FI85192C - Anordning foer undersoekning av en suspensions partikelinnehaoll. - Google Patents

Description

1 85192

Laite suspension hiukkassisällön tutkimiseksi

Keksinnön kohteena on laite suspension kunkin aineen sisällön tutkimiseksi ainakin kahdentyyppisellä suspendoidulla aineella, jossa kunkin ainetyypin tiheys on suurinpiirtein sama ja yksittäisiin tyyppeihin sisältyvien aineiden tiheys tunnetaan .

Paperinvalmistuksessa, erityisesti hienon paperin valmistuksessa käytetään nk. paperimassaa, joka muodostuu kuituaineen ja täyteaineen, yleensä kaoliinin, seoksesta suspensiossa. Paperimassa viedään paperikoneen päättymättömälle viiralle, jolloin osa paperimassan hiukkasista jää viiralle ja muodostaa kalvon kun toiset hiukkaset kulkevat viiran yli yhdessä nesteen pääosan kanssa ja muodostavat nk. sulppuveden. Termiä jäännös käytetään paperikoneen tehokkuuden mittaamiseksi.

Tämä termi on kalvon muodostavan hiukkasaineen ja viiralle tuodun aineen osamäärä. Kemikaalien lisääminen mahdollistaa jäännöksen säädön, joka mahdollistaa mm. sen että kalvo saa suuren täyteainesisällön. Jäännöksen säätämiseksi tarvitaan mittauslaitteet, jotka mittaavat jäännöksen, erityisesti kahdelle ainetyypille yksittäin, koska on vaikeata aikaansaada riittävä täyteaineen jäännös. Säädössä on nk. ensimmäinen jäännös mielenkiintoinen, joka määritetään

1-S /S BV IL

jossa S = paperikoneeseen viedyn suspension tutkitun IL

hiukkasen tiheys, S = vastaava sulppuveden tiheys.

2 85192

On olemassa tarve mitata paperimassan täyteaineen ja sulppu-veden tiheys riippumatta kuituaineen läsnäolosta. Jäännöksen säädöstä usein käytetty menetelmä sisältää sameuden ja tiheyden mittauksen erikseen. Sameuden mittauksessa, joka on hyvin herkkä liejuille, käytetään laitetta, jossa määritetään hiuk-kassuspension läpi kulkevan valon vaimennus. Tämän menetelmän huono puoli on se, että signaalin herkkyys on riippuvainen hiukkaskoosta. Tällöin on vaikea päätellä onko hiukkasten tiheys tai niiden koko tai molemmat muuttuneet kun mittaussignaali muuttuu. Erityisesti on tiheysmittaus herkkä tutkittavan suspension tiheyden muutokseen, mutta liejun mittaus häiriintyy kuitujen läsnäollessa. Johtuen fyysisistä syistä ei ole suositeltavaa yhdistää sameuden ja tiheyden mittauksia.

On yllättäen todettu, että keksinnön mukaisesti voidaan kaksi eri suspension ominaisuutta määrittää kahden eri mittauslaitteen avulla, jotka ovat sinänsä tunnetut, ja jotka mittaavat kahta suspension eri arvoa. Täten johdannossa mainitun tyyppinen laite käsittää keksinnön mukaisesti tiheysmittarin, joka on sinänsä tunnettua tyyppiä ja joka on sovitettu mittaamaan suspension tiheyttä, ja nesteen tiheyttä, jossa aine on sus-pendoitu tiheyserotuksen määrittämiseksi, sinänsä tunnetun laitteen hiukkaskonsentraation mittaamiseksi, joka on sovitettu suspendoitujen aineiden volyymin suhdetta nesteen volyymiin, ja laskuyksikön, joka on sähköisesti liitetty tiheys-mittariin ja laitteeseen, joka yksikkö on sovitettu yhdistämään tiheysmittarilta ja laitteelta tulevat signaalit kunkin ainetyypin konsentraation laskemiseksi tämän perusteella.

Koska selluloosan ja liejun tiheys on suurempi kuin veden tiheys, on selluloosa- ja liejususpension tiheys riippuvainen konsentraatiosta. Tiheysmittauksen suurin etu on riippumattomuus hiukkaskoosta. Suurin haitta on se, että mittaussignaali on säädettävä kuitukonsentraation suhteen, joka mitataan ti-heysmittarilla eri herkkyysvakiolla. Tämä säätö suoritetaan 3 85192 käyttäen mainittua hiukkaskonsentraatiomittaria, joka pystyy vaimentamaan pienten hiukkasten vaikutuksen, kuten liejun, mutta muuten on riippumaton hiukkaskoosta. Tämä kompensaatio toimii erinomaisesti koska hienon paperimassan volymisisältö on epäoleellinen. Eräs rajoitus on se, että suspensio ei saa sisältää liian paljon liuenneita aineita mikäli käytetään vettä referenssinä eikä suodateta suspensiota.

