CN1073178C

CN1073178C - 纸浆浓度测控仪

Info

Publication number: CN1073178C
Application number: CN99104833A
Authority: CN
Inventors: 郑志受; 陆国强; 富乃成; 邵孝先
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2001-10-17
Anticipated expiration: 2019-04-07
Also published as: CN1229157A

Abstract

本发明公开了一种激光光纤纸浆浓度测控仪，包括：光纤传感器，包括光纤探头、通过发射光纤与光纤探头连接的光源和通过接收光纤与光纤探头连接的探测器；信号处理单元，它接收、处理所述光纤传感器的输出信号，并根据预定的纸浆浓度和处理后的电信号的对应关系求出待测纸浆浓度。该测控仪通过测量向后散射光强的大小来确定纸浆浓度，因此测量精度不受流速、温度、压力和纸浆中各种化学离子含量等因素的影响，而且结构简单、安装和维修方便。

Description

纸浆浓度测控仪

本发明涉及纸浆测量和控制装置，尤其涉及一种激光光纤纸浆浓度测控仪。

在造纸工业中对纸张质量的要求越来越高。纸张的质量除了与原料有关外还直接受到生产工艺的影响。造纸生产工艺一般包括三个工序：备料、制浆和抄纸，其中在制浆和抄纸过程中都需要用水稀释原浆。因而，实时、精确地测量纸浆的浓度对于制浆和抄纸工序，进而对提高纸张的质量都有十分重要的意义。

中国专利No.90100279.8公开了一种纸浆浓度自动控制仪，由纸浆浓度传感器、电动调节阀和计算机控制柜构成。纸浆浓度传感器以流体动力学为基础，根据浓度与剪切力之间的关系来检测浓度，其工作方式包括刀式和旋转式两种。由于剪切力和流速、温度和压力等因素有关，因此该纸浆浓度控制仪的测量结果直接受上述因素的影响，此外，它也不能用来测量低浓度。CSTAD数据库中描述了一种采用光度法在线连续检测低浓度纸浆的浓度的低浓度检测控制仪。它利用纸浆纤维对偏振光的振动方向具有偏转作用的特性，通过检测偏振光的强弱来确定浓度的大小。该检测控制仪中所用的传感器包括光源、平行偏振片、测量室、劈光片、垂直偏振片、透镜、光电池等部件，结构复杂，安装烦琐，并且中高浓度无法测量。《中国仪器仪表》1994年(5)第14～16页公开了一种电容式纸浆测量技术，它是基于这样的原理：由于纸浆的介电常数随浓度的不同而不同，而介电常数的变化可以转换为电容的变化，因此，可通过测量所述电容来确定纸浆浓度的大小。但是，由于纸浆中各种化学离子的多少直接影响到介电常数的值，因此该方法的测量精度直接受纸浆中所含的化学离子的影响。另外，该方法不能对高浓度和低浓度进行测量。

本发明的目的是提供一种激光光纤纸浆浓度测控仪，其测量精度不受流速、温度、压力和纸浆中各种化学离子含量等因素的影响，而且结构简单、安装和维修方便。

为达到上述目的，本发明的激光光纤纸浆浓度测控仪包括：光纤传感器，包括光纤探头、通过发射光纤与光纤探头连接的光源和通过接收光纤与光纤探头连接的探测器；信号处理单元，它接收、处理所述光纤传感器的输出信号，并根据预定的纸浆浓度和处理后的电信号的对应关系求出待测纸浆浓度。

按照本发明，根据待测纸浆浓度范围的不同可选用不同排列形式的光纤探头。对于低浓度、高浓度、中浓度和全量程浓度测量可分别采用一心单相形、一心连环形、一心放射形和一心两相形光纤探头。关于这些探头形式的定义，下文有详细描述。

根据本发明，所述信号处理单元还可包括用于直接置入并密码修正代表所述纸浆浓度和电信号的对应关系的最小二乘系数的装置。所述置入和修正装置可包括：存储装置，用于存储密码和最小二乘系数；输入装置，用于输入密码和最小二乘系数；比较装置，用于比较由输入装置输入的密码是否与存储装置中所存储的密码相同，若相同则向所述存储装置发出一个信号；检验装置，用于检验所输入的最小二乘系数是否有效，若有效，则在响应所述信号指令所述存储装置将由所述输入装置输入的最小二乘系数存入所述存储装置。

