一种大范围高精度定量传感器

胡连华 李新平 汤 伟

(陕西科技大学,陕西西安,710021)

一种大范围高精度定量传感器

胡连华 李新平 汤 伟

(陕西科技大学,陕西西安,710021)

针对某造纸厂 150～1500 g/m2纸板定量测量需求,设计了一种四量程大范围高精度定量传感器。通过采用进口关键器件、空调恒温和温度补偿等技术,使其在 150～1500 g/m2定量范围内均有较高的测量灵敏度和测量精度,达到了进口QCS定量传感器的同等性能水平。

定量传感器;定量测量;高精度;温度补偿

目前对于定量范围 10～400 g/m2的纸和纸板,国内外均有成熟应用的定量传感器,测量精度也能满足生产质量控制的要求。但对于 150～1500 g/m2大范围高定量的纸板,尚未有成熟的定量传感器对其进行测量。本课题针对某造纸厂 150～1500 g/m2纸板测量设计了一种高精度定量传感器,可以在较大定量范围内取得良好的测量灵敏度和测量精度,达到了进口QCS定量传感器的同等性能水平。

1 定量传感器结构及测量原理

定量传感器按其工作的结构形式可以分为反射式和穿透式,目前国内外定量传感器多采用穿透式。其工作原理是利用放射源发出的射线穿透纸张,射线强度随物质质量而衰减,穿透纸后的射线能量通过电离室来进行测量,经过电路处理后,与无纸时电路输出信号对比即可计算出纸张定量。

放射源放出的β射线穿过纸张时,β射线衰减符合比尔定律,衰减后的β射线经电离室和放大电路转化为电压信号。选用文献[1]中的计算公式：

图1 穿透式传感器工作示意图

BW为纸张定量;BA0～BA3为计算系数;VBW、VBackground和VAir分别为在线扫描电压、无射线电压和空气气隙电压。

2 定量传感器的设计

对于定量范围 150～1500 g/m2纸板的测量,既要考虑放射源具有足够的能量,又要考虑传感器对于不同定量范围测量时均有较高的灵敏度,另外还要考虑传感器在整个测量范围内具有良好的稳定性。

2.1 放射源的选取

理论上,β射线、γ射线、X射线以及近红外线等都能用于物质的定量测量。目前对纸张测厚有实用价值的定量测量放射源参数如表 1所示。

表1 放射源半衰期时间表

对于一般文化用纸,无论从灵敏度还是统计误差考虑,以选取147Pm源为宜,若考虑到测量定量更高的纸板和使用年限,则应选取85Kr源。国内生产的放射源按能量可分为 100、200、300和 500毫居。国内外定量传感器对于常规定量测量多采用300毫居以下的放射源,但 300豪居的放射源在测量定量为 1000 g/m2的纸板时,有效穿透纸张到达电离室的射线已经较少,对于后期制作灵敏度高、稳定性好的定量传感器困难较大。对于最高定量达1500 g/m2的纸板,本次设计采用 500毫居85Kr的放射源。

2.2 定量范围的划分及解决方案

在国内外现有的定量传感器中,均采用使全部的放射源产生的射线穿透纸张,经过电离室、放大电路与无纸时传感器输出信号对比计算出定量。但在 150～1500 g/m2的定量范围内,如采用传统方案,经放大器输出后的信号灵敏度较低,对纸张的分辨力不够,从而无法在如此大的范围内进行精确测量。

本设计将 150～1500 g/m2测量范围划分为 4个小范围,分别为 150～500 g/m2、500～800 g/m2、800～1050 g/m2和 1050～1500 g/m2,通过两个中间为圆孔的钢片将放射源能量分为 4级,使得通过圆孔后的射线能量分别适合于上述 4个范围。即传感器按照 4个不同的测量范围设置 4个量程与之对应。针对不同范围的纸张,选择不同的钢片插入组合。钢片结构及传感器工作原理如图 2所示。

图2 四量程定量传感器工作原理及钢片结构示意图

2.3 射线能量捕捉及信号处理

穿透纸张后的射线能量是由电离室完成对其捕捉的,电离室的优劣在较大程度上影响了定量传感器的测量精度、响应速度和稳定性。在本设计中采用了美国 LND电离室,这也是国外知名 QCS厂商在定量传感器中所采用的电离室。

信号测量包括高压电源、前置放大器、信号调整电路等。前置放大电路主要是放大器件的选择,在传统的国内的前置放大电路中为了达到放大倍数,通常采用两级放大电路。两级放大提高了信号的放大倍数,同时也增加了器件的数量,从而增加了温度漂移对整个测量电路的影响。在本设计中,采用美国模拟器件公司的高精度仪表用放大器件AD624,具有低噪声、高精度放大、温度影响小和线性性能好的优点[2]。AD624电路原理如图 3所示[2]。