Keksinnön mukaisesti on yllä mainittu laskinyksikkö sellainen, että seuraavat laskut ovat mahdollisia S = ka U + kb U F 1 2 S = ke U + kd U M 1 2

jossa S on ensimmäistä ainetyyppiä olevien suspendoitujen F

aineiden sisältö, S on toista tyyppiä olevien suspendoitujen aineiden sisäl-M tö, U on tiheysmittarilta saatu signaali laskinyksikköön, on hiukkasten pitoisuusmittarilta saatu signaali laskin-yksikköön, ja k , k , k ja k ovat suhteellisia vakioita, abc d

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa kuvio 1 on kaaviokuvanto keksinnön mukaisesti mittauslaitteesta, joka on tarkoitettu erilliseen aineiden pitoisuusmit-taukseen suspensiossa, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen tiheysmittarin rakennetta, kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaiseen laitteeseen kuitujen pitoisuuden mittaamiseksi kuuluvan piirin optista sovitelmaa, kuvio 4 esittää vaihtelun suhdetta hiukkaspitoisuuteen, ja kuvio 5 esittää hiukkaspituuden suhdetta kuvion 3 mukaisen laitteen herkkyyteen.

4 85192

Kuvion 1 mukaisesti on tiheysmittari 10, joka on sinänsä tunnettua tyyppiä, ja laite 12, joka on sinänsä tunnettua tyyppiä hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi kytketty toisiinsa järjestelmässä, jossa on johtimet 14, jotka on liitetty perälaa-tikkoon 16 ja paperikoneen sulppuveteen 18. Laitteen 12 hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi ja perälaatikon 16 välillä on dispersioyksikkö 20 ja laimennusyksikkö 22. Tiheysmittarin 10 ja johtimen 18 sulppuvettä varten välillä on paineistusyksik-kö 24. Sekä laite 12 kuitupitoisuuden mittaamiseksi että tiheysmittari 10 on kytketty laskinyksikköön 26, joka täten yhdistää mittarilta ja laitteelta saadut signaalit kunkin ai-netyypin pitoisuuden laskemiseksi kahden ainetyypin tiheyksien perusteella.

Tiheysmittarin 10 periaate perustuu siihen tosiasiaan, että resonanssitaajuus mekaanisessa värähtelijässä on riippuvainen tämän massasta. Tässä tapauksessa koostuu mekaaninen värähtelijä U-muotoisesta putkesta 28 s.o. terästä tai lasia ja sisältää laskettavan koesuspension. Täten värähtelijän massa muodostuu putken 28 ja näytteen massan summasta. Aktivointi-kela vaikuttaa U-muotoiseen putkeen 28. Vastaanottokela 22 on kytketty Schmitt-liipaisimeen 30 vahvistimen 34 kautta. Tämä luovuttaa pulssijonon laskimelle 40, jota ohjaa kello 38, ja värähtelijän jakso (T) siirretään tietojenkäsittely-yksiköllä 42 suspension tiheyden laskemiseksi.

Tutkituntyyppinen suspensio koostuu kolmesta komponentista, nimittäin nesteestä, suspendoidusta aineesta, joka on tyyppiä M ja suspendoidusta aineesta, joka on tyyppiä F.

Yksittäisten komponenttien tiheydet ovat: i 5 85192

P nesteen tiheys L

P aineen M tiheys M

p aineen F tiheys F

Tiheys on esimerkiksi mitattuna määrittämättä tietyn volyymin V paino m : 0 0 m0

0 = V

Kokonaisvolyymi muodostuu toisaalta nesteen volyymistä toisaalta suspendoitujen hiukkasten volyymistä

V = v + V + V 0 1 m F

jossa V on nesteen volyymi li V on tyyppiä M olevien hiukkasten kokonaisvolyymi V :ssa M 0

ja V on tyyppiä F olevien hiukkasten kokonaisvolyymi F

V :ssa.

