CN1083929A - 测量纸张灰份的仪器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线动态连续测量纸张灰份 的仪器及方法。纸幅一侧安装软X射线源盒[1]，另 一侧安装接收盒[6]，纸机旁安装以单片计算机系统 为中心的仪器电气机箱[11]。仪器根据固化软件，开 机先自动进行本身标定，然后进行连续测量，由探测 的射线强度的衰减计算得出灰份值，并显示、输出。 该发明解决了现有测量方法的费时、对纸有破坏性、 昂贵、不适生产现场的问题，提供了一种经济、实用、 可用于现场在线测量的仪器。

Description

本发明创造属于纸张质量的测量技术，涉及测量纸张灰份的仪器及其使用方法。

目前对纸张灰份的测量，最基本的是直接将纸样置于坩埚内在一定条件下燃烧，对所剩灰份称重获取灰份值，这种测量法不但费时、费力，而且毁坏了纸张;用电滴定或酸碱处理等化学手段进行纸样化学成份分析也可得到纸张灰份值，但也要化费较长化学处理的时间，并且也是破坏性测量;用X射线衍射分析仪和荧光光谱仪可对纸样进行组成元素含量的精密分析、测量，从而得出灰份值，但这类仪器精密程度高，因而造价昂贵，通常仅用在控温、控湿、干净和防震的实验室环境，不适用于造纸生产现场。综上所述，现有测量纸张灰份技术分别存在费时、费力、昂贵、对纸张有破坏性或在生产现场不能进行在线动态连续实时测量的问题。

本发明创造的任务是要提供一种省时、省力、不破坏纸张、经济实用并能在生产现场进行在线动态连续地自动精确测量纸张灰份的仪器及其测量方法。

为了完成上述任务，发明人试验研究了软X射线通过纸张后强度衰减量与纸张灰份的对应关系：

纸张成份主要为纸桨及填料两部份，前者主要是无机物，对软X射线吸收少;而填料为有机物，燃烧后表现为灰份，对软X射线吸收多。如用I₀表示射线本身强度，μ₁、μ₂分别表示纸桨及填料对软X射线的吸收系数，F表示填料在纸张中的百分含量，则纸张对软X射线的总吸收系数μ为：

μ＝μ₁（1-F）+μ₂F （1）

根据射线穿过物质的强度指数衰减规律，软X射线穿过纸张后射线强度I为：

I＝I₀e^-μX（2）

式中X为纸张的定量，测出射线穿过纸张后的强度衰减。

由（1）、（2）式可求出纸张填料量：

$\mathrm{F\; =}\frac{{\mathrm{L\; n\; (\; I}}_O{\mathrm{/\; I\; )\; -\; \mu }}_{1}x}{{\mathrm{x\; (\; \mu }}_2{\mathrm{-\; \mu }}_1)}\mathrm{(\; 3\; )}$

根据填料和灰份的转换系数C，即可算出灰份值A：

$\mathrm{A\; =}\frac{{\mathrm{L\; n\; (\; I}}_O{\mathrm{/\; I\; )\; -\; \mu }}_{1}x}{{\mathrm{C\; x\; (\; \mu }}_2{\mathrm{-\; \mu }}_1)}\mathrm{(\; 4\; )}$

