CN111735510B - 一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浆纱上浆检测技术领域，公开了一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置及方法，该装置包括按流向依次连接的主浆箱和预热浆箱；主浆箱和预热浆箱之间还连接有浆液循环线，所述浆液循环线上设有流向预热浆箱的含固率检测线，所述含固率检测线上按流向依次串联有科里奥利质量流量控制器以及热式质量流量控制器或差压式质量流量控制器。本发明在含固率检测线上前后串联有科里奥利质量流量控制器和热式质量流量控制器或差压式质量流量控制器，通过上述两种质量流量控制器的联合可在线、精确检测浆液含固率。

Description

一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置及 方法

技术领域

本发明涉及浆纱上浆检测技术领域，尤其涉及一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置及方法。

背景技术

在经纱上浆过程中，为了评价上浆效果，需要对浆纱上浆率进行实时检测和控制。当前，实验室的上浆率检测是对上浆形成的浆纱进行取样、退浆、烘燥称重，根据上浆率的定义进行计算，因退浆过程中有些纤维会在浆纱表面脱落，这会给上浆率的计算带来一定的误差；浆纱车间的上浆率检测是通过浆轴和空织轴的差值得到浆纱总质量，用测湿仪测得浆纱回潮率，推算出浆纱总干重，根据浆轴上纱线的线密度、总经根数和绕纱长度等计算出经纱干重，根据上浆率的定义进行计算，因计算结果容易受到一些不准确数据的影响，如浆纱伸长率、绕纱长度等，该方法检测精度相对较低。以上检测方法耗时久，不能实现在线、实时检测，无法及时发现上浆过程中上浆率超出合理范围或均匀一致性差等问题，且存在一定的误差，因此需要采用快速、精确的方法对上浆率进行在线、精确检测。

众所周知，利用传感器技术可实现在线、实时检测，而上浆过程中影响上浆率的因素的众多，上浆率的在线、精确检测是浆纱生产中的一道难题。当前，上浆率可通过相关传感器技术实时检测影响上浆率的主要因素，利用这些因素与上浆率之间的数学关系计算上浆率。其中浆液含固率(浆液中浆料与浆液质量的百分比)和浆纱压出回潮率(浆纱刚出浆槽的回潮率)是直接影响上浆率的决定因素，采用相关传感器检测出上浆过程中的浆液含固率和纱线的压出回潮率的实时值，则可得到浆纱上浆率实时值。随着经纱上浆线性加压技术的成功应用，实现了浆纱压出加重率的稳定控制，对浆纱上浆率的在线、精确检测，间接转变成对浆液含固率的在线、精确检测。因此，浆液含固率的在线、精确检测对上浆率检测至关重要。

现有技术中是利用并联在浆液循环管路上的折光仪在线检测浆液含固率。折光仪测量浆液含固率的原理是：根据已知的浆液含固率与折光率的对应关系，利用测量的折光率来推算浆液含固率。然而，温度对物质的折光率有影响，实际上，折光仪对温度的微小变化非常敏感，因此，浆液含固率与折射率之间的已知关系仅适用于一个指定温度，而不适用于其他温度。所以，折光仪最好在规定的温度下测量。但实际使用时往往达不到规定的温度，因此有必要对测量结果进行温度校正。但只有少数物质具有温度偏离系数或温度偏离表，用于对折光仪测得的浆液含固率值进行温度校正。事实上，温度对不同物质折射率的影响是不同的，现有的用于温度校正的温度偏离系数或温度偏离表不适用于大多数其他物质。因此，用折光仪检测浆液含固率存在偏差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置及方法，本发明在含固率检测线上前后串联有科里奥利质量流量控制器和热式质量流量控制器或差压式质量流量控制器，通过上述两种质量流量控制器的联合可在线、精确检测浆液含固率。

本发明的具体技术方案为：一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置，包括按流向依次连接的主浆箱和预热浆箱；主浆箱和预热浆箱之间还连接有浆液循环线，所述浆液循环线上设有流向预热浆箱的含固率检测线，所述含固率检测线上按流向依次串联有科里奥利质量流量控制器以及热式质量流量控制器或差压式质量流量控制器。