0

Kokonaismassa m^ muodostuu siihen sisältyvien komponenttien massojen summasta

m = m + m + m 0 L M F

jossa m on nesteen massa L

m on tyyppiä M olevien hiukkasten kokonaismassa M

m on tyyppiä F olevien hiukkasten kokonaismassa F

Suspension tiheys voidaan täten ilmaista m0 1

p ' V0 mL + mM + V

6 85192

Koska seuraava on voimassa:

mL “ p L VL

mM “ PM VM

mF = PF VF Saadaan seuraava: p = VQ (pLVL + PMVM + PFVF)

Nyt on mielenkiintoista tiheyden muutos, joka esiintyy kun hiukkaset suspendoituvat nesteeseen:

ΛΡ = P'PL = i (VLPL * V« * VFPF> - PL

Edelleen on hyvin mielenkiintoista tutkia suspendoitujen aineiden läsnäolo suhteellisina pitoisuuksina (suspendoidun aineen paino jaettuna suspension tilavuudella).

„ _ PM VM

SM - V„

ς = PF VF

F vo Tämä antaa

o . „ . VLPL

Δρ = SM + SF + ~ν~0--P L

mutta VL = V0 - VM - Vp i 7 85192 V0 - VM ’ VF ‘ V0 s.o. 4p = sM t Sp + -2-ϊ|—£-- »L =

sS*-Vi'SF-)'L

vo vo

Tilavuuden osamäärät voidaan kuitenkin lausua pitoisuuksien avulla;

= i SM

V0

= 1 SF V0 PF

Seuraava saadaan kun tämä sovitetaan Δρ-yhtälöön P T Pi Λρ = S - SM —— + Sp - Sp —- = M M F F p .

M 1 P T Pt = (1 - —— ) s + (1 - — ) s„

p„ M °F F

Mikäli aine M on selluloosaa, voi aine F olla kaoliinia ja neste vettä, jolloin saadaan PL = 1,0 PM = 1'5 PF = 2,6 s.o. p = 0,33 S.. + 0,6 2 S_

Mr 8 85192

Yleisempi hiukkastyyppien johtaminen antaa

Ap = p-pl = ~ (Vlpl + Σ^ V.p.) - pL = VLPL * c V0 L i=1 1 n V iM Vi * V0 V0 °L + Σ si = n vi n p = Σ si - tr ρτ = Σ S. - S. — = i=1 1 V0 L i=i 1 1 Pi n r = Σ (1 --t ) S.

i=1 1 1

Optinen mittauslaite 12 hiukkasen pitoisuuden mittaamiseksi (ks. esim. myös ruotsalainen hakemus 7 513 524-4), sisältyy uuteen mittauslaitteeseen, ja mittaa hiukkasia sisältävän suspension tilavuuden.

Kuitenkin seuraavat ehdot ovat voimassa 1) Hiukkanen, joka on pituudeltaan lyhyenpä kuin laitteen vakio aiheuttaa laitteen herkkyyden pienenemisen kohti nollaa pienenevällä hiukkaskoolla, 2) Verrattuna mittauksiin erityyppisillä hiukkasilla voidaan todeta, että laitteen herkkyys eroaa hieman johtuen siitä, että eri aineet omaavat eri optiset ominaisuudet.

Mitattaessa hiukkasten pitoisuus kuvion 3 mukaisella laitteella, kulkee valolähteeltä 44 lähetetty valolähde kyvetin 46 kautta, jossa suhteellinen suspensio virtaa. Ilmaisimessa 48 todettu valo muodostaa nopeasti muuttuvan antosignaalin U(t). Signaalilla U(t) on maksimiarvo, joka vastaa UQ- UQ on signaali, joka kulkee ilmaisimesta 48 mitattaessa puhdasta nestettä ilman hiukkasia.

i 9 85192

Seuraavissa laskuissa lähdetään signaalista U(t).

Signaalin U(t) keskiarvo ja keskihajonta estimoidaan ensin.

Nämä molemmat arvot standardisoidaan U^rn suhteen, joka tekee mittauksia riippumattomaksi valonlähteen absoluuttitasosta.

Keskiarvoa kutsutaan τ, koska se vastaa näytteen keskimääräistä siirtovakiota: ~ T — τ = nr <u>t = or i;im 2t f u(t) dt 0 0 _ -T _

Standardisoitua keskihajontaa kutsutaan σ ja saadaan: f η * < (U - <U> )2>t

0 L

~ T ~ i = ~ lim ~ f (U(t) - <U>t)2 dt 0 t-*·"

-T

Valon vaihtelu, joka kulkee läpi on tietysti riippuvainen näytteen hiukkassisällöstä. Määrä, jota tässä kutsutaan vaihteluksi φ käytetään tämän mittana ja vaihtelu φ lasketaan yhtälöllä: 2 Φ = v In (£-j - 1) ντ v on lineaarisointivakio, joka valittuna sopivasti vaihtelee φ lineaarisesti hiukkaspitoisuuden mukaisesti mikäli tällaisen hiukkasen muut parametrit, so. kokojakauma jne. pidetään vakiona.

