在线透气度仪在卷烟纸机上的应用分析

陈宏平

(牡丹江恒丰纸业股份有限公司，黑龙江牡丹江，157013)

透气度是卷烟纸最重要的性能指标之一。Permi是一种快速、可靠的在线透气度测试仪，具有测量管段小、测试气管压力损失小、测试稳定、校准简单等特点，可以连续测量，测量精度达到2 ms，可快速反映匀整机打浆精度和卷烟纸的等级变化等指标。但是由于Permi在线透气度仪在线测量卷烟纸透气度时易发生一些测量故障，因此，在实际测量时需要进行设备维护，以确保测量的准确性。本文结合在线测量实践，介绍了Permi在线该透气度仪的结构、原理及维护心得等。

1 Permi在线透气度仪系统硬件结构

图1为Permi在线透气度仪系统的硬件结构，主要由控制单元、测量头和气动单元构成。本文主要介绍2种硬件结构:控制单元和测量头。

1.1 控制单元

图2为控制单元核心元件的控制主板，其尺寸为400 mm×300 mm×200 mm，但柜门需要额外220 mm的深度，该单元主要包括电源连接、换辊信号、断纸信号和输出信号。

1.1.1 电源连接

透气度仪系统需要提供110－240 VAC，1 A 50/60 Hz交流电源和1根2.5 mm2保护地线。

1.1.2 断纸信号和换辊信号

断纸信号由纸机DCS系统提供，也可从现场断纸开关直接提供。断纸信号是检测纸机断纸时透气度仪触发一个测量头下降并自动清洗功能，当纸张接过去之后测量头上升并开始测量。换辊信号由纸机DCS提供或安装换辊按钮提供，只起到一个换辊显示作用。

1.1.3 输出信号

输出信号是透气度仪测量纸张透气度的信号，除了可以在本地控制单元显示以外，还可提供DCS系统显示。输出方式如图2所示，根据控制板上跳线输出4～20 mA或1～5 V、2～10 V共3种信号，出厂默认是4～20 mA信号。

1.2 测量头

图1 Permi在线透气度仪系统硬件结构

图2 Permi在线透气度仪控制单元

测量头安装在纸幅下面的纵向位置和纸机卷曲机的前侧，横向位置最好安装在离测量单元较近一侧，一般控制单元安装在纸机操作侧，测量单元安装在纸机传动侧。具体测量头位置要与下辊标样位置对应，这样才能保证测量点与实验室标定点对应。

测量头的面积根据测量介质的性能选择，包括真空密封环形区域和测量区域。在测量过程中，真空密封环形区域处于真空状态，保证运行的纸幅能紧贴在测量头上，防止测量头四周气体和测量区域气体泄漏造成测量误差。

1.2.1 测量头接地

虽然测量头没有电信号，但是纸张到卷曲位置时静电非常大，所以如图3所示在测量头上安装一根直径不小于6 mm2的铜质电缆，并将其接到纸机的地上，否则会影响测量精度。

1.2.2 测量头角度调整

在实际测量中要求测量头把纸幅顶起3～5 mm的距离，才能保证纸幅最大程度密封好测量头，不会使空气从测量头四周进入。

测量头的角度调整非常重要，测量头的测量平面必须和纸幅纵向运行平面保持平行，保证空气不能从测量头四周进入。调整方法是通过拧松测量头下面两个内侧的螺丝再松外侧的两个螺丝来调节角度。

图3 Permi在线透气度仪测量头

1.2.3 测量头升降速度调节

测量头升降速度是通过气动单元内执行气缸进出气调节阀进行调整。一般来讲最好是调成低速，才能保证纸幅的接触力度，降低故障率。

2 Permi在线透气度仪测量原理

图4为Permi在线透气度仪的测量原理，由图4可知，在线透气度仪大致分为测量回路、密封回路和排污回路。透气度仪的测量状态是在真空状态下进行，只有在清洗侧头、清洗管路和排污时才是在正压状态。所以在这2种状态下，必须清楚地了解每个测量元件和执行元件的动作状态，才能掌握在线透气度仪测量工作原理。

