劉 磊

（山東太陽紙業(yè)股份有限公司，山東濟(jì)寧，272100）

紙漿屬于一種混合物懸浮液，包括存在于懸浮液中的所有物質(zhì)，如水、纖維、填料∕灰分、木屑以及各種化學(xué)藥品等。紙漿按纖維種類可以分為闊葉木漿、針葉木漿、非木漿以及廢紙漿等。

紙漿濃度指紙漿中纖維的含量，是將抄取的紙漿樣品進(jìn)行干燥稱量，以所得絕干固形物質(zhì)量與樣品濕重比值的方式表示，單位是%或g∕L。

1 紙漿濃度測量的意義及影響因素

1.1 紙漿濃度測量的目的

紙漿濃度是關(guān)于紙漿設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)。盡管紙漿濃度控制邊際利潤率低，但其精確測量對于紙漿篩選及洗滌控制、打漿電耗、藥品消耗以及紙張質(zhì)量控制尤為重要。

1.2 紙漿濃度控制應(yīng)用及控制方式

常見的紙漿濃度控制應(yīng)用有以下幾種：在篩選、洗滌工段根據(jù)濃度控制良漿通過量；在磨漿工段通過比能量控制（Specific Energy Control，SEC）控制磨漿機(jī)的噸漿電耗；在紙機(jī)流送工段根據(jù)紙漿濃度控制化學(xué)助劑的加入量；濃度前饋用于紙機(jī)縱向定量控制等。

圖1 為常用的紙漿濃度控制方式，主要包括典型控制方式A、前饋控制方式B 和前饋串級混合控制方式C。

圖1 常見的幾種紙漿濃度控制方式

濃度調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有慣性加純滯后特性，工程應(yīng)用中一般采取PI（Proportion Integration）控制。典型控制方式A采用反作用單調(diào)節(jié)回路，根據(jù)濃度設(shè)定值進(jìn)行濃度控制。前饋控制方式B將紙漿流速的變化量折算后疊加到濃度控制的輸出上，可以抑制稀釋水壓力波動帶來的濃度測量干擾。前饋串級混合控制方式C將流速干擾疊加到濃度主回路控制輸出后，作為流量副調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值控制稀釋水流量，以獲得穩(wěn)定的濃度控制。

1.3 紙漿濃度測量影響因素

因漿種和紙種不同，紙漿濃度測量受體積濃度、纖維長度、黏度、無機(jī)物含量、顏色以及流速等因素影響。如溫度和無機(jī)物含量的增加會降低紙漿濃度，而纖維長度、游離度或漿液pH 值增加均會使紙漿濃度升高，不同的濃度條件需要采取合適的測量方式。紙漿中木素含量及白度等參數(shù)變化會影響紙漿濃度的光學(xué)測量。另外，控制系統(tǒng)的安裝位置及控制方式的選擇，也會因紙漿在管道內(nèi)的流速大小、混合程度不同，給濃度測量帶來誤差。

2 紙漿濃度在線測量技術(shù)的發(fā)展

2.1 在線測量技術(shù)分類

紙漿濃度測量技術(shù)按照測量方式劃分，可分為接觸式和非接觸式兩大類。根據(jù)測量原理不同，目前有剪切力測量技術(shù)、射線測量技術(shù)、超聲波測量技術(shù)、電容測量技術(shù)、光學(xué)測量技術(shù)以及微波測量技術(shù)等類別。

2.2 在線測量技術(shù)現(xiàn)狀

2.2.1 基于剪切力的濃度測量技術(shù)

早在20 世紀(jì)初，部分制漿造紙企業(yè)已經(jīng)開始采用刀式傳感器感應(yīng)漿液中纖維變形所受剪切力的方法，進(jìn)行紙漿濃度的在線測量。

刀式濃度計(jì)按傳感器檢測方式分為：靜刀和動刀兩種。圖2為靜刀式濃度計(jì)中剪切力計(jì)算示意圖。靜刀式傳感器感應(yīng)的紙漿剪切力與紙漿濃度呈函數(shù)關(guān)系，在一定漿速范圍內(nèi)，紙漿濃度只與纖維特性有關(guān)。紙漿沖擊產(chǎn)生拉力F2和F4，合力F3作用在刀式傳感器的支點(diǎn)上，因此在一定流速范圍內(nèi)，漿流產(chǎn)生的力矩f(v)=F2·l2+F3·l3+F4·l4是 1 個常數(shù)，所以可對漿流沖擊力矩F3·l3進(jìn)行速度補(bǔ)償（當(dāng)流速在0.6 m∕s 以下時，流速帶來的水層影響可以忽略不計(jì)；當(dāng)流速大于1.8 m∕s 時，漿流沖擊力正比于流速的平方，難以進(jìn)行補(bǔ)償[1]），因此，可以通過測量剪切力F1得到紙漿濃度。靜刀式濃度計(jì)需要安裝溫度傳感器對不同的紙漿溫度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。因所受剪切力不同，靜刀式傳感器需根據(jù)不同的纖維類型進(jìn)行刀型設(shè)計(jì)，經(jīng)幾十年的不斷研發(fā)和改進(jìn)，目前可以測量1.5%～16%范圍內(nèi)的紙漿濃度。