10 85192

Mikäli voitaisiin valmistaa tietyn tyyppinen hiukkassuspensio, jossa kaikki hiukkaset suspensiossa ovat samanpituisia, todetaan, että vaihtelu pituusherkkyydellä on ominaispiirre, joka esiintyy ja vastaa hiukkaspituutta.

Mikäli x on hiukkaspituus ja S (x) on hiukkaspitoisuus tietyllä pituudella, ja k(x) on laitteen herkkyysvakio tietyllä hiukkaspituudella, s.o. ψ = k(x) S (x) tietyllä x. Yhtälö k(x) antaa tällöin kuvion 5 esittämän muodon.

Käyrän taittopiste hiukkaspituudelle xfa voidaan muuttaa muuttamalla optisen säteen halkaisijaa. Tällöin saadaan: x . 0<x < x, xb ko x > xb Näytteessä, joka muodostuu hiukkasista joilla on pitoisuuden tilastollinen tiheysfunktio eli hiukkaspituuksilla S (x)_ saadaan vaihtelu oo f S(x)dx 0 00 Φ = f k(x) S(x)dx 0 Tämä pätee tietyntyyppisellä hiukkasnäytteellä. Todellisuudessa laite 12 ei tietenkään voi mitata hiukkasen painoa, joka tarvitaan pitoisuuden määrittämiseksi. Toisaalta mitataan tilavuus, jonka hiukkaset vaativat suhteessa mittarin läpi kulkevan suspension kokonaistilavuuteen. S(x) vV(x)/Vq sijasta käytetään tätä, so.

11 85192 Φ = / Mx) Ρ dx = ^let Κ(χ) = k(x)p^ = 00 = / Κ (χ) dx 0 0

Mikäli suspendoituna on eri ainehiukkasia, on funktiolla K(x) sama muoto, mutta eri taso, so. K^(x) = vakio. (x) aineilla "i" ja "j". Täten n eri hiukkastyypillä saadaan seuraava n 00 V. (x) Φ >; / K . (X) r:-- dx i=1 0 1 v0

Erityistapaus 1

Mikäli näytteen hiukkaset ovat pitempiä kuin x^, so. \Λ (x) = 0 x < x, saadaan seuraava:

D

k V. °° Φ = Σ Kn. ~ jossa V. = / V.(x) dx i=1 υ v0 1 0 1 Tämä tarkoittaa sitä, että vaihtelu on suspendoitujen hiukkasten pitoisuuden lineaarinen yhdistäminen (ks. kuvio 4): n φ = Σ kn. S.

i=1

Erityistapaus 2

Mikäli hiukkastyypin hiukkaset kaikki ovat oleellisesti pienemmät kuin x^ mutta muuntyyppiset hiukkaset ovat suuremmat kuin x, on voimassa

D

V.(x) =0 (χ>ε [£<<Xb 12 851 92 ( χ<χκ V. (X) = o A D _ / i = /2...n7 Tämä antaa n V. n Φ^Ο + Σ K_. rri = Σ k~ .S. ι=2 O ι=2

Erityistapaus 3

Hiukkaset ovat suuremmat kuin ja suhteellinen kokoonpano tunnetaan

Vi = a^V jossa Zai = 1 n .... „ n φ = Σ K . Σ K . * a . = i=1 01 V0 V0 i=1 01 1 v tunnettu vakio rj— 0

Vaihtoehtoisesti voidaan nämä lausua pitoisuuksien perusteella S. = 3. S jossa Σ3· = 1 11 J i φ = Σ kn.3.S = S Zk..3. = tunnettu vakio S Oi l Oi l

Valikoiva hiukkasmittaus Tapaus 1

Tietyn tyyppistä sulppuvettä ja täyteainetta käytetään Ratkaisemalla yhtälö p = a11 S1 + a12 S2 =

> <=> U = ÄS

φ = a21 S1 + a22 S2 U2 J

13 851 92 saadaan S = A-1 ϋ

Tapaus 2 Käytetään tunnettua täyteainetta ja kahta eri sulppuvesi-tyyppiä. Oletetaan, että sulppuvesityyppien suhteelliset pitoisuussuhteet voidaan lausua S2 ' “ S2 S3 (1-“»S2 S2 = S2 + S3 voidaan ratkaista kahdella tavalla 1) U1 = a11 S1 + al2 S2 + al3 S3 U2 = a21 S1 + a22 S2 + a23 S3 mutta IJ2 voidaan lausua U = 0 + aa00 S' + (1-a) ao0 SI 2 22 2 23 2 ja ratkaistaan tavanomaisella tavalla.

