專利名稱：紙漿濃度測控儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紙漿測量和控制裝置，尤其涉及一種激光光纖紙漿濃度測控儀。
在造紙工業(yè)中對紙張質(zhì)量的要求越來越高。紙張的質(zhì)量除了與原料有關(guān)外還直接受到生產(chǎn)工藝的影響。造紙生產(chǎn)工藝一般包括三個工序備料、制漿和抄紙，其中在制漿和抄紙過程中都需要用水稀釋原漿。因而，實時、精確地測量紙漿的濃度對于制漿和抄紙工序，進(jìn)而對提高紙張的質(zhì)量都有十分重要的意義。
中國專利No.90100279.8公開了一種紙漿濃度自動控制儀，由紙漿濃度傳感器、電動調(diào)節(jié)閥和計算機(jī)控制柜構(gòu)成。紙漿濃度傳感器以流體動力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)濃度與剪切力之間的關(guān)系來檢測濃度，其工作方式包括刀式和旋轉(zhuǎn)式兩種。由于剪切力和流速、溫度和壓力等因素有關(guān)，因此該紙漿濃度控制儀的測量結(jié)果直接受上述因素的影響，此外，它也不能用來測量低濃度。CSTAD數(shù)據(jù)庫中描述了一種采用光度法在線連續(xù)檢測低濃度紙漿的濃度的低濃度檢測控制儀。它利用紙漿纖維對偏振光的振動方向具有偏轉(zhuǎn)作用的特性，通過檢測偏振光的強(qiáng)弱來確定濃度的大小。該檢測控制儀中所用的傳感器包括光源、平行偏振片、測量室、劈光片、垂直偏振片、透鏡、光電池等部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝煩瑣，并且中高濃度無法測量?！吨袊鴥x器儀表》1994年(5)第14～16頁公開了一種電容式紙漿測量技術(shù)，它是基于這樣的原理由于紙漿的介電常數(shù)隨濃度的不同而不同，而介電常數(shù)的變化可以轉(zhuǎn)換為電容的變化，因此，可通過測量所述電容來確定紙漿濃度的大小。但是，由于紙漿中各種化學(xué)離子的多少直接影響到介電常數(shù)的值，因此該方法的測量精度直接受紙漿中所含的化學(xué)離子的影響。另外，該方法不能對高濃度和低濃度進(jìn)行測量。
本發(fā)明的目的是提供一種激光光纖紙漿濃度測控儀，其測量精度不受流速、溫度、壓力和紙漿中各種化學(xué)離子含量等因素的影響，而且結(jié)構(gòu)簡單、安裝和維修方便。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的激光光纖紙漿濃度測控儀包括光纖傳感器，包括光纖探頭、通過發(fā)射光纖與光纖探頭連接的光源和通過接收光纖與光纖探頭連接的探測器；信號處理單元，它接收、處理所述光纖傳感器的輸出信號，并根據(jù)預(yù)定的紙漿濃度和處理后的電信號的對應(yīng)關(guān)系求出待測紙漿濃度。
按照本發(fā)明，根據(jù)待測紙漿濃度范圍的不同可選用不同排列形式的光纖探頭。對于低濃度、高濃度、中濃度和全量程濃度測量可分別采用一心單相形、一心連環(huán)形、一心放射形和一心兩相形光纖探頭。關(guān)于這些探頭形式的定義，下文有詳細(xì)描述。
根據(jù)本發(fā)明，所述信號處理單元還可包括用于直接置入并密碼修正代表所述紙漿濃度和電信號的對應(yīng)關(guān)系的最小二乘系數(shù)的裝置。所述置入和修正裝置可包括存儲裝置，用于存儲密碼和最小二乘系數(shù)；輸入裝置，用于輸入密碼和最小二乘系數(shù)；比較裝置，用于比較由輸入裝置輸入的密碼是否與存儲裝置中所存儲的密碼相同，若相同則向所述存儲裝置發(fā)出一個信號；檢驗裝置，用于檢驗所輸入的最小二乘系數(shù)是否有效，若有效，則在響應(yīng)所述信號指令所述存儲裝置將由所述輸入裝置輸入的最小二乘系數(shù)存入所述存儲裝置。
由于上述技術(shù)方案采用了激光光纖的測量方法，通過測量向后散射光強(qiáng)的大小來確定紙漿濃度，因此測量精度不受流速、溫度、壓力和紙漿中各種化學(xué)離子含量等因素的影響，而且結(jié)構(gòu)簡單、安裝和維修方便。