2.1 空气质量流量计

空气质量流量计是Permi在线透气度仪系统核心元件之一，采用的是AWM5101VN气体质量流量传感器，外壳为文丘里流量管形。最高流量可以测量5 L/min，工作电压是10±0.1 VDC，输出信号是满量程5 V。

2.2 比例调节阀

比例调节阀是日本SMC公司的复合控制阀系列，最大承受压力是 0.88 MPa，输出范围是0.05～0.88 MPa。每次进入调节状态都是从100%开度往下调节压力，而不是从0开度往上调节。控制方式是通过PID运算将测量压力调节到设定压力。

图4 Permi在线透气度仪测量原理

2.3 真空发生器

真空发生器是日本SMC公司生产的ZU07L型真空发生器，由喷嘴、接收室、混合室和扩散室组成。标准使用压力是0.45 MPa，最高使用压力不超过0.7 MPa，最高真空度可以达到48 kPa。

2.4 压力变送器

压力变送器是检测测量回路的真空压力，具体描述请参看4.1。

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2.5 电磁阀

Permi在线透气度仪使用的电磁阀都是SMC公司的电磁阀，除了测量回路和密封回路各有1个两位三通电磁阀以外，其余都是开关型电磁阀。

2.6 清洗/测量工作过程

Permi在线透气度仪在每次通电、纸机断头接纸后，或达到测量周期时间时，系统都会自动进行清洗。

2.6.1 清洗过程

达到测量周期时间时，测量头电磁阀a得电置位，测量头下降。同时测量电磁阀和电磁阀c失电复位，关闭测量回路。清洗/测量电磁阀、清洗电磁阀h和清洗电磁阀i得电置位，对密封回路和测量回路进行清洗。清洗是阶段性分次进行，通常分为3次。排污回路是排污阀和排水电磁阀得电置位进行排污或排水，每个周期排污1次。

2.6.2 测量过程

测量过程是在上述清洗过程结束后，相关清洗回路的电磁阀进入初始状态，下一轮测量周期开始。首先，电磁阀a失电复位，测量头上升进入测量状态。压力调节阀f和压力调节阀g调整到一个稳定状态(0.05 MPa)，清洗/测量电磁阀在失电状态，保证测量头密封回路进入密封状态。测量电磁阀得电置位，真空发生器开始工作，测量回路形成真空负压，压力变送器检测到测量回路实际真空压力，比例阀根据测量回路设定压力来调节实际测量真空压力，调整到设定值后控制单元开始采集测量回路的空气质量流量计信号，透气度仪开始进入测量状态。

3 Permi在线透气度仪标定

在实际应用中发现，如果更换空气质量流量计或进行系统标定，最好在取样模式下，标定出增益Gain和截距Offset参数后;再通过在线测量进行相应的增益和截距标定，标定曲线如图5所示。

取样标定由纸机生产的纸张透气度决定，牡丹江恒丰纸业股份有限公司 (以下简称“恒丰纸业”)16#纸机一般生产透气度为50～80 cu的纸张，可取50 cu、60 cu、70 cu、80 cu共4组纸样，每组样为5张纸。

图5 透气度仪标定示意图

通过控制单元进入标定参数设置选项，把增益Gain改为1，截距Offset改为0，将测量模式切换到取样标定模式。分别将4组纸样进行测量，每组的5张纸得到测量值后进行平均值计算，最后得到4个透气度测量值。在将这4组纸样送到实验室进行测量，同样得到4个透气度实验值。得到2组测量值和实验值后，根据二元一次方程进行增益和截距的计算。厂家提供了一个编好的Excel表格标定工具，只要将2组测量值和实验值分别输入表格中，就会自动给出当前纸种范围的增益Gain和截距Offset值。但是在实际应用中标定好Gain、Offset两个值后，进入在线测量状态还是有差值。在此，笔者结合实际情况，分4种状态对Gain、Offset两个参数进行在线修正。

