JP2011069801A - 容積変化率測定による液体内の気泡量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液中の気泡の容積をオンラインで高精度に安定した計測が可能なシステムを実現する。
【解決手段】 非測定液を採取ラインから非測定液採取容器内に採取し、容器と接続した測定パイプ系を加圧し、変化した測定パイプ内の液位の変化を差圧測定器により測定する方法で安定かつ高精度の気泡量測定を可能にした。液位変化から気泡の圧縮による容積変化量を求めることができる。事前に気泡を含まない液体で加圧した場合の液位の変化量を求めておきそれを補正量として計算すること、および測定パイプ系に水を導入することにより、測定の精度と安定性を確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、紙パルプや繊維、排水、石油化学等のプロセスにおいて液体中に含まれる気泡の含有量を精度高く測定できる気泡測定装置に関する。

紙パルプや繊維、石油化学等のプロセスの運転においては、液体中の気泡の量を把握しながら消泡剤を注入し、さらに脱気器を設置し液体中の気泡を除去している。液体中の気泡の量を測定するには、手動で液体をサンプリングして、オフラインでの試験装置を用いるが、頻度は一般に一日から数日に１回程度しかできていないのが現状である。

従来のオンライン気泡計測機器は、オフラインでの試験装置をそのままオンライン計測器に改造したものがある（例えば、特許文献１参照）
また、対象液の密度を単純に上下の差圧を計測して泡の量に換算するものもある（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。

特許文献１のケースは、減圧方式で測定するもので、サンプル流路切替の自動化において、測定装置内部のサンプル流路の閉塞等の問題から実用化が困難な状況となっている。試料の量のバラツキ、バルブの微小な漏れによる誤差等安定性への対応が難しい構造となっている。

特許文献２、非特許文献１の場合は、単純な構造でヘッド差を計測するものである。しかし、例えばパルプの濃度による非測定液自体の比重の変化がある場合、その変化が直接指示に影響を受け精度が確保できない原理となっている。また、精度を上げようとすると高いヘッドを必要とし、測定部が数メートルまで大型化しなければならない問題がある。現に非特許文献１にあるように測定精度は２％となっていて、本発明が実現する０．０１％の感度とはかけ離れた値となっている。

紙パルプの場合では、生産工程で１〜数％のオーダで泡が含有される場所もあるが、白水になった時点で含有量が減少し、さらに脱気器を経た後は更に減少し、０．１％未満になっていて、微小な気泡含有量の安定した精度の高い測定のニーズはあるものの実用化されていない。また、％オーダの場所でも細かい気泡量増減の変化を細かく計測できることが期待されている。

特許文献３の場合は、差圧発信器を使用して加圧した場合のヘッド差を測定することにより安定した精度高い密度変化を把握することができる。採取したサンプル液内の繊維等に閉じ込められ、浮いてこない気泡を、オンラインで安定して測定することを可能にしものであり、測定パイプ内で気泡が上昇し上部の気層に達した場合、その気泡は測定されない方式である。これに対して、本発明は、液内部にその時点で存在した気泡量の全体を測定できるようにしたもので、用途により使い分ける考え方である。
特開平７−６０００７ 特開２００５−２４８３４９ 特開２００７−０４７１４３ ＰＭＣ（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｉｎｃ．）社カタログ

以上述べたように、気泡の量を手分析によって測定する方法では、測定頻度に限界があり、また精度も十分確保できる方法であるとは言えない状況にあり、常時気泡の量の変化を監視することは困難である。また、従来の計測方法では、精度高く安定したオンラインの気泡量計測は実現困難である。

現状では、気泡による製品の不良が発生し生産上の損失をまねくことがある為、消泡剤を常時過剰に注入せざるを得ない状況にある。さらには気泡を除去する脱気器においても、気泡のオンラインでの測定が出来ないため安全サイドの運転を行わざるを得ず、余剰のエネルギーを消費しなければならない状況にある。

本発明は、従来の液体中の気泡の量の計測方法が持つ安定性と精度に対する問題を解決するものであり、精度高くかつ安定して測定し、オフラインでの計測はもとより、常時オンラインで安定してきめ細かく監視することを可能とし、かつその信号を消泡剤注入の自動制御装置に利用することができる気泡測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、第１の解決手段として、プロセスからのサンプリングラインから直接容器内を通過させながら、容器の入出口の弁をほぼ同時に閉止し、全ての泡を含む液を容器内に取込む。