此外，由于具有直接置入并密碼修正最小二乘系數(shù)的功能，解決了寬量程測量中出現(xiàn)的非線性問題，因此，根據(jù)本發(fā)明的激光光纖紙漿濃度測控儀和現(xiàn)有紙漿濃度測控儀相比還具有較寬的測量范圍。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式

對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的激光光纖濃度測控儀的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的激光光纖濃度測控儀的光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3(A)-(D)是根據(jù)本發(fā)明的光纖探頭的結(jié)構(gòu)排列示意圖。
圖4是本發(fā)明的激光光纖濃度測控儀所采用的I/V轉(zhuǎn)換器和放大變換器的電路原理圖。
圖5是本發(fā)明的激光光纖濃度測控儀中可采用的用于直接置入并密碼修正最小二乘系數(shù)的裝置的示意圖。
圖6是本發(fā)明的激光光纖濃度測控儀中可采用的用于直接置入并密碼修正最小二乘系數(shù)的裝置的電路原理圖。
圖7是是本發(fā)明的激光光纖濃度測控儀中可采用的用于控制信號輸出的電路的原理圖。
圖8是本發(fā)明的激光光纖濃度測控儀可采用的信號處理系統(tǒng)的前面板示意圖。
如圖1所示，本發(fā)明的激光光纖紙漿濃度測控儀包括光纖傳感器1和信號處理單元2兩部分。光纖傳感器1包括光源11、光纖探頭12和探測器13。由光源11發(fā)出的激光束經(jīng)發(fā)射光纖傳送至光纖探頭12，進(jìn)而向待測紙漿發(fā)射，被紙漿向后散射的光經(jīng)光纖探頭12和接收光纖傳送至探測器13，探測器13將其所接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。信號處理單元2包括I/V轉(zhuǎn)換器21、放大及變換器22、A/D變換器23和求值器24。I/V轉(zhuǎn)換器21接收由探測器13輸出的電流信號，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，而后，將轉(zhuǎn)換后的電壓信號傳送給放大及變換器22，對其進(jìn)行放大和變換處理，以便對其進(jìn)行A/D變換。經(jīng)A/D變換后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)送到求值器24。求值器24根據(jù)事先確定的紙漿濃度和電信號的對應(yīng)關(guān)系求出所測紙漿濃度的值。
此外，還可設(shè)置調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)設(shè)置值和測量值輸出標(biāo)準(zhǔn)信號和控制信號來控制摻水閥，使紙漿濃度控制在生產(chǎn)工藝所要求的范圍內(nèi)。
對本發(fā)明所涉及的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說可以理解的是，還可對本發(fā)明的激光光纖紙漿濃度測控儀設(shè)置用于測控流量、溫度和壓力等的裝置。
光源11一般采用焊點激光器和半導(dǎo)體發(fā)光器。焊點激光器雖然光源穩(wěn)定性和聚焦性較好，但輸出功率小，體積大，激發(fā)電壓高，造價較貴，一般適用于實驗室內(nèi)高精度測量。半導(dǎo)體發(fā)光器包括發(fā)光二極管和激光二極管。發(fā)光二極管光譜寬(30～40nm)，但色散度大，與光纖耦合效率低，且它發(fā)射的光是非相干光，只能與多模光纖耦合，一般只適用于對光源要求較低的場合。激光二極管雖然輸出功率受供電的穩(wěn)定性以及環(huán)境溫度影響，需要有穩(wěn)定電路，但它功率大、亮度高、尺寸小、易于調(diào)制，其定向相干光既可以與單模光纖耦合又可以與多模光纖耦合。它既具有半導(dǎo)體器件的優(yōu)點，又具有激光的單色性、相干性、方向性和亮度高等特點。所以，對于本發(fā)明，激光二極管是可供選擇的最佳光源。此外，選擇激光二極管時，應(yīng)使其光譜分布波長與光纖工作波長(此波長的光在光纖中損耗最小)相匹配。
關(guān)于發(fā)射光纖和接收光纖，可使用石英光纖或玻璃光纖。石英光纖損耗小但造價高，玻璃光纖損耗雖大一些，但造價低得多。到底是使用石英光纖還是玻璃光纖應(yīng)根據(jù)使用場合和要求不同來選擇。