由于上述技术方案采用了激光光纤的测量方法，通过测量向后散射光强的大小来确定纸浆浓度，因此测量精度不受流速、温度、压力和纸浆中各种化学离子含量等因素的影响，而且结构简单、安装和维修方便。

此外，由于具有直接置入并密码修正最小二乘系数的功能，解决了宽量程测量中出现的非线性问题，因此，根据本发明的激光光纤纸浆浓度测控仪和现有纸浆浓度测控仪相比还具有较宽的测量范围。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是根据本发明的激光光纤浓度测控仪的结构框图。

图2是根据本发明的激光光纤浓度测控仪的光纤传感器的结构示意图。

图3(A)-(D)是根据本发明的光纤探头的结构排列示意图。

图4是本发明的激光光纤浓度测控仪所采用的I/V转换器和放大变换器的电路原理图。

图5是本发明的激光光纤浓度测控仪中可采用的用于直接置入并密码修正最小二乘系数的装置的示意图。

图6是本发明的激光光纤浓度测控仪中可采用的用于直接置入并密码修正最小二乘系数的装置的电路原理图。

图7是是本发明的激光光纤浓度测控仪中可采用的用于控制信号输出的电路的原理图。

图8是本发明的激光光纤浓度测控仪可采用的信号处理系统的前面板示意图。

如图1所示，本发明的激光光纤纸浆浓度测控仪包括光纤传感器1和信号处理单元2两部分。光纤传感器1包括光源11、光纤探头12和探测器13。由光源11发出的激光束经发射光纤传送至光纤探头12，进而向待测纸浆发射，被纸浆向后散射的光经光纤探头12和接收光纤传送至探测器13，探测器13将其所接收的光信号转换为电信号。信号处理单元2包括I/V转换器21、放大及变换器22、A/D变换器23和求值器24。I/V转换器21接收由探测器13输出的电流信号，将其转换为电压信号，而后，将转换后的电压信号传送给放大及变换器22，对其进行放大和变换处理，以便对其进行A/D变换。经A/D变换后的数字信号转送到求值器24。求值器24根据事先确定的纸浆浓度和电信号的对应关系求出所测纸浆浓度的值。

此外，还可设置调节装置，根据设置值和测量值输出标准信号和控制信号来控制掺水阀，使纸浆浓度控制在生产工艺所要求的范围内。

对本发明所涉及的技术领域的技术人员来说可以理解的是，还可对本发明的激光光纤纸浆浓度测控仪设置用于测控流量、温度和压力等的装置。

光源11一般采用焊点激光器和半导体发光器。焊点激光器虽然光源稳定性和聚焦性较好，但输出功率小，体积大，激发电压高，造价较贵，一般适用于实验室内高精度测量。半导体发光器包括发光二极管和激光二极管。发光二极管光谱宽(30～40nm)，但色散度大，与光纤耦合效率低，且它发射的光是非相干光，只能与多模光纤耦合，一般只适用于对光源要求较低的场合。激光二极管虽然输出功率受供电的稳定性以及环境温度影响，需要有稳定电路，但它功率大、亮度高、尺寸小、易于调制，其定向相干光既可以与单模光纤耦合又可以与多模光纤耦合。它既具有半导体器件的优点，又具有激光的单色性、相干性、方向性和亮度高等特点。所以，对于本发明，激光二极管是可供选择的最佳光源。此外，选择激光二极管时，应使其光谱分布波长与光纤工作波长(此波长的光在光纤中损耗最小)相匹配。

关于发射光纤和接收光纤，可使用石英光纤或玻璃光纤。石英光纤损耗小但造价高，玻璃光纤损耗虽大一些，但造价低得多。到底是使用石英光纤还是玻璃光纤应根据使用场合和要求不同来选择。

图2给出了本发明中光纤传感器的具体实施方式。光源11、探测器13分别经连接器16和发射光纤18、连接器17和接收光纤19连接至光纤分配器14，后者经光纤15连接至光纤探头12。探头12经四氟过渡母122与安装连接管123和安装螺母124组成一体。可通过将安装螺母124直接拧紧在测量现场的螺丝上而将探头固定在测量现场，与现有技术相比，这种固定方法简便易行。此外，可在光纤探头上加一层玻璃，一方面起防腐保护作用，另一方面可扩展测量范围。