次に、第２の課題解決手段として、容器と接続した細い測定用パイプの液位を測定し、測定用パイプ上部から空気等による加圧を行い、パイプ内液位の低下量を測定し、その液位差とパイプの断面積から圧縮された気泡の容積を把握し、ボイルシャールの法則から計算して気泡含有量を求める。本発明では、細い測定用パイプ内の液位変動を確実にかつ安定して測定するために、低差圧用差圧測定器を利用する方法を採用した。低差圧測定器はｍｍ単位の液位変化を捉えることができる。例えば、５リットルの容器と適正なサイズの３００〜５００ｍｍの測定用パイプを組合せることにより、測定パイプ内液位変化２〜５ｍｍが気泡量０．０１〜０．０２％程度の変化に相当するようにできる。差圧測定器と組合せた方式の考案が、装置を小型し、安定で高い信頼性を維持する為の鍵となるものである。

第３の解決手段として、測定の前に泡を含まない水等の流体を容器及びパイプに満たした状態で加圧して、容器の微小な伸びや差圧発信機の内部の機械的な変化により発生する容積増加が元で起こる測定パイプ内液位変化量を事前に測定しておき、非測定液を加圧して測定した場合に生じるパイプ内液位変化量を補正する方式を採用した。

第４の解決手段として、産業分野やプロセスによって対象液の気泡含有量が異なるので、装置を小型化し尚かつ精度を確保し、気泡測定レンジを広く取れるようにするため、液位測定用パイプを垂直方向に複数本並行して接続し、１本使用の場合、２本使用の場合等同時使用本数を切り替えることによって、加圧した場合の液位変化率すなわち測定レンジの切替えを可能とする方法を採用した。

第５の解決手段として、上記のパイプ内液位確保操作において、繰り返しバッチ測定開始前に、毎回水等の泡や狭雑物を含んでいない液を自動的に測定パイプ内に導入することにより、測定パイプ内の泡の存在による誤差を無くし、かつパルプ等の繊維物や汚れ分を含んだ非測定液が測定パイプ内に入ってきて、自動弁の洩れや差圧計測の故障につながることを防止するようにした。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果が期待できる。

（１）液体中に分散して含まれる気泡量を高精度で、安定して測定できる。精度についてはこれまでの常識を破る０．０１％までの測定感度を実現できる。

（２）オフラインの手分析装置として使用できることはもちろん、バッチ測定を自動で繰り返すことによりオンラインで測定可能であるので、オペレータが常時気泡を監視することができ、気泡による品質トラブルや生産ラインの停止を防止できる。

（３）０．０１％の気泡含有量の測定感度を有するため、現時点での気泡の含有量の変化傾向を的確に測定することができるので、この測定信号を自動制御装置に接続することにより、精度が高い消泡制御や脱気器の制御の自動化、最適制御が可能となる。過剰な薬品やエネルギーの消費を無くすことができ、結果として省エネルギー、省資源、ＣＯ２削減による環境改善の効果を得ることができる。

以下本発明実施態様を、図面を用いて説明する。
図１は本発明の気泡測定装置の実施形態を示す構成図である。

測定開始前に、２０ａ〜２０ｆまでの全ての自動弁を閉の状態とし、測定パイプ６内には、あらかじめ非測定液で気泡を含んでいない液、例えば紙パルプで非測定液が白水の場合は水をあるレベルまで満たしておく。測定パイプ６の複数本の中から、液内の気泡の量によってレンジ切替用の測定パイプ選択弁７−１，７−２のどれかを開とすることにより、１本〜複数本の測定パイプのどれかを選択した状態にしておく。すなわち選択されていない測定パイプの上下の選択弁は閉としておく。

まず最初に自動弁２０ａ、２０ｂを開とし、気泡を含む非測定液がプロセスから非測定液導入ライン１を通って導かれ、非測定液容器５を満たし、非測定液排出ライン２を通って排出されている状態をつくる。その状態から自動弁２０ａ、２０ｂを閉とし、非測定液を非測定液採取容器５に閉じ込める。

次に自動弁２０ｃを開として測定パイプ６と採取容器５を接続状態にする。この圧力が加わっていない状態で、圧力計１１により加圧ラインの圧力Ｐ１を測定しておく。かつ差圧測定器９により差圧測定を行い、測定パイプ内液比重を用いて測定パイプ内の液位Ｌ１を計算により求める。

この状態で、自動弁２０ｅを開とし、加圧空気導入ライン３から加圧空気ライン８へ加圧空気を導入し、圧力計を読み取り、その圧力をＰ２とする。圧力Ｐ２を加えたことにより、非測定液採取容器５内にある気泡はボイルシャールの法則により、圧縮され、その結果として測定パイプ内の液位は減少する。その状態で差圧を測定し、減少した液位Ｌ２を計算により求める。