圖2給出了本發(fā)明中光纖傳感器的具體實施方式

。光源11、探測器13分別經(jīng)連接器16和發(fā)射光纖18、連接器17和接收光纖19連接至光纖分配器14，后者經(jīng)光纖15連接至光纖探頭12。探頭12經(jīng)四氟過渡母122與安裝連接管123和安裝螺母124組成一體?？赏ㄟ^將安裝螺母124直接擰緊在測量現(xiàn)場的螺絲上而將探頭固定在測量現(xiàn)場，與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種固定方法簡便易行。此外，可在光纖探頭上加一層玻璃，一方面起防腐保護(hù)作用，另一方面可擴(kuò)展測量范圍。
探頭的形式直接關(guān)系到測量范圍、信號強(qiáng)度和測量誤差的大小，因此，適當(dāng)選取探頭的形式對本發(fā)明具有重要意義。經(jīng)過大量的研究，本發(fā)明人認(rèn)為最好選用梅花形結(jié)構(gòu)，即發(fā)射光纖束位于結(jié)構(gòu)的中心，其四周分布若干圈接收光纖束，每圈有多根光纖束，以提高收集效率。
光纖探頭的具體排列方式如圖3(A)-(D)所示。圖3(A)所示為一心單相形，中心為發(fā)射光纖束，其周圍為同一規(guī)格的若干個接收光纖束。這種探頭適用于低濃度測量，這是因為低濃度時紙漿中纖維含量低，散射粒子少，光在各粒子之間幾乎不進(jìn)行多次散射，因此，一圈接收光纖束接收的光強(qiáng)的變化就能代表粒子多少的變化，即濃度的變化。從性能價格比來說，這種結(jié)構(gòu)的探頭適用于低濃度測量。當(dāng)然，如圖3(B)-(D)所示的探頭也能用于測量低濃度。
圖3(B)所示為一心放射形，中心為發(fā)射光纖束，若干圈同一規(guī)格的接收光纖束以向外直線放射的方式布置在發(fā)射光纖束的周圍。這種形式的探頭適用于測量中等濃度，這是因為在中等濃度時，光在各散射粒子間會部分進(jìn)行二次甚至多次散射，為了提高接收散射光的強(qiáng)度，提高測量靈敏度，必須將沿直線向外擴(kuò)散的粒子之間的散射光接收起來。當(dāng)然，如圖3(C)-(D)所示的探頭也能用于測量中等濃度。
圖3(C)所示為一心連環(huán)形，中心為發(fā)射光纖束，周圍為若干圈環(huán)狀布置的接收光纖束。這種探頭適用于測量高濃度，這是因為高濃度時，紙漿中含有較多的纖維粒子，大部分光會在各粒子之間進(jìn)行多次散射，并且每次散射的程度不一樣，為了使接收的光強(qiáng)的變化真正代表濃度的變化，必須把往周圍散射的光幾乎都接收起來。當(dāng)然，如圖3(D)所示的探頭也能用于測量高濃度。
圖3(D)所示為一心兩相形，中心為發(fā)射光纖束，周圍為兩種規(guī)格的接收光纖束，發(fā)射光纖束、較粗接收光纖束和較細(xì)光纖束的直徑之比為4∶2∶1。這種探頭適用于全量程測量。在進(jìn)行全程測量時，既要考慮到在低濃度的情況下不能過于靈敏(過于靈敏會影響其瞬時穩(wěn)定性)，又要兼顧到在高濃度的情況下要有足夠的靈敏度和分辨率。采用如圖3(D)所示的探頭結(jié)構(gòu)，在低濃度時，用內(nèi)圈接收光纖束所接收的散射光的強(qiáng)度信號來確定濃度的大小，在高濃度時，則用所有接收光纖束所接收的信號來確定所測濃度的值。
探測器13的功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，可選用光倍增管(DMP)、光晶體管、光電二極管、雪崩光電二極管(APD)、光電三極管和硅光電池等。在選擇探測器時，應(yīng)使其靈敏波長與入射光波長相近，并對入射光功率具有高響應(yīng)度或高靈敏度。此外，還應(yīng)使其響應(yīng)時間短，附加噪聲盡可能低，光敏面大，受溫度影響小，易與光纖耦合，工作壽命長。綜合考慮以上因素，本發(fā)明可采用日本進(jìn)口的108型硅光電池。