根据上述原理，设计出采用软X射线测量纸张灰份的仪器。其结构方案如图1所示：仪器由射线源盒1、接收盒6及电气机箱9三部份组成。射线源盒与接收盒位于被测纸幅5的两侧，纸幅可从其间通过。射线源盒如图2所示，由射线源2、电机4及源门机构组成，源门机构如图2b所示，包括转盘3和相隔90°固定在壳体上的接近开关16和17，转盘上有定位口21和22，彼此亦相隔90°，其位置与接近开关16和17相对应，转盘上还有通孔20和19，在孔20上贴有标样纸。接收盒6中装有射线强度探测器7和前置放大器8。在电气机箱9中装有增益放大器10，与计算机系统11连接，与计算机相联的还有键盘显示器12和输出转换板13。计算机系统可检测接近开关16、17的开关特性，启动电机4驱动转盘3旋转，使转盘对准射线源有三种状态：即射线源2对准通孔19、射线源2对准贴有标样纸的通孔20以及射线不能从转盘通过。当射线穿过被测纸后进入接收盒6，首先被射线强度探测器7接收并转换为电信号输出送至与其连接的前置放大器8，进行放大后传送到电气机箱9中的增益放大器10，对信号进一步放大后送至与其连接的计算机系统计算得灰份值并送键盘显示器12进行显示，同时计算机得出灰份距生产要求的偏差值送转换板输出偏差值模拟量。

本仪器的测量方法：

1.开机自动进行仪器标定：

（1）使射线源盒1与接收盒6之间无测量纸幅5;

（2）计算机系统11启动电机4驱动转盘3，使其先后处三种状态：

（a）开状态-射线从孔19通过，以测得射线本身强度I₀;

（b）标状态-射线从孔20上标样纸通过，根据标样纸灰份实测值与标准值之差得出仪器灰份测量值的补偿量;

（c）关状态-源门挡住射线，获得测量仪器的暗背景信号。

2.仪器自动进入测量：

（1）纸幅5从射线源盒1与接收盒6之间通过;

（2）射线经孔19穿过纸幅5进入接收盒6被射线强度探测器7接收，输出对应电信号至前置放大器8放大后传送至电气机箱9中的增益放大器10进一步放大信号后送至计算机系统11，将测量信号经计算机系统A/D变换后采集，扣除测量暗背景信号后，测得软X射线穿过被测纸后的射线强度信号I。在键盘显示器系统12，用户可按动键盘输入参数μ₁、μ₂、x、c和灰份目标值。计算机根据测量得的I、I₀及μ₁、μ₂、x、c等参数即按（4）式计算出灰份测量值，加上标定的补偿值即得到精确的灰份测量值，送至键盘显示系统显示。由灰份目标值，计算机同时得出灰份偏差值并显示，该偏差值经D/A转换口输至转换板13，可得偏差值变换为0～10mA和4～20mA两路标准输出信号，供生产过程控制系统使用，以使纸张灰份满足要求。

附图说明：

图1为仪器结构方案示意图;

图2为射线源盒内部构造示意图;

图3为接收盒内部结构示意图;

图4为电气机箱内部布置示意图;

图5为付机软件框图;

图6为主机软件框图;

图7为主机中断服务子程序框图。

参照附图进一步说明仪器结构方案，本发明方案已制出样机。图1为仪器结构方案布置示意图，由射线源盒1、接收盒6和电气机箱9组成。射线源盒与接收盒位于被测纸5的两侧，如图1所示，在射线源盒内装有转盘3，转盘由电机4带动可旋转，在射线源盒壳体上固定安装有射线源2，其安装位置如图2a所示与转盘对应;转盘3的结构如图2b所示，转盘上开有相隔90°的定位口21和22，在壳体上固定安装相隔90°的接近开关16和17，其位置分别与二定位口对应，当接近开关的接触片进入定位口时，该接近开关呈开状态，随转盘转动，定位口离开接触片时则接触片时则接近开关呈关状态，转盘上还开有通孔19和20，孔20上贴有标样纸，二通孔位置应保证：当二接近开关16、17全开时，射线出射口对准通孔19（源门呈开状态）;当接近开关16开、接近开关17关时，射线出射口被转盘挡住（源门呈关状态）;当接近开关16关、接近开关17呈开时，则射线出射口对准通孔20（源门处在标样纸位置）。在标定或测量时射线经射线出射口穿过被测纸5后进入接收盒6中，射线被安装在接收盒上的射线强度探测器7接收，转换为电信号后输送至与其连接的前置放大器8，射线强度探测器与前置放大器都被置于屏蔽罩23内，如图3所示;电信号经前置放大器8放大后传送到电气机箱9中的增益放大器10，对信号进一步放大后送至与其连接的计算机系统，如图4所示，电气机箱9可分为主机箱9（主）和付机箱9（付），付机箱中装有增益放大器10和付计算机系统11（付），付机箱安装在纸机附近，主机箱可安装在控制室，主机箱内装有主计算机系统11（主），与其连接的有键盘显示器12和转换板13。