20 世紀(jì)80 年代出現(xiàn)了動刀式濃度計(jì)。動刀式濃度計(jì)利用刀式受力元件主動剪切紙漿，由于紙漿濃度形成的摩擦力會影響動刀的行程時間，因此可通過測量元件完成行程的時間計(jì)算紙漿濃度。動刀式濃度計(jì)可測流速0.2～5 m∕s的紙漿，紙漿濃度測量范圍一般為1.5%～8%。

圖2 靜刀式濃度計(jì)剪切力計(jì)算示意圖（Valmet濃度計(jì)培訓(xùn)手冊）

此外，基于剪切力的濃度計(jì)還有旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)，包括內(nèi)旋式和外旋式兩種。在20 世紀(jì)20 年代，最初的內(nèi)旋式旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)由恒速電機(jī)驅(qū)動單個旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩臂測量其在紙漿中所受的剪切力，應(yīng)力測量有差動氣路測量和電橋測量兩種形式。這種測量方式對流速變化不敏感，但旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)械密封的摩擦力會影響測量結(jié)果[2]，目前內(nèi)旋式旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)多為雙旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，測量范圍可以覆蓋1.5%～16%的紙漿。外旋式旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)采用管道外引流安裝方式，紙漿濃度測量范圍為2%～6%。

葛升民等人[3]還利用平板狀和梳狀旋轉(zhuǎn)葉片所受阻力與紙漿濃度和打漿度的不相關(guān)性，研制出可以同時測量濃度和打漿度的技術(shù)，克服了打漿度對濃度測量的影響，其紙漿濃度測量范圍為1%～7%。

2.2.2 射線濃度測量技術(shù)

利用射線對于不同密度物質(zhì)照射后衰減的原理，伽馬射線也被嘗試用于紙漿的濃度測量。纖維和水的密度很接近，因此傳感器需要很高的靈敏度。塑料閃爍檢測技術(shù)提高了傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，但填料和氣泡的存在，會導(dǎo)致過高或過低的假信號。理論上該類濃度計(jì)測量范圍沒有限制，然而由于該技術(shù)造價較高，目前還很少見到實(shí)際應(yīng)用。

2.2.3 超聲波濃度測量技術(shù)

20 世紀(jì)70 年代，有人提出了利用超聲波在紙漿懸浮液中散射和吸收原理測量紙漿濃度的技術(shù)。姚駿等人[4]嘗試以0.86～2.75 MHz頻率的超聲波激勵進(jìn)行衰減測量，證明了紙漿濃度在0.5%～2.5%的范圍內(nèi)與超聲波衰減系數(shù)呈線性關(guān)系。

2.2.4 電容濃度測量技術(shù)

通過紙漿等效介電常數(shù)ε與濃度變化的函數(shù)關(guān)系可以測量紙漿的電容值（Cx=Kε），紙漿介電常數(shù)可分為固相紙漿介電常數(shù)ε1和連續(xù)相紙漿介電常數(shù)ε2兩種，等效介電常數(shù)ε=Cε1+(1-C)ε2。實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)可以測量的紙漿濃度范圍為2%～7%[5]。該類濃度計(jì)只在實(shí)驗(yàn)室中有相關(guān)報道，還未看到有實(shí)際應(yīng)用的案例。

2.2.5 光學(xué)濃度測量技術(shù)

根據(jù)拉姆貝爾塔-貝拉定律，紙漿濃度可以通過測量穿過紙漿的光通量強(qiáng)度求得。

近紅外光具有的光譜較寬、吸收強(qiáng)度較弱且信息量大的特性適合作為定量分析的光源。實(shí)驗(yàn)證明，利用波段750～2500 nm 的近紅外光線照射到樣品上，然后檢測樣品對光線的吸收，再對吸收譜圖進(jìn)行解析計(jì)算，可以得到樣品中各物質(zhì)的含量[6]。

在20 世紀(jì)70 年代，高強(qiáng)度LED 技術(shù)的研發(fā)也使光學(xué)濃度傳感器性能有了較大提高，人們開始利用近紅外光對影像增強(qiáng)敏感的特性，通過紅外光散射和透射方法進(jìn)行光學(xué)激勵[7]，對紙漿濃度進(jìn)行測量和計(jì)算，最高可以測量濃度為4%的紙漿[8]。圖3 為常用3種光學(xué)濃度計(jì)A、B、C測量方式。