3.1 测量值比实验值都高或都低

如图5(a)所示，在保证密封回路不存在漏气和密封压力正常的情况下，通过在线测量发现50～80 cu测量值均比实验值高，则这个取样标定是非常成功的。因为在取样标定的时候，纸样放在测量头上标定的状态和纸张在正常测量状态下是不一样的。在正常测量状态下，纸幅在纸机卷曲机的拉力比取样时拉力大，所以取样面积就小。根据透气度定义得到透气度在线测量值就会偏低。这时根据在线测值只对Offset参数进行增加修正。

如果在线测量发现50～80 cu测量值都比实验值低，则取样标定是不成功的。在取样标定时可能是测量管路、测量头或空气质量流量计有堵塞情况。

3.2 测量值比实验值前低后高或前高后低

如图5(b)所示，该测量值50～80 cu与实验值比较，其中50 cu与60 cu测量值与实验值相比越来越低，70 cu与80 cu测量值与实验值相比越来越高，该误差可能是系统误差或空气质量流量计性能引起的偏差，一般认为该标定结果也是成功的，只要在线测值对截距Offset参数相应增加，增益Gain参数相应减少即可。

如图5(c)所示，该测量值50～80 cu与实验值比较，其中50 cu与60 cu测量值与实验值相比越来越高，70 cu与80 cu测量值与实验值相比越来越低，处理方法与图5(b)方法一样，只是将截距Offset参数相应减少，增益Gain参数相应增加。

4 Permi在线透气度仪参数配置

将测量 (Measurement)开关拨到ON位置，按Enter键进入主菜单，如图6所示。Permi在线透气度仪的参数配置包括设置 (Settings)、校准 (Calibration)和退出 (Exit)3个部分。在此，重点介绍设置和校准参数。

图6 Permi在线透气度仪参数配置

4.1 设置

进入设置菜单后，其中1是平均流量/Flow average，包括流量计的平均流量 (默认是200)和流量计信号滤波系数 (默认是1，不滤波);2、3、4分别是Flow meter/流量计，根据现场选用流量计型号进行相应选择设置，该系统有3个测量输入通道，可以根据纸种透气度大小进行不同量程的测量。同时可以对每个通道在线测量设置真空“目标压力”(默认是1 kPa)和调节目标压力的较慢速/Very slow、慢速/Slow、快速/Fast、较快速/Very fast的控制方式选择 (默认是慢速/Slow);5是流量计选择应用/Use flow meter，这个参数只有选择了流量计类型以后才被应用;6是压力传感器/Use press sensor，是根据纸张性能进行压力传感器量程类型选择，包括类型1/Type1测量范围是0～ (－2.5)kPa(默认)和类型2/Type2测量范围是0～ (－20)kPa。同时可以对信号 (mA/V)方式进行修改选择;8是清洗/Clearing，是对测量头清洗频率 (默认200 s)和清洗时间(默认30 s)进行设置，该参数设置取决于纸张品种，若因为纸种导致测量头过脏的话，就要增加清洗频率延长清洗时间;9是输出/Outputs，是对输出信号进行设置，通常这个信号送到DCS系统中进行显示，可以设置mA或V信号输出，通道设置取决于控制箱内控制板上的跳线;10是输入/Inputs，它包括断纸信号 (默认是假)和换辊信号 (默认是数字输入18通道)。断纸信号作用是发生断纸时测量头下降并进行清洗，有纸时自动进行测量，但是不论在有纸或断纸模式都可以进入测试状态。还有断纸延时设置，有纸信号进来以后要延时一段时间进行测量，因为这个时候纸幅还没有平整展开。换辊信号就是换辊显示作用;15是系统显示/Display，包括内部显示/Use display(默认是真)和外部显示/Use ext display(默认是假)。内部显示主要是可以看出流量计的原始压力和流量状态。外部显示如果选择真，可以看到流量计模拟电压、压力传感器和压力调节阀状态。

