一種大范圍高精度定量傳感器

胡連華 李新平 湯 偉

(陜西科技大學,陜西西安,710021)

一種大范圍高精度定量傳感器

胡連華 李新平 湯 偉

(陜西科技大學,陜西西安,710021)

針對某造紙廠 150～1500 g/m2紙板定量測量需求,設計了一種四量程大范圍高精度定量傳感器。通過采用進口關鍵器件、空調恒溫和溫度補償等技術,使其在 150～1500 g/m2定量范圍內均有較高的測量靈敏度和測量精度,達到了進口QCS定量傳感器的同等性能水平。

定量傳感器;定量測量;高精度;溫度補償

目前對于定量范圍 10～400 g/m2的紙和紙板,國內外均有成熟應用的定量傳感器,測量精度也能滿足生產質量控制的要求。但對于 150～1500 g/m2大范圍高定量的紙板,尚未有成熟的定量傳感器對其進行測量。本課題針對某造紙廠 150～1500 g/m2紙板測量設計了一種高精度定量傳感器,可以在較大定量范圍內取得良好的測量靈敏度和測量精度,達到了進口QCS定量傳感器的同等性能水平。

1 定量傳感器結構及測量原理

定量傳感器按其工作的結構形式可以分為反射式和穿透式,目前國內外定量傳感器多采用穿透式。其工作原理是利用放射源發出的射線穿透紙張,射線強度隨物質質量而衰減,穿透紙后的射線能量通過電離室來進行測量,經過電路處理后,與無紙時電路輸出信號對比即可計算出紙張定量。

放射源放出的β射線穿過紙張時,β射線衰減符合比爾定律,衰減后的β射線經電離室和放大電路轉化為電壓信號。選用文獻[1]中的計算公式：

圖1 穿透式傳感器工作示意圖

BW為紙張定量;BA0～BA3為計算系數;VBW、VBackground和VAir分別為在線掃描電壓、無射線電壓和空氣氣隙電壓。

2 定量傳感器的設計

對于定量范圍 150～1500 g/m2紙板的測量,既要考慮放射源具有足夠的能量,又要考慮傳感器對于不同定量范圍測量時均有較高的靈敏度,另外還要考慮傳感器在整個測量范圍內具有良好的穩定性。

2.1 放射源的選取

理論上,β射線、γ射線、X射線以及近紅外線等都能用于物質的定量測量。目前對紙張測厚有實用價值的定量測量放射源參數如表 1所示。

表1 放射源半衰期時間表

對于一般文化用紙,無論從靈敏度還是統計誤差考慮,以選取147Pm源為宜,若考慮到測量定量更高的紙板和使用年限,則應選取85Kr源。國內生產的放射源按能量可分為 100、200、300和 500毫居。國內外定量傳感器對于常規定量測量多采用300毫居以下的放射源,但 300豪居的放射源在測量定量為 1000 g/m2的紙板時,有效穿透紙張到達電離室的射線已經較少,對于后期制作靈敏度高、穩定性好的定量傳感器困難較大。對于最高定量達1500 g/m2的紙板,本次設計采用 500毫居85Kr的放射源。

2.2 定量范圍的劃分及解決方案

在國內外現有的定量傳感器中,均采用使全部的放射源產生的射線穿透紙張,經過電離室、放大電路與無紙時傳感器輸出信號對比計算出定量。但在 150～1500 g/m2的定量范圍內,如采用傳統方案,經放大器輸出后的信號靈敏度較低,對紙張的分辨力不夠,從而無法在如此大的范圍內進行精確測量。

本設計將 150～1500 g/m2測量范圍劃分為 4個小范圍,分別為 150～500 g/m2、500～800 g/m2、800～1050 g/m2和 1050～1500 g/m2,通過兩個中間為圓孔的鋼片將放射源能量分為 4級,使得通過圓孔后的射線能量分別適合于上述 4個范圍。即傳感器按照 4個不同的測量范圍設置 4個量程與之對應。針對不同范圍的紙張,選擇不同的鋼片插入組合。鋼片結構及傳感器工作原理如圖 2所示。

圖2 四量程定量傳感器工作原理及鋼片結構示意圖

2.3 射線能量捕捉及信號處理

穿透紙張后的射線能量是由電離室完成對其捕捉的,電離室的優劣在較大程度上影響了定量傳感器的測量精度、響應速度和穩定性。在本設計中采用了美國 LND電離室,這也是國外知名 QCS廠商在定量傳感器中所采用的電離室。

信號測量包括高壓電源、前置放大器、信號調整電路等。前置放大電路主要是放大器件的選擇,在傳統的國內的前置放大電路中為了達到放大倍數,通常采用兩級放大電路。兩級放大提高了信號的放大倍數,同時也增加了器件的數量,從而增加了溫度漂移對整個測量電路的影響。在本設計中,采用美國模擬器件公司的高精度儀表用放大器件AD624,具有低噪聲、高精度放大、溫度影響小和線性性能好的優點[2]。AD624電路原理如圖 3所示[2]。

