在線透氣度儀在卷煙紙機上的應用分析

陳宏平

(牡丹江恒豐紙業股份有限公司，黑龍江牡丹江，157013)

透氣度是卷煙紙最重要的性能指標之一。Permi是一種快速、可靠的在線透氣度測試儀，具有測量管段小、測試氣管壓力損失小、測試穩定、校準簡單等特點，可以連續測量，測量精度達到2 ms，可快速反映勻整機打漿精度和卷煙紙的等級變化等指標。但是由于Permi在線透氣度儀在線測量卷煙紙透氣度時易發生一些測量故障，因此，在實際測量時需要進行設備維護，以確保測量的準確性。本文結合在線測量實踐，介紹了Permi在線該透氣度儀的結構、原理及維護心得等。

1 Permi在線透氣度儀系統硬件結構

圖1為Permi在線透氣度儀系統的硬件結構，主要由控制單元、測量頭和氣動單元構成。本文主要介紹2種硬件結構:控制單元和測量頭。

1.1 控制單元

圖2為控制單元核心元件的控制主板，其尺寸為400 mm×300 mm×200 mm，但柜門需要額外220 mm的深度，該單元主要包括電源連接、換輥信號、斷紙信號和輸出信號。

1.1.1 電源連接

透氣度儀系統需要提供110－240 VAC，1 A 50/60 Hz交流電源和1根2.5 mm2保護地線。

1.1.2 斷紙信號和換輥信號

斷紙信號由紙機DCS系統提供，也可從現場斷紙開關直接提供。斷紙信號是檢測紙機斷紙時透氣度儀觸發一個測量頭下降并自動清洗功能，當紙張接過去之后測量頭上升并開始測量。換輥信號由紙機DCS提供或安裝換輥按鈕提供，只起到一個換輥顯示作用。

1.1.3 輸出信號

輸出信號是透氣度儀測量紙張透氣度的信號，除了可以在本地控制單元顯示以外，還可提供DCS系統顯示。輸出方式如圖2所示，根據控制板上跳線輸出4～20 mA或1～5 V、2～10 V共3種信號，出廠默認是4～20 mA信號。

1.2 測量頭

圖1 Permi在線透氣度儀系統硬件結構

圖2 Permi在線透氣度儀控制單元

測量頭安裝在紙幅下面的縱向位置和紙機卷曲機的前側，橫向位置最好安裝在離測量單元較近一側，一般控制單元安裝在紙機操作側，測量單元安裝在紙機傳動側。具體測量頭位置要與下輥標樣位置對應，這樣才能保證測量點與實驗室標定點對應。

測量頭的面積根據測量介質的性能選擇，包括真空密封環形區域和測量區域。在測量過程中，真空密封環形區域處于真空狀態，保證運行的紙幅能緊貼在測量頭上，防止測量頭四周氣體和測量區域氣體泄漏造成測量誤差。

1.2.1 測量頭接地

雖然測量頭沒有電信號，但是紙張到卷曲位置時靜電非常大，所以如圖3所示在測量頭上安裝一根直徑不小于6 mm2的銅質電纜，并將其接到紙機的地上，否則會影響測量精度。

1.2.2 測量頭角度調整

在實際測量中要求測量頭把紙幅頂起3～5 mm的距離，才能保證紙幅最大程度密封好測量頭，不會使空氣從測量頭四周進入。

測量頭的角度調整非常重要，測量頭的測量平面必須和紙幅縱向運行平面保持平行，保證空氣不能從測量頭四周進入。調整方法是通過擰松測量頭下面兩個內側的螺絲再松外側的兩個螺絲來調節角度。

圖3 Permi在線透氣度儀測量頭

1.2.3 測量頭升降速度調節

測量頭升降速度是通過氣動單元內執行氣缸進出氣調節閥進行調整。一般來講最好是調成低速，才能保證紙幅的接觸力度，降低故障率。

2 Permi在線透氣度儀測量原理

圖4為Permi在線透氣度儀的測量原理，由圖4可知，在線透氣度儀大致分為測量回路、密封回路和排污回路。透氣度儀的測量狀態是在真空狀態下進行，只有在清洗側頭、清洗管路和排污時才是在正壓狀態。所以在這2種狀態下，必須清楚地了解每個測量元件和執行元件的動作狀態，才能掌握在線透氣度儀測量工作原理。

2.1 空氣質量流量計

空氣質量流量計是Permi在線透氣度儀系統核心元件之一，采用的是AWM5101VN氣體質量流量傳感器，外殼為文丘里流量管形。最高流量可以測量5 L/min，工作電壓是10±0.1 VDC，輸出信號是滿量程5 V。

2.2 比例調節閥

比例調節閥是日本SMC公司的復合控制閥系列，最大承受壓力是 0.88 MPa，輸出范圍是0.05～0.88 MPa。每次進入調節狀態都是從100%開度往下調節壓力，而不是從0開度往上調節。控制方式是通過PID運算將測量壓力調節到設定壓力。