4.2 标定

进入标定参数设置后，其中1、2、3、4、5、6分别是3个测量通道的线性测量曲线的增益/Gain(默认是1)和截距Offset(默认是0)参数。这2个参数都是通过透气度仪在线测量结果和实验室测量结果计算得到。7、8、9、10、11、12分别是3个测量通道最小和最大输出信号显示，最小输出信号是4 mA/1 V/2 V和20 mA/5 V/10 V。信号类型取决于控制板上的跳线。

5 Permi在线透气度仪测量中常见故障和维护

在恒丰纸业不同生产线机台应用中发现，安装在生产高透纸机台上透气度测量稳定性非常好，但是在透气度品种更换时测量值会与实际值出现不同测量差值。安装在卷烟纸机台上的在线透气度设备，不但测量值与不同透气度品种实际值存在偏差，更重要的是因为卷烟纸CaCO3含量大，造成在线透气度检测不准或根本就不能检测的故障现象［1-2］。

5.1 常见故障现象

在恒丰纸业16#纸机卷烟纸的生产中，造成透气度检测不准或根本不能检测的主要原因有:

(1)根据透气度测量原理，易将卷烟纸上的Ca-CO3吸入到在线透气度仪设备中，导致测量值偏低。

(2)透气度仪测量原件“流量计”工作时容易发生测量漂移或损坏。

(3)透气度仪测量回路压力调节比例阀，调节速度过慢或损坏。

(4)透气度仪测量回路和密封回路的过滤器密封常常发生漏气现象。

(5)透气度仪测量回路和密封回路的管路接头存在漏气现象，而且测量管颜色太深，看不到里面的状况，致使不容易判断测量故障。

(6)生产不同透气度卷烟纸时，测量值与实际值存在偏差。

5.2 维护经验

根据上述故障现象，分析总结可能发生故障的任何设备环节，并多次在现场结合实际情况进行测试。最终把透气度仪测量故障真正原因一一排除，同时制定相关维护方案。故障排除的具体方法:

(1)保证尽可能减少CaCO3进入测量系统中，在不影响测量精度情况下，将清洗次数由厂家设置每5 min清洗1次改到每3 min清洗1次，清洗时间由200 s改成300 s。通过增加清洗频次来减少CaCO3进入测量系统现象。

(2)流量计因结构特点，电极和过滤网上容易粘上 CaCO3。所以明确了流量计更换方法和清洗方法。

(3)压力调节比例阀是调节负压真空气体调节阀，在使用过程中压缩空气里不能含油或含水，所以必须保证压缩空气干净。

(4)密封和测量回路过滤器由于CaCO3较多，且都是在负压真空状态，经常因每次清洗安装造成密封不好，有时还发生虚假测量现象，所以须规定清洗周期和安装方法。

(5)密封和测量回路的管路出厂时都是Φ 6 mm和Φ 8 mm蓝色费斯托气源管，且气源管接头是快插式的。由于蓝色气源管不容易发现管路发生堵塞的位置，所以更换成无色气源管。并将快插式接头更换成卡扣式接头，以杜绝管路在负压真空状态时发生漏气现象。

［1］JIA Shen-wu.Application of Self-made Online Permeability Tester in the Production of Cigarette Paper［J］.China Pulp ＆ Paper，2012，31(8):70.

贾申武.自制在线透气度仪在卷烟纸生产中的应用［J］.中国造纸，2012，31(8):70.

［2］HUANG Cai-hua，ZHOU Jia-jun.Online Venting Application Degree Detector in High Speed Paper Machine［J］.Chinn Pulp ＆ Paper，2003，22(6):35.

黄才华，周家俊.在线透气度检测仪在高速纸机中的应用［J］.中国造纸，2003，22(6):35. CPP