改變反饋電阻 (RG)大小即可方便調節放大倍數,選用放大倍數為 500,實驗電壓輸出為 0～8 V。Uout=UinG,其中 G=500,RG=40k/(G-1)≈80Ω。

圖3 單級放大器電路

2.4 影響定量測量精度的因素及解決方案

穿透式傳感器實際測量的是放射源與電離室之間所包容空間內所有物質的質量。除了紙張外,還包括空氣柱的質量、灰塵的質量等。只有其他因素恒定時,射線的衰減才與定量成單值函數。但是,在傳感器工作過程中,上、下測量頭的對位與間距以及其間的空氣溫度發生變化,產生附加的射線衰減量變化,從而影響定量測量精度。在諸多的影響定量測量精度的因素中,機械精度以及溫度是主要影響因素。

有資料表明[3],定量傳感器在 x、y方向錯位±1 mm時,定量測量誤差為 0.5 g/m2,在 z向變化1 mm,定量變化量可達 5 g/m2。對于 x、y方向上的錯位以及 z向上的變化,主要由掃描架機械精度來保證,輔助以掃描架空態橫向補償的方法,能夠得到較為理想的解決。

溫度變化對于定量傳感器的測量影響是多方面的：①氣隙溫度變化會引起空氣密度變化,從而對定量測量帶來誤差。②放射源溫度變化,會引起射線強度的微弱變化。③電離室的溫度變化會引起射線的電離效果。④溫度變化會引起工作電路的溫漂。文獻 [4]表明,溫度變化 1℃,定量變化1 g/m2。對于溫度對定量測量的干擾,主要從兩個方面克服。首先,采用空調系統將定量傳感器工作的頭箱進行恒溫控制,使得放射源、電離室以及各種電路板在一個穩定的環境內工作,從而克服了上述②、③和④中溫度帶來的干擾;其次,在定量傳感器靠近氣隙的上下側安裝溫度傳感器,按溫度對定量進行補償,從而克服了氣隙溫度變化給定量測量帶來的干擾。

3 測試結果

3.1 傳感器工作特性測試

定量傳感器制作成功后,采用 60 g/m2的標準紙張進行測試,依次疊加到 1500 g/m2,得到曲線 1～曲線 4,對于 150～500 g/m2定量范圍內紙種采用曲線 1,通過曲線 1可以看出在 150～500 g/m2范圍內該曲線具有良好的靈敏度。500～800 g/m2范圍內紙種采用曲線 2,800～1050 g/m2采用曲線3,1050～1500 g/m2采用曲線 4,均可得到良好的靈敏度。

圖4 定量傳感器 4個量程工作特性曲線

3.2 傳感器性能對比

本設計的定量傳感器制作成功后,與國外某知名QCS廠商的定量傳感器進行了性能對比,結果見表 2所列。

表2 定量傳感器性能指標對比

由表 2可以看出,本設計傳感器可重復性、靜態精度和動態精度指標均達到了國外知名廠商傳感器的同等水平。

4 結 論

通過采用進口電離室、高精度放大器、空調恒溫、溫度補償和量程劃分等一系列新技術,本課題所設計的定量傳感器對 150～1500 g/m2大范圍的定量測量具有良好的靈敏度和精度,在一定程度上填補了國內在大范圍、高精度定量測量儀的空白,其性能指標到達進口 QCS系統定量傳感器同等水平。該定量傳感器通過不同的量程選擇,可以在更為寬廣定量范圍的紙張測量場合使用,具有良好的推廣前景和應用價值。

[1] 湯 偉,王孟效,陳玉鐘.一種進口 QCS的改造實現 [J].中國造紙,2004,23(7)：27.

[2] 美國模擬器件公司 .AD624器件手冊[S].

[3] 梁 澤,周晉安,楊昆霞.定量-水分儀安裝誤差及現場環境對其測量精度的影響[J].中華紙業,1998(2)：56.

[4] 孫 瑜,周 強,王孟效.國產定量儀溫漂問題的研究與改進[J].中華紙業,2003(9)：29.

[5] 王孟效.進口B/M設計改造 (I)[J].陜西科技大學學報,2004(2)：66.

[6] 胡連華,劉之紅,鄭恩讓.應用新型 PLC改造進口 QCS系統[J].中國造紙,2006,25(4)：66.

(責任編輯：趙旸宇)

A Ki nd of BW Sensor withW ide Range and High Accuracy

HU Lian-hua＊LI Xin-ping TANGWei
(Shaanxi University of Science and Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)
(＊ E-mail：hulianhua@126.com)

A kind ofBW sensorwith four ranges and high accuracy for the measurementof basisweight from 150 g/m2to 1500 g/m2in a paperboard mill was designed.By using import key components and air conditioning thermostat and temperature compensation technology,the sensor has high sensitivity and accuracy during measuring the whole range of basis weight.Its performance is as well as the BW sensor of the import QCS.And there is a good prospect to popularize its application.

BW sensor;wide range;high accuracy

TP273

B

0254-508X(2011)02-0046-03

胡連華先生,講師,在讀博士研究生;主要研究方向：制漿造紙過程測量與智能控制。

2010-09-10

本課題得到陜西科技大學自然科學基金 (No.ZX07-01)資助。