圖3 光學(xué)濃度計(jì)的常見形式

濃度計(jì)A使用鹵素?zé)襞莼虬雽?dǎo)體激光器產(chǎn)生的線偏振光進(jìn)行測量。透射過被測量介質(zhì)的光束分成兩部分，分別穿過兩個平面偏振濾光片。利用纖維的去偏振效應(yīng)，相應(yīng)波長的光束被光電二極管檢測并組合產(chǎn)生相對去偏振化信號，該信號與纖維和填料總濃度呈一定函數(shù)關(guān)系，可以由此計(jì)算紙漿濃度，其優(yōu)點(diǎn)是對紙漿的白度、顏色、打漿度或可溶性添加劑不敏感。

濃度計(jì)B是基于光的透射率與濃度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行測量。但該類傳感器對游離度和顏色的變化敏感，在填料和可溶固形物含量變化時測量信號與濃度呈非線性關(guān)系。

濃度計(jì)C由多個傳感器收集前向和后向的散射光并產(chǎn)生一個與濃度成正比的信號。這種類型的濃度計(jì)可以在更高的濃度（約4%）下使用，一般來說，其對非纖維物質(zhì)含量變化的敏感性介于濃度計(jì)A和濃度計(jì)B之間，且該濃度計(jì)對填料最為敏感。

圖4為BTG 光學(xué)濃度分析儀組成示意圖。該濃度計(jì)利用光學(xué)峰值分析法（見圖5）測量紙漿濃度，假設(shè)懸浮液成分中同時有大顆粒和小顆粒，測量形式類似于圖3中的濃度計(jì)A。

圖4 BTG光學(xué)濃度分析儀組成示意圖（BTG培訓(xùn)手冊）

圖5 BTG光學(xué)峰值分析法（BTG培訓(xùn)手冊）

紙漿體系中大顆粒（纖維）形成一個相對透明、并伴有大量小顆粒（填料和細(xì)顆粒）自由漂浮的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。對典型懸浮液隨時間變化的觀察表明，大量小顆粒相對恒定，而大量大顆粒卻很少，并可變。圖4 BTG 光學(xué)峰值分析法中有3 個光電檢測濾波器，分別檢測平均值VDC、峰值VP和信號中的交流成分信號VAC。圖5 中透射光的平均值確定VDC，VP代表沒有纖維時的透射光強(qiáng)值，VCW代表清水狀態(tài)下的參考光強(qiáng)值。大顆粒成分（Large Particle Content，LPC）為VP與VDC的差值，小顆粒成分（Fine Particle Content，F(xiàn)PC）為VCW和VP的差值，通過計(jì)算LPC 和FPC 即得到總濃度值[9]。

圖6 為總固形物測量原理圖。光學(xué)濃度計(jì)利用Arago 偏振光原理，采用了半導(dǎo)體激光器和氙光兩種光源，通過漿料不同成分的光學(xué)性能，檢測通過介質(zhì)的透射偏振光和激光與氙燈光的反向散射光光電轉(zhuǎn)換信號，根據(jù)光強(qiáng)與纖維、填料濃度的函數(shù)關(guān)系得到總濃度信號。目前，光學(xué)濃度計(jì)可測量濃度范圍為0～16%的紙漿。

圖6 總固形物光學(xué)測量原理[10]

2.2.6 微波測量技術(shù)

微波技術(shù)在20 世紀(jì)90 年代開始應(yīng)用于紙漿濃度測量。一般而言，水的介電常數(shù)為78.5，木質(zhì)纖維的介電常數(shù)為2.8[11]，微波在漿液中的傳導(dǎo)速度或通過漿液的時間是介質(zhì)相對介電常數(shù)的函數(shù)，而微波在漿液中的傳播速度是濃度的強(qiáng)相關(guān)函數(shù)。因此，微波可以測量纖維和填料的總濃度。

微波濃度計(jì)對纖維類型、長度、成分、顏色、流速、打漿度等參數(shù)不敏感，但對電導(dǎo)率、空氣和溫度敏感，需要進(jìn)行特定的補(bǔ)償計(jì)算。另外，微波分析儀本身無機(jī)械運(yùn)動部件，后期維護(hù)量較小。微波濃度計(jì)的測量范圍一般為0～16%。