探头的形式直接关系到测量范围、信号强度和测量误差的大小，因此，适当选取探头的形式对本发明具有重要意义。经过大量的研究，本发明人认为最好选用梅花形结构，即发射光纤束位于结构的中心，其四周分布若干圈接收光纤束，每圈有多根光纤束，以提高收集效率。

光纤探头的具体排列方式如图3(A)-(D)所示。图3(A)所示为一心单相形，中心为发射光纤束，其周围为同一规格的若干个接收光纤束。这种探头适用于低浓度测量，这是因为低浓度时纸浆中纤维含量低，散射粒子少，光在各粒子之间几乎不进行多次散射，因此，一圈接收光纤束接收的光强的变化就能代表粒子多少的变化，即浓度的变化。从性能价格比来说，这种结构的探头适用于低浓度测量。当然，如图3(B)-(D)所示的探头也能用于测量低浓度。

图3(B)所示为一心放射形，中心为发射光纤束，若干圈同一规格的接收光纤束以向外直线放射的方式布置在发射光纤束的周围。这种形式的探头适用于测量中等浓度，这是因为在中等浓度时，光在各散射粒子间会部分进行二次甚至多次散射，为了提高接收散射光的强度，提高测量灵敏度，必须将沿直线向外扩散的粒子之间的散射光接收起来。当然，如图3(C)-(D)所示的探头也能用于测量中等浓度。

图3(C)所示为一心连环形，中心为发射光纤束，周围为若干圈环状布置的接收光纤束。这种探头适用于测量高浓度，这是因为高浓度时，纸浆中含有较多的纤维粒子，大部分光会在各粒子之间进行多次散射，并且每次散射的程度不一样，为了使接收的光强的变化真正代表浓度的变化，必须把往周围散射的光几乎都接收起来。当然，如图3(D)所示的探头也能用于测量高浓度。

图3(D)所示为一心两相形，中心为发射光纤束，周围为两种规格的接收光纤束，发射光纤束、较粗接收光纤束和较细光纤束的直径之比为4∶2∶1。这种探头适用于全量程测量。在进行全程测量时，既要考虑到在低浓度的情况下不能过于灵敏(过于灵敏会影响其瞬时稳定性)，又要兼顾到在高浓度的情况下要有足够的灵敏度和分辨率。采用如图3(D)所示的探头结构，在低浓度时，用内圈接收光纤束所接收的散射光的强度信号来确定浓度的大小，在高浓度时，则用所有接收光纤束所接收的信号来确定所测浓度的值。

探测器13的功能是进行光电转换，可选用光倍增管(DMP)、光晶体管、光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电三极管和硅光电池等。在选择探测器时，应使其灵敏波长与入射光波长相近，并对入射光功率具有高响应度或高灵敏度。此外，还应使其响应时间短，附加噪声尽可能低，光敏面大，受温度影响小，易与光纤耦合，工作寿命长。综合考虑以上因素，本发明可采用日本进口的108型硅光电池。

图4是本发明可采用的I/V转换器和放大及变换器的电路原理图。探测器的正相脚、负相脚分别引入放大器A1的正相端、负相端。放大器A1的正相端还通过电阻R1和电容C1接地，负相端还通过电阻R2和电容C2连接到电位器W1的中间脚。放大器A1的输出端连接在电位器W1的一顶脚和电阻R8之间，电位器W1的另一顶脚接地。这样就实现了将微弱的电流信号转变为一定强度的电压信号。在这里，电阻R1和R2的阻值不宜太小，电容C1和C2宜采用有极电容。芯片U1的型号为AD694，其引脚7、8输出的基准电压通过由电阻R4、R5、W2、RT和W3组成的分压温度补偿电路产生一个参考电压，该参考电压经过由电阻R6和放大器A2所组成的电压跟随器(隔离器)后再经过电阻R7传送到放大器A3的正相端。放大器A1的输出信号经过电阻R8连接到放大器A3的负相端。电阻R7、R8、R9和放大器A3组成一个差分放大器，对检测信号和参考信号进行差分放大。经差分放大后的信号经电阻R10连接到放大器A4的负相端。电阻R10、R11、W4、电容C3和放大器A4组成一个放大倍数可调的放大器，使信号经此级放大后在浓度测量范围内变为0～2.5V。此信号经过电阻R13连接到芯片U1的引脚3。芯片U1的引脚3和引脚4、5之间连接一个开关管D2，以防止信号反相输入时烧坏芯片U1。芯片U1将0～2.5V的电压信号转变为0～20mA的电流信号输出。

