT-2300智能紙漿濃度變送器及其應用［J］，中華紙業(yè)，2000，21（10）：15-18.

［5］ 陳光漢.MEK-2200紙漿濃度變送器結(jié)構(gòu)原理及調(diào)試方法［J］，中國造紙，1995（4）.

［6］ 錢承茂.劉煥彬.制漿造紙過程測量與控制［M］，輕工業(yè)出版社，1991.

［7］ 李昌禧，樊鑫瑞.內(nèi)旋式紙漿濃度變送器的研究［J］，儀器儀表學報，2001（12）：20-25.

［8］ 王利恒，李昌禧.動力式濃度變送器的研究與設計［J］，華中科技大學學報，2001（11）：17-19.

［9］ BTG COMPANY.MEK/MPK-2000 in-line Consistency Transmit Instruction Manual ［M］218/228.

Analysis and comparison of BTG consistency transmitter with the usual consistency transmitter

LIU Guide
（Liaoning Xingqi Electric Materials Co.，Ltd.， Liaoyang Liaoning，111000）

Abstrcat： Measurement of the concentration of paper pulp is very important， especially in the high speed paper machine， if the concentration of volatility will bring fatal defect to the product， this paper from the angle of the production process in detail describes the BTG concentration sensor in comparison with ordinary concentration sensor used in the advantages and disadvantages， and also analyzed the other sensors using methods such as static shear force method， atomic method and microwave method of concentration measurement sensor.

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