改变反馈电阻 (RG)大小即可方便调节放大倍数,选用放大倍数为 500,实验电压输出为 0～8 V。Uout=UinG,其中 G=500,RG=40k/(G-1)≈80Ω。

图3 单级放大器电路

2.4 影响定量测量精度的因素及解决方案

穿透式传感器实际测量的是放射源与电离室之间所包容空间内所有物质的质量。除了纸张外,还包括空气柱的质量、灰尘的质量等。只有其他因素恒定时,射线的衰减才与定量成单值函数。但是,在传感器工作过程中,上、下测量头的对位与间距以及其间的空气温度发生变化,产生附加的射线衰减量变化,从而影响定量测量精度。在诸多的影响定量测量精度的因素中,机械精度以及温度是主要影响因素。

有资料表明[3],定量传感器在 x、y方向错位±1 mm时,定量测量误差为 0.5 g/m2,在 z向变化1 mm,定量变化量可达 5 g/m2。对于 x、y方向上的错位以及 z向上的变化,主要由扫描架机械精度来保证,辅助以扫描架空态横向补偿的方法,能够得到较为理想的解决。

温度变化对于定量传感器的测量影响是多方面的：①气隙温度变化会引起空气密度变化,从而对定量测量带来误差。②放射源温度变化,会引起射线强度的微弱变化。③电离室的温度变化会引起射线的电离效果。④温度变化会引起工作电路的温漂。文献 [4]表明,温度变化 1℃,定量变化1 g/m2。对于温度对定量测量的干扰,主要从两个方面克服。首先,采用空调系统将定量传感器工作的头箱进行恒温控制,使得放射源、电离室以及各种电路板在一个稳定的环境内工作,从而克服了上述②、③和④中温度带来的干扰;其次,在定量传感器靠近气隙的上下侧安装温度传感器,按温度对定量进行补偿,从而克服了气隙温度变化给定量测量带来的干扰。

3 测试结果

3.1 传感器工作特性测试

定量传感器制作成功后,采用 60 g/m2的标准纸张进行测试,依次叠加到 1500 g/m2,得到曲线 1～曲线 4,对于 150～500 g/m2定量范围内纸种采用曲线 1,通过曲线 1可以看出在 150～500 g/m2范围内该曲线具有良好的灵敏度。500～800 g/m2范围内纸种采用曲线 2,800～1050 g/m2采用曲线3,1050～1500 g/m2采用曲线 4,均可得到良好的灵敏度。

图4 定量传感器 4个量程工作特性曲线

3.2 传感器性能对比

本设计的定量传感器制作成功后,与国外某知名QCS厂商的定量传感器进行了性能对比,结果见表 2所列。

表2 定量传感器性能指标对比

由表 2可以看出,本设计传感器可重复性、静态精度和动态精度指标均达到了国外知名厂商传感器的同等水平。

4 结 论

通过采用进口电离室、高精度放大器、空调恒温、温度补偿和量程划分等一系列新技术,本课题所设计的定量传感器对 150～1500 g/m2大范围的定量测量具有良好的灵敏度和精度,在一定程度上填补了国内在大范围、高精度定量测量仪的空白,其性能指标到达进口 QCS系统定量传感器同等水平。该定量传感器通过不同的量程选择,可以在更为宽广定量范围的纸张测量场合使用,具有良好的推广前景和应用价值。

[1] 汤 伟,王孟效,陈玉钟.一种进口 QCS的改造实现 [J].中国造纸,2004,23(7)：27.

[2] 美国模拟器件公司 .AD624器件手册[S].

[3] 梁 泽,周晋安,杨昆霞.定量-水分仪安装误差及现场环境对其测量精度的影响[J].中华纸业,1998(2)：56.

[4] 孙 瑜,周 强,王孟效.国产定量仪温漂问题的研究与改进[J].中华纸业,2003(9)：29.

[5] 王孟效.进口B/M设计改造 (I)[J].陕西科技大学学报,2004(2)：66.

[6] 胡连华,刘之红,郑恩让.应用新型 PLC改造进口 QCS系统[J].中国造纸,2006,25(4)：66.

(责任编辑：赵旸宇)

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

胡连华先生,讲师,在读博士研究生;主要研究方向：制浆造纸过程测量与智能控制。

2010-09-10

本课题得到陕西科技大学自然科学基金 (No.ZX07-01)资助。