图5所示为用于直接置入并密码修正最小二乘系数的装置的框图。该置入和修正装置包括脉冲发生器31、触发器32、存储器33、键盘34、键盘及显示驱动器35、微处理器36和显示器37。脉冲发生器31向触发器提供时钟信号。通过操作键盘34一方面控制键盘及显示驱动器是否产生低电平信号以确定是否开始置数，另一方面所置的数通过键盘及显示驱动器直接在显示器37上显示出来。当进行置入或修正系数时，首先由键盘34输入密码，然后，微处理器36比较输入的密码是否与存储器33中所存储的密码相同，若相同则允许输入新的最小二乘系数。接着，通过键盘34输入新系数。然后，微处理器向36对所输入的系数的有效性进行检验，若有效，则向存储器33发出一个信号，指令存储器33将输入的新最小二乘系数存入存储器33。

图6所示为用于直接置入并密码修正最小二乘系数的装置的电路原理图，其中，U2为8279键盘及显示驱动器，U3、U6为74LS244三态驱动器，U4为74L5154译码器，U5是Z80CPU微处理器，U7为2816E²ROM。单稳电路74LS123产生脉冲信号作为D触发器74LS74的时钟信号。通过检验键盘及显示驱动器U2的引脚36和6是否接低电平来确定是否开始置数。如开始置数，则要输入密码来确定是否允许置最小二乘系数，如允许则再通过D触发器的引脚4的DZH控制来确定所置的系数是否有效地进入2816E²ROMU7。一旦所置的系数有效，系数就进入2816E²ROMU7。

图7所示为控制信号输出的电路原理图，其中，74LS273为寄存器，AD7541是D/A转换器，AD694是V/I转换器。根据所测的纸浆浓度值与设置值比较，通过P.I.D算法把数寄存于寄存器74LS273中。然后把数送入D/A转换器AD7541中，其中，控制信号从数字量变为模拟量。再经过V/I转换器转换为0～10mA或4～20mA的电流信号，用于控制掺水阀，以实现纸浆浓度的稳定性。

图8给出了本发明的激光光纤浓度测控仪可用的前面板，它具有34个微触按键，可以很方便地进行人机对话。

需要指出的是，本发明不仅适用于对纸浆浓度的测控，而且用于其他固液两相浓度的测控，如制糖工业中对糖份的测控。

Claims

1．一种激光光纤纸浆浓度测控仪，其特征在于包括：

光纤传感器，包括光纤探头、通过发射光纤与光纤探头连接的光源和通过接收光纤与光纤探头连接的探测器；

信号处理单元，它接收、处理所述光纤传感器的输出信号，并根据预定的纸浆浓度和处理后的电信号的对应关系求出待测纸浆浓度。

2．根据权利要求1所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述信号处理单元包括串联连接的I/V转换器、放大及变换器、A/D变换器和求值器，所述求值器根据预定的纸浆浓度和电流信号的对应关系求出待测纸浆浓度。

3．根据权利要求1所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述信号处理单元还包括用于直接置入并密码修正代表所述纸浆浓度和电信号的对应关系的最小二乘系数的装置。

4．根据权利要求3所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述置入和修正装置包括：

存储装置，用于存储密码和最小二乘系数；

输入装置，用于输入密码和最小二乘系数；

比较装置，用于比较由输入装置输入的密码是否与存储装置中所存储的密码相同，若相同则向所述存储装置发出一个信号；

检验装置，用于检验所输入的最小二乘系数是否有效，若有效，则在响应所述信号指令所述存储装置将由所述输入装置输入的最小二乘系数存入所述存储装置。

5．根据权利要求1所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于，所述光纤探头内设有一个发射光纤束和多个接收光纤束，所述接收光纤束按一定的排列分布于发射光纤束的周围。

6．根据权利要求5所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述排列为一心单相形。

7．根据权利要求5所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述排列为一心放射形。

8．根据权利要求5所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述排列为一心连环形。

9．根据权利要求5所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述排列为一心两相形。

10．根据权利要求9所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述光纤探头中的发射光纤束、较粗光纤束和较细光纤束的直径比为4∶2∶1。

11．根据权利要求1所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述光纤探头上加有玻璃层。

12．根据权利要求1所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于所述光源为激光二极管。

13．根据权利要求1所述的纸浆浓度测控仪，其特征在于还包括调节装置，用于根据信号处理单元输出的纸浆浓度来调节纸浆的浓度。