赵光磊 李 威 乌日娜 何北海

（华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640）

在纸机白水封闭的情况下，为了使纸机湿部助留系统保持良好的助留效果，提高产品质量，对助留系统的絮凝机理和絮凝行为进行研究尤为重要，也得到了广泛关注。近年来，由透光脉动原理发展起来的光散射颗粒分析仪（Photometric Dispersion Analyzer，PDA）因具有对絮凝现象的研究动态、直观且适合浓度较高的体系等优点，在絮凝现象研究中得到广泛应用。然而，受传感器结构的限制，目前商品化的PDA系统不适合用来研究造纸湿部的絮凝现象［1-2］。基于上述现状，本研究探讨了应用于PDA技术的透光脉动原理，采用虚拟仪器的研发理念设计并制备了一套可用于湿部系统填料絮凝情况在线检测的分析系统，并采用MalvernMS2000对絮凝分析系统输出信号R值与被测絮团实际大小之间的相关性进行了探讨。

1 絮凝分析系统的设计原理

透光脉动原理由Gregory和Nelson等首次提出［3］。研究发现，悬浊液透光率脉动值与悬浊颗粒粒径有关，在对两者相关性进行深入探讨后，提出了透光脉动理论：当流动的悬浊液连续通过光路时，光路内的颗粒数量随机变化并服从泊松分布，故透光强度亦随机波动，如图1所示。经理论推导，可以得到一组由单一粒径组成的悬浊液透光率脉动值，也就是从脉动里解出的交流信号（脉动电压的均方根）和直流信号（透光强度的平均电压）的比值与颗粒半径（水力半径）和颗粒个数浓度的关系式［3］见式（1）：

式（1）中：Vr为脉动电压的均方根；Vd为透光强度的平均电压；N为颗粒个数浓度；A为光束横截面积；L为光路长；a为颗粒半径；Q（a）为颗粒光散射系数。

图1 透光脉动原理示意图

该理论为悬浊颗粒粒径的测量提供了一个良好的方法，并促使新型粒径检测传感器PDA的产生。该原理目前主要用于水处理方面的研究。

式（1）中的Vr/Vd通常用R来表示，由式（1）可知，R值的大小与颗粒粒径存在相关性，且大小不受管壁污染及电子元器件零点漂移的影响，因此，本研究絮凝分析系统定义R值为输出的絮凝指数。

在测定条件给定的情况下，入射光束的横截面积A和光路长L都是常数，这时R值只与颗粒个数浓度的平方根N1/2及颗粒半径有关；当只有颗粒个数浓度改变时，R值跟颗粒个数浓度的平方根成线性关系；但当颗粒个数浓度较大时，由于多重散射的原因，上述关系不成立。R值与颗粒半径的平方成正比，发生絮凝时，由颗粒半径（也就是絮团半径）造成的R值的变化比由颗粒个数浓度的改变要显著的多，因此，可以用R值来表征絮团大小的变化。一般来说，絮团半径都是成一定分布的，经进一步推导得出了单一粒径和呈f（a）分布的颗粒半径表达式［3］（见式（2））：

单一粒径：

呈f（a）分布粒径：

式中，φ为悬浮液的体积浓度。式（1）～式（3）都表明，R值与颗粒半径a存在一定的相关性，R值可以反映被测絮团的大小和变化，具体的对应关系可根据实际情况通过粒径分析仪进行校正。

2 絮凝分析系统的主要组成部分及其制备

本研究所开发的絮凝分析系统主要由以下几部分组成：光学絮凝传感器、流送系统、数据采集、处理及显示系统和模拟剪切系统。

2.1 光学絮凝传感器的制备

光学絮凝传感器主要包括光学流动池、光源和光电探测器等部分，结构如图2所示。

图2 光学絮凝传感器结构示意图

光学流动池采用直径4mm的光学玻璃管，流动池嵌在正方体状黑色工程塑料中。黑色工程塑料对流动池可起到良好的保护作用，并且能最大限度地防止背景光的干扰。此外，从机械加工和材料强度方面考虑，选用光学玻璃管比较合适。

光源采用特定波长的激光二极管，具有发光强度大、穿透力强的特点，适用于浓度较高的填料悬浊液系统［4］。激光二极管属于电流驱动型热功耗器件，当激光二极管PN结的通过电流超过阈值时，会产生激光；当驱动电流恒定且长时间应用造成温度升高时，激光二极管的输出光功率下降，其阈值电流也会提高［5］，所以有必要设计激光二极管光强稳定电路，使输出光强稳定。采用光强稳定电路后，经连续4h的开机测试，激光二极管的光强度保持稳定，满足测试要求。光强稳定电路原理如图3所示。

