BTG浓度传感器与常用浓度传感器的分析与比较

刘桂德

（辽宁兴启电工材料有限责任公司，　辽宁　辽阳　111000）

BTG浓度传感器与常用浓度传感器的分析与比较

刘桂德

（辽宁兴启电工材料有限责任公司，辽宁辽阳111000）

浓度的测量对造纸抄造非常重要，尤其是高速纸机。如果浓度产生波动将会给产品带来致命的缺陷。从生产工艺角度详细地叙述了BTG浓度传感器对比普通浓度传感器使用中的优缺点；同时也分析了其他传感器的使用方法（例如像静态剪切力法、原子法以及微波方法测量浓度的传感器）。

浓度灵敏度传感器取样量线性度浆种

0　前 言

目前纸浆浓度传感器的检测方法主要有力学法、光学法、电容法、同位素密度法、超声波法等等。工程应用上主要以力学法为主。力学法又可分为外旋式、内旋式、静刀式和动刀式。这其中又以内旋式的性能最优，但其结构复杂、造价高，不易推广。就瑞典BTG内旋式MEK系列、动刀式MBT系列、反射光学式QCT三种浓度传感器从性能而言是最难掌握的，有关专业人员也没能正确地去认识该产品。这就是为什么内旋式和其他型式浓度传感器不能应用的原因。事实上，可以在相同的运行费用下安装以上这三种变送器。就旋转浓度变送器而言，总体来说在理论和实际上可获得相同的运行效果。这是因为通常浓度变送器的安装、测量的条件是连续变化的，所给出的浓度传感器参数表中的数据值是在模拟生产实际中的浆料种类和流送条件下在试验室来完成的。实践证明在上述条件下三种浓度传感器的运行性能要优于试验室的模拟运行性能。因此试验室的数据表是可信赖的，而其他设计者并非是这样，他们往往是忽略了适用的浆料和实际的流送工况，导致失败或者得出错误的结论。

1 被测浆料取样量

最常见的浓度测量方法有旋转剪切力法、固定/移动刀式剪切力法、光反射或传导式，见图1。

图1　被测量浆料在测量室内体积比例

MEK旋转浓度传感器通常安装一个带有恒定流量的传感螺旋桨。这就使得传感器对流量的变化不敏感，但保证了在较大抽样体积下也能测量大约平均流量的20%～90%（还取决于管径、浓度等）。在测量前这个导桨也能提供浆料混合，如果传感器的变送元件被离线安装还可以保护外部元件免遭浆料的腐蚀。在大于5%的较高浓度下，若不使用导桨而传感器安装在主流体中，由于浆料的低湍动流速的变化一般会引起很小的信号改变。普通和旋转浓度传感器的传感元件是安装在管道中间的，在任何浓度下不能保证测量精度，结果导致流速范围窄。利用定刀式浓度变送器直接受流量的干扰，而BTG的移动刀式浓度传感器是利用一块导流片来保护传感器。上述两类型传感器测量体积较小，占总流量的2%～10%，与旋转型浓度传感器相比易受周围区间浆料的流速和湍动的影响比较明显。因此推荐直管段长度要比旋转式传感器直管段长度要长6～10倍。在此种浓度传感器中，传感器本身不参与浆料的辅助混合，但是他们有存在测量误差的可能。

光学式浓度传感器是利用光学传导元件测量 ，普遍安装在旁路管上。在这种情况下流过旁路管的体积比主管道中的体积小，但浓度变送器需要测量的管路中大部分浆料流体的抽样体积，这里关键是得到有代表性的浆料通过旁路管。由于输送和堵塞管路的原因，原则上光学式浓度传感器是受最大浓度的限制。

利用光学反射式浓调传感器（例如Opticon）测量主管中浓度，而它发出的光波射入浆中只是很短一段距离，从而导致光学式浓度传感器有较小的抽样体积（小于1%）。在上述的两种光学式的浓度测量方法中没有一种参与浆料的辅助混合［1-3］。

2 浓度传感器对浆速的敏感性

不同型号的浓度传感器的灵敏度对浆速的变化或多或少受到一些影响［4-6］。要求特殊安装的浓度传感器灵敏度取决于多种因素，主要有：

（1）使用的传感器型号。旋转式、定刀式、移动刀式、光反射式或光导式等。

（2）安装条件。安装管径，泵或管弯头后的直管段长度，控制阀水平/垂直或倾斜安装等。

（3）浓度。何种浓度？测量量程？

（4）浆的纤维种类。长/中/短纤维？是否絮聚（主要对光学传感器而言）。

（5）流速。浆流速变化多大，哪种流速范围（低、高，他们的状态如何）。

鉴于上述这些因素，不难理解：安装时不能直接与其他类型传感器调换——因此测量结果的改变很明显是由使用过程中的其他条件造成的。曾经有人做过一次试验，条件是按照安装手册准确地来完成，为了得到有代表性的数据，所有变化的因素尽可能的保持稳态。使用2台BTG的浓度传感器和2台普通定刀式浓度传感器，被测试浓度传感器如下：