2.3 在線測量技術(shù)發(fā)展制約因素

2.3.1 轉(zhuǎn)換成本

與其他技術(shù)一樣，隨著紙漿濃度測量技術(shù)的不斷成熟，其技術(shù)性能的提高需要不斷的技術(shù)研發(fā)投入，在技術(shù)成熟期逼近一定的極限值后，會達(dá)到所謂的“技術(shù)成熟期”。在此階段，技術(shù)發(fā)展將面臨保持或轉(zhuǎn)換技術(shù)軌道的選擇。保持階段隨著技術(shù)的擴(kuò)散，產(chǎn)品利潤將難以保證，而變換技術(shù)軌道的轉(zhuǎn)換成本將制約新技術(shù)的發(fā)展。因此，較低的技術(shù)轉(zhuǎn)換成本將給制造商帶來巨大的技術(shù)競爭優(yōu)勢。

2.3.2 適用性和維護(hù)性

紙漿種類繁多，測量環(huán)境千變?nèi)f化，要求將來的在線濃度測量技術(shù)要有較強(qiáng)的適用性。測量產(chǎn)品的寬適用性將大大減少產(chǎn)品線的種類，給用戶的設(shè)備維護(hù)帶來便利。同時，還要求產(chǎn)品越來越輕量化、智能化，減少磨損和故障頻率，具有自診斷功能，便于后期校準(zhǔn)和維護(hù)。

2.3.3 技術(shù)性能

靈敏度、重復(fù)性、穩(wěn)定性和信息互聯(lián)性是濃度計(jì)的主要技術(shù)性能。紙漿濃度變化時的快速響應(yīng)和穩(wěn)定的重復(fù)性測量性能對工藝過程控制尤為重要，將直接影響能耗、工藝穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

在信息時代，還要求濃度計(jì)具備互聯(lián)功能，對產(chǎn)品的運(yùn)行情況可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，且紙漿濃度測量數(shù)據(jù)可以在云端進(jìn)行二次加工，作為其他云虛擬傳感器的一次測量傳感器。

3 紙漿濃度在線測量濃度計(jì)應(yīng)用情況

表1為紙漿濃度在線測量濃度計(jì)應(yīng)用的基本情況。紙漿濃度在線測量技術(shù)自問世以來，一直在持續(xù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和迭代，圖7為筆者對世界上兩大主流在線濃度計(jì)生產(chǎn)商產(chǎn)品技術(shù)迭代間隔周期進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，刀式濃度測量技術(shù)從第一代到目前的第四代迭代時間平均分別用了17年、12年、15.5年和7.5年；旋轉(zhuǎn)濃度測量技術(shù)從第一代到目前的第四代迭代時間平均分別用了34.5年、10年、10年和2年；微波濃度測量技術(shù)從第一代到目前的第四代迭代時間平均分別用了5年、5年、8年和4年；光學(xué)濃度測量技術(shù)從第一代到目前的第三代迭代時間平均分別用了9年、6.5年和5年。

表1 紙漿濃度在線測量濃度計(jì)應(yīng)用基本情況

由圖7 可以看出，目前較為流行的幾種在線濃度測量技術(shù)迭代間隔出現(xiàn)逐漸縮短現(xiàn)象，其中光學(xué)式濃度計(jì)平均迭代間隔時間最短，只有5.1年。

通過對在線濃度計(jì)廠商數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)計(jì)，目前世界上主要品牌有Valmet、BTG、SATRON、ABB、TECO、TEMCO、DEZURIK 和 AQUAR 等，其中 50%的公司有微波式濃度計(jì)產(chǎn)品，超過60%的公司已經(jīng)研發(fā)出光學(xué)式濃度計(jì)產(chǎn)品。2010 年之后，光學(xué)濃度測量技術(shù)有了新的突破，濃度測量范圍最高可以達(dá)到16%。目前國產(chǎn)濃度計(jì)也有了長足發(fā)展，主要產(chǎn)品集中在刀式和旋轉(zhuǎn)式濃度計(jì)兩個系列。

圖7 BTG、Valmet在線濃度測量技術(shù)迭代統(tǒng)計(jì)

從適用性和技術(shù)性能方面來看，微波式濃度計(jì)和光學(xué)式濃度計(jì)都具有較大發(fā)展前途，但二者造價相對較高，在某些測量場合的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提高。

4 結(jié) 語

根據(jù)技術(shù)生命周期理論，新技術(shù)存在變異、醞釀、選擇和保留幾個階段[12]，技術(shù)成長是技術(shù)性能與技術(shù)投入或時間的函數(shù)。目前幾種測量技術(shù)仍處于新舊技術(shù)之間、新技術(shù)與新技術(shù)之間競爭的階段，技術(shù)生命周期存在不確定性，不能簡單地說哪種技術(shù)將獨(dú)占鰲頭，這幾種技術(shù)將在一定時期內(nèi)繼續(xù)相互競爭并不斷發(fā)生技術(shù)替代。