加圧前後の液位Ｌ１，Ｌ２とから、非測定液容器５内に存在する気泡が圧縮された容積を、

として求めることができる。ここでＳｐはバルブ７−１、７−２により選択されている測定パイプの合計の断面積とする。

非測定液の気泡の含有率ｖ（％）は、ボイルシャールの法則により次の手順で求めることができる。
（Ｐ１×Ｖ１）／Ｔ１＝（Ｐ２×Ｖ２）／Ｔ２
ここで
Ｐ１；加圧前圧力
Ｐ２；加圧後の圧力
Ｖ１；加圧前の気泡の容積
Ｖ２；加圧後の気泡の容積
Ｔ１；加圧前の気泡の温度
Ｔ２；加圧後の気泡の温度

実際には、気泡の温度変化は殆どないので、ここではＴ１＝Ｔ２として計算例を示す。温度変化が必要な場合は温度計による測定を行い自動補正する。
Ｐ１×Ｖ１＝Ｐ２×Ｖ２ ・・・・・・・・・・・・・・▲２▼
また、

が成り立つので、式▲２▼、▲３▼からＶ１として次の▲４▼式が得られる。

▲１▼、▲４▼式より▲５▼式が得られ、Ｖ１は測定可能な変数から計算で求めることができる。
Ｖ１＝Ｐ２×（Ｌ１−Ｌ２）×Ｓｐ／（Ｐ２−Ｐ１） ・・・・・▲５▼

また、気泡含有率ｖ％は、非測定液採取容器の内部容積に対する加圧前の気泡の容積を使用して、次の式で定義される。
ｖ％＝Ｖ１／Ｖ０×１００ ・・・・・・・・・・・・・・▲６▼
ここで、
Ｖ０；非測定液採取容器の内部容積

▲５▼、▲６▼式からｖ％は次の▲７▼式として計算することができる。
ｖ％＝Ｐ２×（Ｌ１−Ｌ２）×Ｓｐ／（Ｐ２−Ｐ１）／Ｖ０×１００ ・・▲７▼

加圧による測定が終了後、自動弁２０ｆを開とし減圧を行う。加圧と同様に減圧前後の測定パイプ液位と圧力の測定を行い、加圧工程と同様の計算により気泡含有量Ｖ％を求める。加圧工程と減圧工程の両方から測定した値を平均することにより測定の精度と信頼性を向上させることができる。

加圧、減圧による測定には、容器、配管材料の伸びによる容積変化の誤差が含まれる。本発明では、事前に泡が混入していない水等の非測定液で、加圧を行い、泡に無関係の容積の変化分ｖｈを測定しておき、補正する。すなわち、下記▲１▼’に

ら▲７▼までの計算を行うようにする。

加圧、減圧による測定後、自動シーケンスにより、自動弁２０ｄを短い時間開とし、水を測定パイプ系にパージする。これにより差圧測定系の誤差防止と長期測定の信頼性を確保できる。

本発明に関わる気泡量測定装置の一例を示す構成図である。

１ 非測定液導入ライン
２ 非測定液排出ライン
３ 加圧空気導入ライン
４ 水導入ライン
５ 非測定液採取容器
６ 測定パイプ
７−１測定パイプ選択弁下側
７−２測定パイプ選択弁上側
８ 加圧空気ライン
９ 差圧測定器
１０ 空気排出ライン
１１ 圧力計
１２ 気泡
２０ａ〜２０ｆ 自動弁

Claims (4)

1. 閉じた容器に接続された垂直方向の細いパイプに対して、パイプ上部から空気等による加圧を行い、容器内の気泡の圧縮度合いに比例して発生するパイプ内の液位変化量を差圧測定器を使用して測定することにより、液体中に存在する気泡の量を精度高く安定して測定できることを特徴とする気泡量測定装置。
2. 気泡を含まない水等の流体を容器及びパイプに満たした状態で加圧して、容器の微小な伸びや差圧発信機の内部の機械的な変化により発生する容積増加が元で起こるパイプ内液位変化量を事前に測定しておき、非測定液を加圧して測定した場合に生じるパイプ内液位変化量を補正する方式を持つ請求項１に記載の気泡量測定装置。
3. 産業分野やプロセスによって対象液の気泡含有量が異なるので、気泡測定レンジを変える為、液位測定用パイプを垂直方向へ複数本並行して接続し、１本使用の場合、２本使用の場合等同時使用本数を切り替えること、又は径の異なるパイプと交換できる構造とすることによって、加圧した場合の液位変化率すなわち測定レンジの切替えを可能とした請求項１に記載の気泡量測定装置。
4. 水等の泡や狭雑物を含んでいない液を自動的に測定パイプ内に導入することにより、測定パイプ内の泡の存在による誤差を小さくし、かつパルプ等の繊維物や汚れ分を含んだ非測定液が測定パイプ内に入ってきて、自動弁の洩れや差圧計測の誤差や故障につながることを防止するようにした、請求項１に記載の気泡量測定装置。

Images