圖4是本發(fā)明可采用的I/V轉(zhuǎn)換器和放大及變換器的電路原理圖。探測器的正相腳、負(fù)相腳分別引入放大器A1的正相端、負(fù)相端。放大器A1的正相端還通過電阻R1和電容C1接地，負(fù)相端還通過電阻R2和電容C2連接到電位器W1的中間腳。放大器A1的輸出端連接在電位器W1的一頂腳和電阻R8之間，電位器W1的另一頂腳接地。這樣就實現(xiàn)了將微弱的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢◤?qiáng)度的電壓信號。在這里，電阻R1和R2的阻值不宜太小，電容C1和C2宜采用有極電容。芯片U1的型號為AD694，其引腳7、8輸出的基準(zhǔn)電壓通過由電阻R4、R5、W2、RT和W3組成的分壓溫度補(bǔ)償電路產(chǎn)生一個參考電壓，該參考電壓經(jīng)過由電阻R6和放大器A2所組成的電壓跟隨器(隔離器)后再經(jīng)過電阻R7傳送到放大器A3的正相端。放大器A1的輸出信號經(jīng)過電阻R8連接到放大器A3的負(fù)相端。電阻R7、R8、R9和放大器A3組成一個差分放大器，對檢測信號和參考信號進(jìn)行差分放大。經(jīng)差分放大后的信號經(jīng)電阻R10連接到放大器A4的負(fù)相端。電阻R10、R11、W4、電容C3和放大器A4組成一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，使信號經(jīng)此級放大后在濃度測量范圍內(nèi)變?yōu)?～2.5V。此信號經(jīng)過電阻R13連接到芯片U1的引腳3。芯片U1的引腳3和引腳4、5之間連接一個開關(guān)管D2，以防止信號反相輸入時燒壞芯片U1。芯片U1將0～2.5V的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA的電流信號輸出。
圖5所示為用于直接置入并密碼修正最小二乘系數(shù)的裝置的框圖。該置入和修正裝置包括脈沖發(fā)生器31、觸發(fā)器32、存儲器33、鍵盤34、鍵盤及顯示驅(qū)動器35、微處理器36和顯示器37。脈沖發(fā)生器31向觸發(fā)器提供時鐘信號。通過操作鍵盤34一方面控制鍵盤及顯示驅(qū)動器是否產(chǎn)生低電平信號以確定是否開始置數(shù)，另一方面所置的數(shù)通過鍵盤及顯示驅(qū)動器直接在顯示器37上顯示出來。當(dāng)進(jìn)行置入或修正系數(shù)時，首先由鍵盤34輸入密碼，然后，微處理器36比較輸入的密碼是否與存儲器33中所存儲的密碼相同，若相同則允許輸入新的最小二乘系數(shù)。接著，通過鍵盤34輸入新系數(shù)。然后，微處理器向36對所輸入的系數(shù)的有效性進(jìn)行檢驗，若有效，則向存儲器33發(fā)出一個信號，指令存儲器33將輸入的新最小二乘系數(shù)存入存儲器33。
圖6所示為用于直接置入并密碼修正最小二乘系數(shù)的裝置的電路原理圖，其中，U2為8279鍵盤及顯示驅(qū)動器，U3、U6為74LS244三態(tài)驅(qū)動器，U4為74LS154譯碼器，U5是Z80CPU微處理器，U7為2816E2ROM。單穩(wěn)電路74LS123產(chǎn)生脈沖信號作為D觸發(fā)器74LS74的時鐘信號。通過檢驗鍵盤及顯示驅(qū)動器U2的引腳36和6是否接低電平來確定是否開始置數(shù)。如開始置數(shù)，則要輸入密碼來確定是否允許置最小二乘系數(shù)，如允許則再通過D觸發(fā)器的引腳4的DZH控制來確定所置的系數(shù)是否有效地進(jìn)入2816E2ROM U7。一旦所置的系數(shù)有效，系數(shù)就進(jìn)入2816E2ROM U7。
圖7所示為控制信號輸出的電路原理圖，其中，74LS273為寄存器，AD7541是D/A轉(zhuǎn)換器，AD694是V/I轉(zhuǎn)換器。根據(jù)所測的紙漿濃度值與設(shè)置值比較，通過P.I.D算法把數(shù)寄存于寄存器74LS273中。然后把數(shù)送入D/A轉(zhuǎn)換器AD7541中，其中，控制信號從數(shù)字量變?yōu)槟M量。再經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～10mA或4～20mA的電流信號，用于控制摻水閥，以實現(xiàn)紙漿濃度的穩(wěn)定性。
圖8給出了本發(fā)明的激光光纖濃度測控儀可用的前面板，它具有34個微觸按鍵，可以很方便地進(jìn)行人機(jī)對話。
需要指出的是，本發(fā)明不僅適用于對紙漿濃度的測控，而且用于其他固液兩相濃度的測控，如制糖工業(yè)中對糖份的測控。