（1）装有B型标准传感元件的MEK型。在测量室内装有较大的导桨，连接改进型150 mm的传感器，尺寸与常用的传感器相似，使用焊接双头螺栓连接（300 mm或更大的管道）。

（2）MBT型带有L型的标准传感器，标准行程电流750 mA。

（3）普通A型带有定刀标准型式浓度传感器和标准电信号输出。

（4）普通B型带有定刀标准型浓度传感器和气压输出信号（其他的制造者可参照普通A型）。

使用三种不同的浆料作试验：化学热磨机械浆、磨木浆与硫酸盐木浆。仅以化学热磨机械浆（其有很高的剪切力）和磨木浆（具有很小的剪切力）为极端例子来讨论。在这方面，磨木浆是一种比较典型的混合回收材木浆。硫酸盐木浆介于两者之间。曲线说明了在不同浓度范围内的输出信号：化学热磨机浆在0.9%～4.2%，磨木浆在1.1%～4.8%之间。浆流速变化范围：在150 mm管径中，不同的传感器输出的信号值换算成显示实际浓度标准误差值（这个值是实验室测得的）。为测试传感器，把流速定在了如下范围，见表1。

表1　浆速变化范围表1 ft=0.3048 m

为了使浆流速控制在推荐的流速范围内，实际中经常按传感器要求使用适应上述流速范围且必不可少的一段上升管路，仅允许低于最大流速。图2、图3、图4、图5当中的曲线关系证明当管径不大时，是足以满足测试其他型号浓度传感器，而实际运行流速要优于推荐的流速，见图2。

图2　改变化学热磨机械浆的流速，刀式传感器浓度、绝对误差与流速关系曲线图

图3　是不同流速下的化学热磨机械浆，光反射式、MEK浓度绝缘误差曲线图

图4　相对应图2为机械磨木浆浓度误差、浆流速曲线图

图2是用长纤维化学热磨机械浆利用刀型传感器做的试验。对于各种浓度曲线趋向是相同的。普通B型显示负误差而普通A型显示为正误差。普通B型在很窄的流速范围内，对应的浓度误差较小，相对浓度的灵敏度较高，而在这个流速范围外误差迅速增大。普通A型有较宽的流速范围，然而在这个范围之内有较大的误差。在被测的刀式传感器中，MBT的响应性最好。它的特点是相对于普通型更适用于低浓和较短的纤维，建议在最低浓度（0.9%，1.1%和1.8%）范围内，不要使用任何型号的刀式传感器，这是因为在限定的流速范围内是不增加传感器的灵敏度，实际上A型传感器这时的测量状态类似一台流量计，类似这种情况是不能安装刀式传感器的。MBT被设计成能安装不同的传感器，这种设计完全可以满足各种条件下的浓度测量。

图3表示了MEK和光反射式传感器的绝对误差曲线。这些传感器经测试有较高的灵敏度，在低浓度区间也得到了同样结论。MEK及光反射式传感器实践证明：在任何条件下不必考虑对流速的敏感性。但最大浓度4.2%下，光反射式传感器对流速有明显的灵敏度。根据现场报告，普通型光反式传感器具有相似的测量规律，而大多数的光反射式传感器功能是允许在测量点上对流速的敏感性。这是因为这些传感器使用可见光工作，可见光波在浆中传输的距离不如红外线传输的距离长，而红外线则不同。其他因素影响流速敏感性是光反射式传感器的设计和浆的絮聚趋势。