样机采用的构件：射线强度探测器7可取电离室或计数管等，现选用DLS301电离室，其输出信号为电流;前置放大器8由二级组成，第一级取微微安/电压变换器（电子电路百科全书第一册，P170中的17～24例）将电流信号转换为电压信号，第二级采取运放5G7650组成的通用放大电路;电气机箱9的付机箱内增益放大器10采用运放OP-07组成的通用放大电路，将从前置放大器8传来的信号进一步放大后送付机，付机采用TD-Ⅲ型单片计算机系统，本身带有A/D、D/A转换口、串行通讯口、中断服务口及24个输入输出I/O口，付机采集信号后通过通讯口送至主机。主机同样采用TD-Ⅲ型单片计算机系统，外接与其相配的TD-Ⅲ型键盘显示系统作仪器的键盘显示器12。用户通过键盘输入参数μ₁、μ₂、c、x及灰份目标值，也可提出标定等命令，用户操作键盘对主机中央控制器CPU产生中断请求。输出转换板13采用通常的电压/电流转换电路。

图5为付机软件框图，付机处于从属地位，根据主机命令测量I₀、暗背景、标样纸或测量纸幅等;图6为主机软件框图，开机后主机先发标定命令至付机，付机接收命令后自动完成标定测量，再将信号送回主机，主机完成标定计算、存储后先检测有否中断设定的命令标记，有则处理，处理后消除标记，无则发测量命令至付机进行测量，主机完成测量后再返回检测有否中断设定命令标记。

若用户键盘操作对主机产生中断请求，如图7所示为主机中断服务子程序框图。首先判断中断类型，如用户按动标定键或源门开关键，则设置命令标记供主机查询，用户要求修改参数，则立即修改并存储，主机处理中断后返回原处继续执行程序。

与背景技术相比，本仪器具有突出优点和显著效果。

1.灰份测量精确。因为软X射线对灰份变化十分敏感，并且仪器可经常进行标定，定时提供仪器暗背景信号、参考信号I₀、及标定补偿值，为提高测量精度创造了有利条件;

2.对纸张无破坏性。因为通过射线穿透纸张强度衰减变化来测量灰份，故纸张本身无任何损失;

3.测量效率高。每次测量时间由放大系统及计算机系统工作时间决定，测量速度极快，可实现动态连续实时测量;

4.结构简单，造价低廉。仪器无需精度要求高的构件，电子系统及计算机系统也无特殊要求，可采用通用系统;

5.无特殊环境要求，适用于在生产现场进行测量使用。将仪器的射线源盒1和接收盒6分别安装于纸机上纸幅5的两侧，电气机箱9的付机箱9（付）安装在纸机旁，而装有键盘显示器的主机箱9（主）安装在控制室，故仪器可在生产现场方便舒适地进行在线测量;

6.仪器上装有计算机系统，使测量、计算、标定以及参数改变都非常快速方便，因而适用范围广，功能完备。

Claims (7)