權(quán)利要求
1.一種激光光纖紙漿濃度測控儀，其特征在于包括光纖傳感器，包括光纖探頭、通過發(fā)射光纖與光纖探頭連接的光源和通過接收光纖與光纖探頭連接的探測器；信號處理單元，它接收、處理所述光纖傳感器的輸出信號，并根據(jù)預(yù)定的紙漿濃度和處理后的電信號的對應(yīng)關(guān)系求出待測紙漿濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述信號處理單元包括串聯(lián)連接的I/V轉(zhuǎn)換器、放大及變換器、A/D變換器和求值器，所述求值器根據(jù)預(yù)定的紙漿濃度和電流信號的對應(yīng)關(guān)系求出待測紙漿濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述信號處理單元還包括用于直接置入并密碼修正代表所述紙漿濃度和電信號的對應(yīng)關(guān)系的最小二乘系數(shù)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述置入和修正裝置包括存儲裝置，用于存儲密碼和最小二乘系數(shù)；輸入裝置，用于輸入密碼和最小二乘系數(shù)；比較裝置，用于比較由輸入裝置輸入的密碼是否與存儲裝置中所存儲的密碼相同，若相同則向所述存儲裝置發(fā)出一個信號；檢驗裝置，用于檢驗所輸入的最小二乘系數(shù)是否有效，若有效，則在響應(yīng)所述信號指令所述存儲裝置將由所述輸入裝置輸入的最小二乘系數(shù)存入所述存儲裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于，所述光纖探頭內(nèi)設(shè)有一個發(fā)射光纖束和多個接收光纖束，所述接收光纖束按一定的排列分布于發(fā)射光纖束的周圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述排列為一心單相形。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述排列為一心放射形。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述排列為一心連環(huán)形。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述排列為一心兩相形。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述光纖探頭中的發(fā)射光纖束、較粗光纖束和較細(xì)光纖束的直徑比為4∶2∶1。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述光纖探頭上加有玻璃層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于所述光源為激光二極管。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿濃度測控儀，其特征在于還包括調(diào)節(jié)裝置，用于根據(jù)信號處理單元輸出的紙漿濃度來調(diào)節(jié)紙漿的濃度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光光纖紙漿濃度測控儀,包括:光纖傳感器,包括光纖探頭、通過發(fā)射光纖與光纖探頭連接的光源和通過接收光纖與光纖探頭連接的探測器;信號處理單元,它接收、處理所述光纖傳感器的輸出信號,并根據(jù)預(yù)定的紙漿濃度和處理后的電信號的對應(yīng)關(guān)系求出待測紙漿濃度。該測控儀通過測量向后散射光強(qiáng)的大小來確定紙漿濃度,因此測量精度不受流速、溫度、壓力和紙漿中各種化學(xué)離子含量等因素的影響,而且結(jié)構(gòu)簡單、安裝和維修方便。
文檔編號D21F1/08GK1229157SQ991048
公開日1999年9月22日 申請日期1999年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月7日
發(fā)明者鄭志受, 陸國強(qiáng), 富乃成, 邵孝先 申請人:中國計量科學(xué)研究院