图4说明刀式传感器在短纤维磨木浆上的应用，从图4不难看出与图2有相同的变化倾向。

MEK和光反射式在磨木浆中应用，见图5

图5　是与图3相对应的机械磨木浆浓度与流速关系曲线图

图5中曲线同样证明了与图3有相同的变化趋势。改变流速传感器在不同的浆料浓度下的灵敏度排列如下：

（1）MEK最好。

（2）光反射式一般。重要的是正确的安装，尤其在高浓情况下。

（3）MBT一般情况下使用较好，注意直管段距离。

（4）普通A型应用于长纤维令人比较满意，而应用于短纤维测量效果不好。

（5）普通B型在严格限制的流速范围之内，性能相对较好，超出这个范围就有较大的误差［4-6］。

3　浆料种类的变化对传感器灵敏度和线性度的影响

图6　刀式传感器对不同浆种的灵敏度曲线图

理想的浓度传感器从低浓到高浓有很宽的操作范围，信号曲线是直线并只对纤维浓度敏感，浆中的空气和pH值的变化等均对测量没有影响。在某些浆池纸浆中含有一定的填料，而在其他位置中没有。实际上是纯纤维对传感器和性能起着很大的影响。利用当今现代技术，用一种型号传感器来测量纸浆实际上是不可能满足所有的要求，必须采取一种折中的方案，但也不能不考虑制造者的损失。在以前的测试方法中这些变化因素也已经估计到一些［7-9］。图6是刀式传感器对不同浆种的灵敏度。图6显示了刀式传感器的特性曲线，从曲线上看出所有刀式传感器都是非线性的，然而当传感器在控制条件下使用时，传感器的量程并不是很大（1%～2%）。测量范围越大曲线的非线性就越差。当今，现代化的过程控制系统已经给出了一个校准的测量范围，包括所有的浓度值，并用绝对值来表示，不必担心在校准的测量范围内给出非线性的可能，即在正常的浓度下显示的是正确浓度值，而并不是取决于浓度或输出信号曲线的线性度，输出仅在测量量程的端点有误差，而对于传感器要求有较好的线性信号，那么它的输出就按一定比例输出。BTG的新型智能或高灵敏型传感器的输出信号是自动线性化的，所以实际上它比老式模拟型传感器精度更高。可以看出所有刀式传感器在浆种类改变情况下输出相对信号差较大，在输出信号值60%时，浆料种类从高交织强度到低交织强度的磨木浆，实际浓度误差对于普通B型传感器是0.8%，对于普通A型传感器是0.9%，而对于MBT是1.1%。

BTG全智能或高灵敏型传感器有四种分别被校准的测量范围，经过不同浆种的在线测量，已经改善了它的测量精度。所有刀式传感器有一个浓度范围值，在浓度数据表中已标明（标准型）：

普通A型：1.5%～8%

普通B型：1.75%～6%

MBT：1.5%～8%

MEK：1%～10%

光反射式：0.5%～7%

通常建议刀式传感器避免在浓度低于2%，MEK为1%下使用。此时的信噪比会较低。一般情况下MEK的信噪比刀式要高，同时也要注意在理想的校准浓度范围内也不要太接近传感器规定的最小浓度值。

图7测定的是MEK和光反射式传感器相对不同浆种类的灵敏度。可以看出MEK有一段窄的非线性区，对于浆种的变化误差较小，尤其是在硫酸盐浆与磨木浆之间，而且在低浓度区有一个最小的输出值。光反射式通常线性很好，但在最高浓度区输出信号将达到饱和测量曲线下降，将取决于所使用的浆种类。硫酸盐浆在高浓度值下，非线性将增加；在较低浓度下，对于机械浆非线性将增加。作为误差较小的MEK则适用于不同浆料种类中，例如混合纤维或者改变纤维的打浆度，MEK型传感器的测量精度仍然较高。

光反射式传感器并不是不灵敏，甚至在低浓下灵敏度很平稳，但是要避免管型反射的干扰。

图7　光反射式与MEK对于不同浆种的灵敏度图

不推荐在达到0.2%～0.3%浓度以下使用。多数光学型浓度传感器（光反射式）最大缺点是在浆种变化或混合浆情况下，测量误差较大，（或在其他经常改变浆种类状态下）。一般来讲，浆种类的变化所产生的误差，光学式传感器比旋转式传感器大4倍，为刀式传感器的2倍。

图8　不同浆种用MEK和光反式传感器浓度输出误差曲线

图8给出了磨木浆与硫酸盐针叶木浆在典型浓度范围内的测量结果的比较。如图8MEK实际浓度误差是0.35%，即相对误差是11.7%（实际传感器的两段测量区间已分别被校准）；对于光学传感器的浓度绝对误差是2.1%，实际上233%，计算结果是错误的。在这种情况下输出信号是不能用的，除非在两个测量区间被标定好。像类似的打浆度变化也会产生同样的错误结果。