圖4 Permi在線透氣度儀測量原理

2.3 真空發生器

真空發生器是日本SMC公司生產的ZU07L型真空發生器，由噴嘴、接收室、混合室和擴散室組成。標準使用壓力是0.45 MPa，最高使用壓力不超過0.7 MPa，最高真空度可以達到48 kPa。

2.4 壓力變送器

壓力變送器是檢測測量回路的真空壓力，具體描述請參看4.1。

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2.5 電磁閥

Permi在線透氣度儀使用的電磁閥都是SMC公司的電磁閥，除了測量回路和密封回路各有1個兩位三通電磁閥以外，其余都是開關型電磁閥。

2.6 清洗/測量工作過程

Permi在線透氣度儀在每次通電、紙機斷頭接紙后，或達到測量周期時間時，系統都會自動進行清洗。

2.6.1 清洗過程

達到測量周期時間時，測量頭電磁閥a得電置位，測量頭下降。同時測量電磁閥和電磁閥c失電復位，關閉測量回路。清洗/測量電磁閥、清洗電磁閥h和清洗電磁閥i得電置位，對密封回路和測量回路進行清洗。清洗是階段性分次進行，通常分為3次。排污回路是排污閥和排水電磁閥得電置位進行排污或排水，每個周期排污1次。

2.6.2 測量過程

測量過程是在上述清洗過程結束后，相關清洗回路的電磁閥進入初始狀態，下一輪測量周期開始。首先，電磁閥a失電復位，測量頭上升進入測量狀態。壓力調節閥f和壓力調節閥g調整到一個穩定狀態(0.05 MPa)，清洗/測量電磁閥在失電狀態，保證測量頭密封回路進入密封狀態。測量電磁閥得電置位，真空發生器開始工作，測量回路形成真空負壓，壓力變送器檢測到測量回路實際真空壓力，比例閥根據測量回路設定壓力來調節實際測量真空壓力，調整到設定值后控制單元開始采集測量回路的空氣質量流量計信號，透氣度儀開始進入測量狀態。

3 Permi在線透氣度儀標定

在實際應用中發現，如果更換空氣質量流量計或進行系統標定，最好在取樣模式下，標定出增益Gain和截距Offset參數后;再通過在線測量進行相應的增益和截距標定，標定曲線如圖5所示。

取樣標定由紙機生產的紙張透氣度決定，牡丹江恒豐紙業股份有限公司 (以下簡稱“恒豐紙業”)16#紙機一般生產透氣度為50～80 cu的紙張，可取50 cu、60 cu、70 cu、80 cu共4組紙樣，每組樣為5張紙。

圖5 透氣度儀標定示意圖

通過控制單元進入標定參數設置選項，把增益Gain改為1，截距Offset改為0，將測量模式切換到取樣標定模式。分別將4組紙樣進行測量，每組的5張紙得到測量值后進行平均值計算，最后得到4個透氣度測量值。在將這4組紙樣送到實驗室進行測量，同樣得到4個透氣度實驗值。得到2組測量值和實驗值后，根據二元一次方程進行增益和截距的計算。廠家提供了一個編好的Excel表格標定工具，只要將2組測量值和實驗值分別輸入表格中，就會自動給出當前紙種范圍的增益Gain和截距Offset值。但是在實際應用中標定好Gain、Offset兩個值后，進入在線測量狀態還是有差值。在此，筆者結合實際情況，分4種狀態對Gain、Offset兩個參數進行在線修正。

3.1 測量值比實驗值都高或都低

如圖5(a)所示，在保證密封回路不存在漏氣和密封壓力正常的情況下，通過在線測量發現50～80 cu測量值均比實驗值高，則這個取樣標定是非常成功的。因為在取樣標定的時候，紙樣放在測量頭上標定的狀態和紙張在正常測量狀態下是不一樣的。在正常測量狀態下，紙幅在紙機卷曲機的拉力比取樣時拉力大，所以取樣面積就小。根據透氣度定義得到透氣度在線測量值就會偏低。這時根據在線測值只對Offset參數進行增加修正。

如果在線測量發現50～80 cu測量值都比實驗值低，則取樣標定是不成功的。在取樣標定時可能是測量管路、測量頭或空氣質量流量計有堵塞情況。

3.2 測量值比實驗值前低后高或前高后低

如圖5(b)所示，該測量值50～80 cu與實驗值比較，其中50 cu與60 cu測量值與實驗值相比越來越低，70 cu與80 cu測量值與實驗值相比越來越高，該誤差可能是系統誤差或空氣質量流量計性能引起的偏差，一般認為該標定結果也是成功的，只要在線測值對截距Offset參數相應增加，增益Gain參數相應減少即可。