图3 光强稳定电路原理图

图4 OP301内部结构示意图

目前，常用的光探测器多为内光电效应型，它利用半导体的内光电效应将光能信号转换成电信号，具有体积小、灵敏度高、易于集成化的特点。本研究采用的OPT301（BURR-BROWN公司，美国）为光电集成电路，如图4所示［6］。它将光电二极管和放大电路集成在一起，采用TO-99金属封装，除具备一般内光电效应型光探测器的特点外，还具有响应速度快、耗电少、噪声低、线性范围大、寿命长等优点。OPT301的一些基本参数：工作电压2.25～18V、连续输出（对地短路）、工作温度55～125℃、最高温度300℃。

2.2 流送系统

流送系统主要由蠕动泵、硅胶管和溢流稳流装置组成。蠕动泵（Millipore公司，美国）是一种低剪切泵，不会对后面的剪切分析造成影响；管路采用直径4mm的硅胶管；因为蠕动泵泵送流速不稳定，所以流送系统还需一个带溢流的稳流装置，使用前要根据实验需要调整流速，使稳流装置有适当的回流。

2.3 数据采集、处理及显示系统

数据采集系统采用的PCI-1200数据采集卡（NI公司，美国）性价比较好（见图5），支持DMA方式和双缓冲区模式，保证了实时信号不间断采集与存储，并支持单极和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为-5～+5V和0～10V，提供16路单端/8路差动模拟输入通道、2路独立的DA输出通道、24线的TTL型数字I/O、3个16位的定时计数器［7］。实验中，PCI-1200卡的采样速率可达到105次/s。

图5 絮凝分析系统数据采集处理流程图

数据处理、显示软件是基于NI公司的LabV IEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）开发环境写成。LabV IEW是一种图形化的编程语言，广泛地被工业界、学术界和研究实验室接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabV IEW集成了与满足GPI B、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。LabV IEW是一个开放式的开发环境，用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。该絮凝分析系统的主要数据处理流程、数据处理软件的显示界面及数据输出效果如图5～图7所示。

图6 数据处理软件显示界面

图7 在剪切变换情况下 R值输出示意图

3 R值与絮团粒径间的相关性

由上述的理论推导可知，R值与絮团粒径大小成一定的相关性。目前，常用于测量絮团粒径的方法主要有筛分法、沉降法、显微镜观测法和库尔特计数法等。这几种方法都存在一定的不足。筛分法只适合测量粒径大于38μm的颗粒，其他几种方法要求的条件苛刻，并且测量的范围窄［6］。Burgess等采用库尔特计数法测量絮团粒径，然后与PDA输出的R值建立一定联系［2］。目前，比较先进的方法是激光衍射法，该法具有动态范围宽、适应性强、直接测定而无破坏性、迅速、重现性好等优点。MalvernMS2000粒度仪就是采用激光衍射法，可以精确测量0.02～2000μm的粒径［6］。Biggs等利用MalvernMastersizer/E测量了活性污泥在不同剪切条件下的絮凝情况，取得了良好的效果［7］。

采用Malvern MS2000粒度仪测量絮团的实际大小，然后尝试与絮凝分析系统输出的R值建立相关性，测量结果如图8所示。由图8可知，在10～250μm的粒径范围内，R值与絮团粒径成较好的线性相关性，线性拟合关系式：y=19.0x-16.8，相关系数R2为0.9711，该方程与Burgess等得到的类似方程相吻合［8］。

图8 R值与实测粒径线性相关性

4 结论

采用透光脉动原理，研制了一套絮凝分析系统。通过该絮凝分析系统中絮凝指数的变化，可考察纸机湿部助留系统中填料产生的絮团大小，从而全面分析纸机湿部絮凝状态。研究结果表明，絮凝分析系统输出的R值（x）与絮团粒径（y）具有很好的线性相关性，其线性拟合方程：y=19.0x-16.8，相关系数R2为0.9711。

［1］BurgessM S，CurleyJ E，W isemanN，et al.On-line optical determination of floc size.Part I：Principles and techniques［J］.Pulp and Paper Science，2002，28（2）：63.

［2］BurgessM S，Curley J E，W iseman N.On-line optical determination of floc size-Part II：The effect of shear on floc size［J］.Pulp and Paper Science，2002，28（10）：323.

［3］Gregory J，Nelson D W.Monitoring ofAggregates in Flowing Suspensions［J］.Colloids and Surfaces，1985，18（2/4）：175.

［4］何兴仁.半导体激光器应用与发展趋势预测［J］.半导体光电，1994，15（3）：216.

［5］何 纬，等.半导体激光器恒功率控制技术［J］.气象水文海洋仪器，2004（1）：68.

［6］田英姿.Malvern粒度仪的使用和测试分析［J］.中国造纸，2003，22（12）：33.

［7］Biggs C A，Lant PA.Activated sludge flocculation：On-line determination of floc size and the effect of shear［J］.Water Research C H，2000，34（9）：2542.

［8］Joore L P，Coenen E L，Verstraeten E A，et al.Links between processwater qualities and product properties-an integral approach to watermanagement in papermaking［J］.Paper Technology，2000，41（4）：47.