作为优选，所述浆液循环线上设有浆液循环泵。

作为优选，所述浆液循环泵位于浆液循环线与含固率检测线连接点的上游。

作为优选，所述科里奥利质量流量控制器、热式质量流量控制器和差压式质量流量控制器为具有流量测量组件和流量调节组件以及信号传递组件的设备，其响应时间小于0.1秒、流量控制下限在0.1千克/时。

作为优选，所述热式质量流量控制器为制冷型热式液体质量流量控制器。

作为优选，所述差压式质量流量控制器为V锥液体质量流量控制器。

一种利用上述装置在线检测浆液含固率的方法，包括：从主浆箱溢出的浆液进入预热浆箱内，接着进入浆液循环线，一部分浆液输送回主浆箱，另一部分通入含固率检测线，依次经科里奥利质量流量控制器以及热式质量流量控制器或差压式质量流量控制器后，重新进入预热浆箱。

其中，通过科里奥利质量流量控制器来控制含固率检测线上浆液的质量流量，通过热式质量流量控制器和科里奥利质量流量控制器的读数比或差压式质量流量控制器和科里奥利质量流量控制器的读数比进行公式换算后来计算确定浆液含固率。

作为优选，根据科里奥利质量流量控制器、热式质量流量控制器以及差压式质量流量控制器测量和控制原理，以及浆液宏观物性(比热容、粘度、密度)是关于浆液组成的函数，得到所述公式为：

其中：

Q_C：科里奥利质量流量控制器的流量读数；

Q_T：热式质量流量控制器的流量读数；

m_S：浆液含固率；

c_M：热式质量流量控制器标定液体的比热容值；

c_mix＝c_mix(m_S)：浆液的比热容值，是关于m_S的函数；

c_mix＝m_S·c_S+(1-m_S)·c_W＝c_mix(m_S)

式中，c_S、c_W是浆料、水的比热容；

或

其中：

Q_D：差压式质量流量控制器的流量读数；

η_mix＝η_mix(m_s)：浆液的粘度值，是关于m_S的函数；

η_L：差压式质量流量控制器标定液体的粘度值；

ρ_mix＝ρ_mix(m_S)：浆液的密度值，是关于m_S的函数；

ρ_L：差压式质量流量控制器标定液体的密度值；

式中，η_S、η_W分别是浆料、水的粘度；M_S、M_W分别是浆料、水的摩尔质量；

式中，ρ_S、ρ_W分别是浆料、水的密度。

作为优选，所述科里奥利质量流量控制器的精度为±0.5％，热式质量流量控制器的精度为±0.9％，差压式质量流量控制器的精度为±0.4％，浆液含固率检测的最大偏差小于±0.9％。

作为优选，浆液含固率检测的最大偏差小于±0.3％。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明在含固率检测线上前后串联有科里奥利质量流量控制器和热式质量流量控制器或差压式质量流量控制器，通过上述两种质量流量控制器的联合可在线、精确检测浆液含固率。

附图说明

图1是本发明基于科里奥利质量流量控制器和热式质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置的连接示意图；

图2是本发明基于科里奥利质量流量控制器和差压式质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置的连接示意图；

图3是科里奥利质量流量控制器的流量测量和控制原理示意图(现有技术)；

图4是热式质量流量控制器的流量测量原理示意图；

图5是差压式质量流量控制器的流量测量原理示意图(现有技术)。

附图标记为：主浆箱 1、预热浆箱 2、浆液循环线 3、含固率检测线 4、科里奥利质量流量控制器 5、热式质量流量控制器 6、差压式质量流量控制器 7、浆液循环泵 8。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置，如图1所示，包括按流向依次连接的主浆箱1和预热浆箱2；主浆箱和预热浆箱之间还连接有浆液循环线3，所述浆液循环线上设有流向预热浆箱的含固率检测线4，所述含固率检测线上按流向依次串联有科里奥利质量流量控制器5以及热式质量流量控制器6。