2) Oletetaan sensijaan että a12 3a a22 ovat sulpP1-1” veden kokoonpanon funktioita U1 = a11 S1 + a12 S2 U2 a21 S1 + a22(a) S2 Tämä ratkaistaan tavanomaisella tavalla.

Tapaus 3 Käytetään tunnetuntyyppistä täyteainetta ja kahta eri sulppu-vesityyppiä. Tunnusomaista sulppuvesityypeille on, että ne eroavat oleellisesti kuitujen keskipituuden osalta, jota tässä sanotaan <X> ja <X3>:ksi. Käytetään lisäksi vaihtelumittaria, joka antaa seuraavan järjestelmän katkopisteen X^: 14 85 1 92 (X, > <X0>) A (X, > <X0>) . b 2 b 3 p = U1 = a11 S1 + al2 S2 + a13 S3 φ-, = U2 a21 S1 + a22 S2 + a23 S3 φ2 = U3 a31 S1 + a32 S2 + a33 S3 /a22 “ a23 la32 56 a33 Nämä ratkaistaan tavanomaisella tavalla viittaamalla tapaukseen 2:2 a = f ( φ 2 / φ 1 * )

Claims (5)

1. Laite sellaisen suspension kunkin ainetyypin sisällön tutkimiseksi yksittäin, jossa on ainakin kahdentyyppistä suspendoitua ainetta, ja edellyttäen, että kunkin ainetyypin tiheys on olennaisesti sama ja että yksittäisiin tyyppeihin sisältyvien aineiden tiheydet tunnetaan, tunnettu yhdistelmästä, jossa on: ensinnä tiheysmittari (10), joka on sinänsä tunnettua tyyppiä, joka on sovitettu mittaamaan suspension tiheys ja sen nesteen tiheys, johon aineet ovat suspendoitu-na, tiheyserotuksen määrittämiseksi; ja toiseksi sinänsä tunnettu laite (12) hiukkasten pitoisuuden mittaamiseksi, joka on sovitettu mittaamaan suspendoitujen aineiden tilavuussuhdetta ja nesteen tilavuutta; ja kolmanneksi laskinyk-sikkö (26), joka on sähköisesti kytketty tiheysmittariin (10) ja laitteeseen (12) ja joka on sovitettu säätämään tiheysmittarilta (10) saatua signaalia käyttäen laitteelta (12) saatua signaalia siten, että seuraava yhtälö toteutuu: fsF = ka U]_ + kb U2 [sM = kc U1 + kd u2 jossa SF on ensimmäistä tyyppiä olevan aineen suspendoitujen aineiden sisältö, SM on toista tyyppiä olevan aineen suspendoitujen aineiden sisältö, on tiheysmittarilta (10) saatu signaali laskinyksiköltä (26), U2 on laitteelta (12) saatu signaali laskinyksiköltä (26) hiukkaspitoisuuksien mittaamiseksi ja ka, kb, kc ja k(j ovat verrannollisuusvakioita, jotka on johdettu sinänsä tunnetuista aine- ja laitevakiois-ta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että vakio kb on noin 0,5 x vakion kjj negatiivinen arvo, ja vakio ka on suurinpiirtein yhtä suuri kuin vakion kc negatiivinen arvo, puumassan ja veteen suspendoidun täyteaineen ollessa kyseessä. i6 851 92

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite (12) hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi on sovitettu laimentamaan tai tuomaan esille vastaavasti ennalta määrättyä hiukkaskokoa tai vaihtoehtoisesti määrittämään hiuk-kaskokoa, jolloin vakiot ka ja kc ovat valittavissa parannetun mittaustarkkuuden aikaansaamiseksi tapauksessa, jossa hiukkastyypeille on tunnusomaista myös suuri hiukkaskokojakautumien ero.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että tiheysmittari (10) on tyyppiä, joka on sovitettu suorittamaan mittaus virtaavan suspension värähtelyn perusteella.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että laite (12) hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi on optinen laite, joka on sinänsä tunnettua tyyppiä ja joka mittaa virtaavaa suspensiota.