图9使用光反射式浓度传感器在不同的浆种下的输出信号-浓度曲线图。

图9　用光反射式传感器测量不同浆种的不同输出信号图

4　结束语

除了上述提到的因素影响外，还有许多变化因素影响到传感器的精度，主要因素见表2。

表2　浆料影响传感器精度表

（1） 打浆度。变化直接影响传感器的输出信号，就像浆种改变一样，即对光反射式传感器影响最大，而对旋转传感器影响最小；光学传感器的信号输出是随着打浆度的增加而增加；旋转剪力传感器作用则相反。利用MEK测量浓度时，硫酸盐原浆的打浆度是15oSR，在低于25oSR时，就发现传感器输出信号变化最大，大约在打浆度高于300oSR时输出信号趋于稳定。

（2）颜色。仅对光学传感器有影响，光源是重要因素，光反射式传感器安装有一个红外线发光二极管，比普通传感器使用普通光源大大降低了干扰。利用可见光的传感器，浆的颜色也是一个重要因素，例如蓝色将在很大程度上降低在可见光工作下传感器的测量精度。

（3）白度。也影响光学传感器测量结果。这种影响并不是绝对的，而在这里就白度的干扰我们发现在多数情况与颜色影响相同。

（4）填料量。主要影响光学传感器精度。填料量增加，光学传感器输出信号迅速增强。二氧化钛比高岭土影响更大，当浆中含有填料时，建议使用BTG生产的一种低浓传感器——SSA。他可以分别测量纤维浓度、填料量、纤维长度，它的精度更高。旋转剪切力传感器当填料量增加时，输出信号稍微有点降低，一般这种情况可以忽略。但是必须把灰分和纤维、填料量分开，常规化验室测得的浓度会产生误差，因为测试结果包括填料在内，而使用该型传感器测量的只是一小部分纤维。使用剪切力传感器测量总浓度是不合适的，原因是忽略了填料或稀释水量，另一方面又过高地相信标准型式光学传感器，在这方面BTG SSA型传感器是一典型的测量方式。

（5）改变稀释水量时，（主要目的是用白水稀释）对于光学传感器是一个难点。这些传感器对稀释水量的灵敏性比对纤维灵敏，因为光学传感器测量的是浆中所有粒子的表面尺寸，白水稀释量很大，光学传感器在某些条件下会发生输出信号增强，然而由于增加了稀释水量反而浓度却降低了。在正常条件下，剪切力传感器对稀释水不敏感，只是对纤维敏感。

（6）温度。对剪切力传感器以及光学传感器都有影响。温度提高，剪切力传感器输出信号下降，这种因素可以忽略，因为温度通常是相对稳定的，温度变化＞10℃时，MEK被自动效正。其他测量方法像原子或微波受温度影响比前述方法要大得多，这类传感器在很大程度上是依赖于温度补偿来工作的。

（7）黑液量。对光学、原子和微波传感器影响很大。这些传感器只能用于洗后纸浆，对于光学传感器，当黑液增大时，输出信号也增加直到达到某一定值，信号饱和时，测得的浓度不再是纸浆浓度而是黑液量值。

（8）pH值。提高pH值，对剪切力传感器来讲输出信号几乎不增加，这是普遍存在的一种无关紧要的误差。通常pH值是不变的，当纤维性质改变——增加pH值即纤维润胀，例如纤维尺寸增加而传感器输出信号降低。通过改变纸浆的pH值或导电性对微波传感器影响很大，在某种程度这种影响是可以补偿的。

（9）卡伯值。有时影响所有测量方法。当纸浆的卡伯值变化时，对传感器影响程度目前不清楚。

（10）空气含量。纸浆中的空气含量对原子和微波传感器的精度影响很大，对剪切力传感器影响可以不考虑。空气存在于纤维中是以小气泡形式溶解在纸浆中，气泡的大小主要取决于压力，对原子或微波传感器来说，改变流速导致压力变化，从而直接影响测量结果。通过增加管道压力可以减小气泡的大小。这种方法往往可避免增加很高的费用，但提高管道压力，能量消耗也增大，同时还需要1台较大的浆泵。

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Analysis and comparison of BTG consistency transmitter with the usual consistency transmitter

LIU Guide
（Liaoning Xingqi Electric Materials Co.，Ltd.， Liaoyang Liaoning，111000）

Abstrcat： Measurement of the concentration of paper pulp is very important， especially in the high speed paper machine， if the concentration of volatility will bring fatal defect to the product， this paper from the angle of the production process in detail describes the BTG concentration sensor in comparison with ordinary concentration sensor used in the advantages and disadvantages， and also analyzed the other sensors using methods such as static shear force method， atomic method and microwave method of concentration measurement sensor.

consistency；sensitivity；tranmitter；samping；linearity；differnet pulp qualities.