其中，所述浆液循环线上设有浆液循环泵。所述浆液循环泵位于浆液循环线与含固率检测线连接点的上游。

所述科里奥利质量流量控制器和热式质量流量控制器为具有流量测量组件和流量调节组件以及信号传递组件的设备，其响应时间小于0.1秒、流量控制下限在0.1千克/时。

一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率的方法，包括：从主浆箱溢出的浆液进入预热浆箱内，接着进入浆液循环线，一部分浆液输送至主浆箱，另一部分通入含固率检测线，依次经科里奥利质量流量控制器和热式质量流量控制器后，进入预热浆箱。

其中，通过科里奥利质量流量控制器来控制含固率检测线上浆液的质量流量，通过热式质量流量控制器和科里奥利质量流量控制器的读数比进行公式换算后来计算确定浆液含固率。

其中，所述公式为：

其中：

Q_C：科里奥利质量流量控制器的流量读数；

Q_T：热式质量流量控制器的流量读数；

m_S：浆液含固率；

c_mix＝c_mix(m_S)：浆液的比热容值，是关于m_S的函数；

c_M：热式质量流量控制器标定液体的比热容值。

所述科里奥利质量流量控制器的精度为±0.5％、热式质量流量控制器的精度为±0.9％，浆液含固率检测的最大偏差小于±0.9％。作为进一步优选方案，浆液含固率检测的最大偏差小于±0.4％。

如图3所示(以“U”型振动管式科里奥利质量流量控制器为例)，科里奥利质量流量控制器的测量和控制原理为：所有的科里奥利质量流量控制器都是利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量和控制的，实现真正意义上的高精度直接流量测量和控制。被驱动的测量管以正弦波的方式上下振动，电磁传感器可以输出一个代表测量管正弦运动的信号。流体通过测量管时，产生的科里奥利力使测量管中点前后两半段以相反的方向变形，这就在两个传感器之间产生了一个时间差Δt(正弦运动信号相位差)，当质量流量增大时，测量管变形的程度就增大，两个传感器的时间差就增大。质量流量由下式决定：

Q＝k·Δt (3)

其中，Q为质量流量，k为流量标定系数，Δt为时间差，这样就实现了质量流量的直接测量和控制。综上，有：

Q_C＝Q (4)

其中，Q_C是科里奥利质量流量控制器的流量读数，Q是含固率检测线上浆液的真实质量流量。

如图4所示，热式质量流量控制器的工作原理为：流体通过一段恒功率加热的流道时，流体的比热容和质量流量乘积与流道两端的温差之间存在线性关系，即：

ΔT＝T₂-T₁＝A·P·C_P·Q (5)

式中，ΔT是流道两端的温度差；C_P是流体的比热容；P是流道的加热功率；A是比例常数；Q是流体的质量流量。

绝大多数热式质量流量控制器是基于对流体进行加热，但流体是液体情况下，尤其是上浆时浆液温度一般在90-100℃，对浆液进行加热，浆液中水受热容易气化，影响流量测量。制冷型热式液体质量流量控制器，是采用与加热相对的方法、基于对液体进行冷却，十分适用于测量易气化液体的质量流量，其流量测量原理与基于加热液体的热式质量流量控制器流量测量原理相同。

对于热式流量计而言存在如下的流量换算公式：

式中，Q_T是热式流量计以标定流体为基准的质量流量测量值，c_M是标定流体的比热容值，是常数；Q是流体的真实质量流量；c_mix＝c_mix(m_S)是流体的比热容值，它是浆液含固率m_S的函数。

由式(4)，有：

浆液比热容定义为单位质量的浆液在其温度变化1℃时所吸收或放出的热量，根据热量衡算，有：

c_mix＝m_S·c_S+m_W·c_W (7)