1、一种测量纸张灰份的仪器，其特征是由射线源盒[1]、接收盒[6]及电气机箱[9]三部份组成，射线源盒与接收盒位于被测纸幅[5]的两侧，纸幅可从其间通过；射线源盒由射线源[2]、电机[4]及源门机构组成，源门机构包括转盘[3]和固定在壳体上相隔90°的接近开关[16]和[17]，转盘上有相隔90°定位口[21]、[22]，其位置分别与接近开关[16]、[17]对应，还有通孔[20]和[19]，孔[20]上贴有标样纸；接收盒[6]包括射线强度探测器[7]和前置放大器[8]；电气机箱[9]中包括增益放大器[10]、计算机系统[11]以及与计算机相联的键盘显示器[12]和输出转换板[13]，计算机系统可检测接近开关[16]、[17]的开关特性，启动电机[4]驱动转盘[3]旋转，致使转盘对射线源有三种状态，即射线源[2]对准通孔[19]、射线源[2]对准贴有标样纸的通孔[20]以及射线不能从转盘通过。

2、根据权利要求1所述测量纸张灰份的仪器，其特征是射线源盒〔1〕中的射线源〔2〕采用软X射线源，可取同位素屏蔽于铅盒〔15〕中。

3、根据权利要求1所述测量纸张灰份的仪器，其特征是当转盘某定位口与某接近开关接触片接触时，该接近开关呈开状态，当定位口离开接近开关的接触片时，则该接近开关呈关状态;转盘上通孔〔19〕、〔20〕的位置应保证：当射线从〔19〕通过时对应接近开关〔16〕、〔17〕全开;当射线从孔〔20〕通过时对应接近开关〔16〕开，而开关〔17〕关;当射线被转盘挡住无法通过时，则对应开关〔16〕关，开关〔17〕开。

4、根据权利要求1所述测量纸张灰份的仪器，其特征是接收盒中射线强度探测器〔7〕可采用计数管或电离室，从它输出电信号至前置放大器〔8〕，当采用电离室时，前置放大器由二级组成，第一级为微微安/电压变换器将电流信号转换为电压信号，第二级为5G7650组成的通用放大电路。

5、根据权利要求1所述测量纸张灰份的仪器，其特征是电气机箱〔9〕中安装的单片计算机系统〔11〕带有A/D转换口、D/A转换口、中断口和I/O口，测量信号通过A/D口转换后被计算机采集。

6、一种纸张灰份测量仪器的测量方法，其特征步骤如下：

1）开机自动进行仪器标定：

（1）使射线源盒〔1〕与接收盒〔6〕之间无测量纸幅〔5〕;

（2）计算机系统〔11〕启动电机〔4〕驱动转盘〔3〕使其先后处三种状态：

（a）开状态：即射线从孔〔19〕通过，以测得射线本身强度I₀;

（b）标状态：射线从孔〔20〕上标样纸通过，根据标样纸灰份实测值与标准值之差得出仪器灰份测量值的补偿量;

（c）关状态：源门挡住射线，获取测量仪器暗背景信号。

2）仪器自动进入测量：

（1）纸幅〔5〕从射线源盒〔1〕与接收盒〔6〕之间通过;

（2）射线经孔〔19〕穿过纸幅〔5〕进入接收盒〔6〕被射线强度探测器〔7〕接收，输出对应电信号至前置放大器〔8〕放大后传送至电气机箱〔9〕中的增益放大器〔10〕进一步放大信号后送至计算机系统〔11〕，将测量信号经计算机系统A/D变换后采集，扣除测量暗背景信号作为软X射线穿过纸幅后射线强度信号I，再根据用户在键盘显示器系统〔12〕输入的参数μ₁、μ₂、x、c等参数以及标定时探测的射线本身强度I₀和标定时得的测量仪器的补偿量即可得到灰份测量值，送键盘显示系统显示;同时根据用户操作键盘输入纸张灰份的目标值与测量值比较可得出纸张灰份偏差值送显示，偏差值经计算机系统D/A转换口输出转换板〔13〕可将偏差值变换为0～10mA和4～20mA两路标准输出信号，供生产过程控制系统使用，使生产的纸张灰份符合标准要求。

7、根据权利要求6所述的测量方法，其特征是用户操作键盘可对主机产生中断请求，主机即暂停测量执行中断服务程序，处理用户请求，执行后继续恢复测量。

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