式中，c_S、c_W分别为浆料、水的比热容，m_W为浆液水含量。

因浆料、水的比热容c_S、c_W是常数，又m_S+m_W＝1，那么，浆液的比热容c_mix为浆液含固率m_S的函数，即

c_mix＝m_S·c_S+(1-m_S)·c_W＝c_mix(m_S) (8)

通过科里奥利质量流量控制器来控制含固率检测线上浆液的质量流量恒定，由热式质量流量控制器和科里奥利质量流量控制器的读数比

计算机根据公式(1)、(8)计算出浆液含固率。

实施例2

一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置，如图2所示，包括按流向依次连接的主浆箱1和预热浆箱2；主浆箱和预热浆箱之间还连接有浆液循环线3，所述浆液循环线上设有流向预热浆箱的含固率检测线4，所述含固率检测线上按流向依次串联有科里奥利质量流量控制器5和差压式质量流量控制器7。

其中，所述浆液循环线上设有浆液循环泵。所述浆液循环泵位于浆液循环线与含固率检测线连接点的上游。

所述科里奥利质量流量控制器和差压式质量流量控制器为具有流量测量组件和流量调节组件以及信号传递组件的设备，其响应时间小于0.1秒、流量控制下限在0.1千克/时。

一种基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率方法，包括：从主浆箱溢出的浆液进入预热浆箱内，接着进入浆液循环线，一部分浆液输送至主浆箱，另一部分通入含固率检测线，依次经科里奥利质量流量控制器和差压式质量流量控制器后，进入预热浆箱。

其中，通过科里奥利质量流量控制器来控制含固率检测线上浆液的质量流量，通过差压式质量流量控制器和科里奥利质量流量控制器的读数比进行公式换算后来计算确定浆液含固率。

其中，所述公式为：

其中：

Q_C：科里奥利质量流量控制器的流量读数；

Q_D：差压式质量流量控制器的流量读数；

η_mix＝η_mix(m_S)：浆液的粘度值，是关于m_S的函数；

η_L：差压式质量流量控制器标定液体的粘度值；

ρ_mix＝ρ_mix(m_S)：浆液的密度值，是关于m_S的函数；

ρ_L：差压式质量流量控制器标定液体的密度值；

所述科里奥利质量流量控制器的精度为±0.5％、差压式质量流量控制器的精度为±0.4％，浆液含固率检测的最大偏差小于±0.5％。作为进一步优选方案，浆液含固率检测的最大偏差小于±0.3％。

科里奥利质量流量控制器的测量和控制原理同本发明实施例1。

如图5所示，差压式质量流量控制器的工作原理为：管路中的以湍流流动的流体进入差压式流量计后，流型变成层流，差压式流量计的测量原理是基于流体在流道中作层流流动时，流速与压降之间存在线性关系。可以用Poiseuille方程来描述：

q＝(P₁-P₂)πr⁴/8ηL＝KΔP/η (9)

式中，K＝πr⁴/8L (10)

其中，q是流体的体积流量；P₁是流体在流道入口的静压力，P₂是流体在流道出口的静压力；r是流道的当量半径；η是流体的绝对粘度；L是流道的长度。

对于差压式流量计而言存在如下的流量换算公式：

式中，q_D是差压式流量计以标定流体为基准的体积流量测量值；η_L是标定流体的粘度，是常数；q是流体的真实体积流量；η_mix＝η_mix(m_S)是流体的粘度值，它是浆液含固率m_S的函数。

液体为不可压缩流体，其密度受压力的影响很小，一般忽略不计，液体在经过差压式流量计前后，密度可认为常数，故有：

式中，Q_D是差压式流量计以标定液体为基准的质量流量读数；Q是液体的真实质量流量；ρ_L是标定液体的密度，是常数；ρ_mix＝ρ_mix(m_S)是液体的密度值，它是浆液含固率m_S的函数。

由式(4)，有：

根据混合规则，浆液的粘度η_mix有：

lnη_mix＝x_S·lnη_S+x_W·lnη_W (13)

式中，x_S、x_W是浆料、水的摩尔分率，η_S、η_W是浆料、水的粘度。其中：

式中，w_mix是浆液的质量，M_S、M_W是浆料、水的摩尔质量，由此，

因浆料、水的摩尔质量M_S、M_W和粘度η_S、η_W是常数，又m_S+m_W＝1，那么，浆液的粘度η_mix为浆液含固率m_S的函数，即

根据双液理论，浆液的体积有：

式中，V_mix是浆液的体积，n_S、n_W是浆料、水的物质的量，V_m，S、V_m，W是浆料、水的摩尔体积，ρ_S、ρ_W是浆料、水的密度。由此，浆液的密度ρ_mix有：

因浆料、水的密度ρ_S、ρ_W是常数，又m_S+m_W＝1，那么，浆液的密度ρ_mix为浆液含固率m_S的函数，即

通过科里奥利质量流量控制器来控制含固率检测线上浆液的质量流量恒定，可消除流速(或剪切作用)对非牛顿型流体粘度的影响，由差压式质量流量控制器和科里奥利质量流量控制器的读数比

计算机根据公式(2)、(18)、(21)计算出浆液含固率。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种在线检测浆液含固率的方法，其特征在于：

通过基于质量流量控制器串联的在线检测浆液含固率装置实现，所述装置包括按流向依次连接的主浆箱(1)和预热浆箱(2)；主浆箱和预热浆箱之间还连接有浆液循环线(3)，所述浆液循环线上设有流向预热浆箱的含固率检测线(4)，所述含固率检测线上按流向依次串联有科里奥利质量流量控制器(5)以及热式质量流量控制器(6)或差压式质量流量控制器(7)；所述方法包括：从主浆箱溢出的浆液进入预热浆箱内，接着进入浆液循环线，一部分浆液输送回主浆箱，另一部分通入含固率检测线，依次经科里奥利质量流量控制器以及热式质量流量控制器或差压式质量流量控制器后，重新进入预热浆箱；

其中，通过科里奥利质量流量控制器来控制含固率检测线上浆液的质量流量，通过热式质量流量控制器和科里奥利质量流量控制器的读数比或差压式质量流量控制器和科里奥利质量流量控制器的读数比进行公式换算后来计算确定浆液含固率；

选择科里奥利质量流量控制器和热式质量流量控制器的组合时，所述公式为：

其中：

Q_C：科里奥利质量流量控制器的流量读数；

Q_T：热式质量流量控制器的流量读数；

m_S：浆液含固率；

c_M：热式质量流量控制器标定液体的比热容值；

c_mix＝c_mix(m_S)：浆液的比热容值，是关于m_S的函数；

c_mix＝m_S·c_S+(1-m_S)·c_W＝c_mix(m_S)

式中，c_S、c_W是浆料、水的比热容；

选择科里奥利质量流量控制器和差压式质量流量控制器的组合时，所述公式为：

其中：

Q_D：差压式质量流量控制器的流量读数；

η_mix＝η_mix(m_S)：浆液的粘度值，是关于m_S的函数；

η_L：差压式质量流量控制器标定液体的粘度值；

ρ_mix＝ρ_mix(m_S)：浆液的密度值，是关于m_S的函数；

ρ_L：差压式质量流量控制器标定液体的密度值；

式中，η_S、η_W分别是浆料、水的粘度；M_S、M_W分别是浆料、水的摩尔质量；

式中，ρ_S、ρ_w分别是浆料、水的密度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述科里奥利质量流量控制器的精度为±0.5％，热式质量流量控制器的精度为±0.9％，差压式质量流量控制器的精度为±0.4％，浆液含固率检测的最大偏差小于±0.9％。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，浆液含固率检测的最大偏差小于±0.3％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述科里奥利质量流量控制器、热式质量流量控制器和差压式质量流量控制器为具有流量测量组件和流量调节组件以及信号传递组件的设备，其响应时间小于0.1秒、流量控制下限在0.1千克/时。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热式质量流量控制器为制冷型热式液体质量流量控制器。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述差压式质量流量控制器为V锥液体质量流量控制器。

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