如圖5(c)所示，該測量值50～80 cu與實驗值比較，其中50 cu與60 cu測量值與實驗值相比越來越高，70 cu與80 cu測量值與實驗值相比越來越低，處理方法與圖5(b)方法一樣，只是將截距Offset參數相應減少，增益Gain參數相應增加。

4 Permi在線透氣度儀參數配置

將測量 (Measurement)開關撥到ON位置，按Enter鍵進入主菜單，如圖6所示。Permi在線透氣度儀的參數配置包括設置 (Settings)、校準 (Calibration)和退出 (Exit)3個部分。在此，重點介紹設置和校準參數。

圖6 Permi在線透氣度儀參數配置

4.1 設置

進入設置菜單后，其中1是平均流量/Flow average，包括流量計的平均流量 (默認是200)和流量計信號濾波系數 (默認是1，不濾波);2、3、4分別是Flow meter/流量計，根據現場選用流量計型號進行相應選擇設置，該系統有3個測量輸入通道，可以根據紙種透氣度大小進行不同量程的測量。同時可以對每個通道在線測量設置真空“目標壓力”(默認是1 kPa)和調節目標壓力的較慢速/Very slow、慢速/Slow、快速/Fast、較快速/Very fast的控制方式選擇 (默認是慢速/Slow);5是流量計選擇應用/Use flow meter，這個參數只有選擇了流量計類型以后才被應用;6是壓力傳感器/Use press sensor，是根據紙張性能進行壓力傳感器量程類型選擇，包括類型1/Type1測量范圍是0～ (－2.5)kPa(默認)和類型2/Type2測量范圍是0～ (－20)kPa。同時可以對信號 (mA/V)方式進行修改選擇;8是清洗/Clearing，是對測量頭清洗頻率 (默認200 s)和清洗時間(默認30 s)進行設置，該參數設置取決于紙張品種，若因為紙種導致測量頭過臟的話，就要增加清洗頻率延長清洗時間;9是輸出/Outputs，是對輸出信號進行設置，通常這個信號送到DCS系統中進行顯示，可以設置mA或V信號輸出，通道設置取決于控制箱內控制板上的跳線;10是輸入/Inputs，它包括斷紙信號 (默認是假)和換輥信號 (默認是數字輸入18通道)。斷紙信號作用是發生斷紙時測量頭下降并進行清洗，有紙時自動進行測量，但是不論在有紙或斷紙模式都可以進入測試狀態。還有斷紙延時設置，有紙信號進來以后要延時一段時間進行測量，因為這個時候紙幅還沒有平整展開。換輥信號就是換輥顯示作用;15是系統顯示/Display，包括內部顯示/Use display(默認是真)和外部顯示/Use ext display(默認是假)。內部顯示主要是可以看出流量計的原始壓力和流量狀態。外部顯示如果選擇真，可以看到流量計模擬電壓、壓力傳感器和壓力調節閥狀態。

4.2 標定

進入標定參數設置后，其中1、2、3、4、5、6分別是3個測量通道的線性測量曲線的增益/Gain(默認是1)和截距Offset(默認是0)參數。這2個參數都是通過透氣度儀在線測量結果和實驗室測量結果計算得到。7、8、9、10、11、12分別是3個測量通道最小和最大輸出信號顯示，最小輸出信號是4 mA/1 V/2 V和20 mA/5 V/10 V。信號類型取決于控制板上的跳線。

5 Permi在線透氣度儀測量中常見故障和維護

在恒豐紙業不同生產線機臺應用中發現，安裝在生產高透紙機臺上透氣度測量穩定性非常好，但是在透氣度品種更換時測量值會與實際值出現不同測量差值。安裝在卷煙紙機臺上的在線透氣度設備，不但測量值與不同透氣度品種實際值存在偏差，更重要的是因為卷煙紙CaCO3含量大，造成在線透氣度檢測不準或根本就不能檢測的故障現象［1-2］。

5.1 常見故障現象

在恒豐紙業16#紙機卷煙紙的生產中，造成透氣度檢測不準或根本不能檢測的主要原因有:

(1)根據透氣度測量原理，易將卷煙紙上的Ca-CO3吸入到在線透氣度儀設備中，導致測量值偏低。

(2)透氣度儀測量原件“流量計”工作時容易發生測量漂移或損壞。

(3)透氣度儀測量回路壓力調節比例閥，調節速度過慢或損壞。

(4)透氣度儀測量回路和密封回路的過濾器密封常常發生漏氣現象。

(5)透氣度儀測量回路和密封回路的管路接頭存在漏氣現象，而且測量管顏色太深，看不到里面的狀況，致使不容易判斷測量故障。

(6)生產不同透氣度卷煙紙時，測量值與實際值存在偏差。

5.2 維護經驗

根據上述故障現象，分析總結可能發生故障的任何設備環節，并多次在現場結合實際情況進行測試。最終把透氣度儀測量故障真正原因一一排除，同時制定相關維護方案。故障排除的具體方法:

(1)保證盡可能減少CaCO3進入測量系統中，在不影響測量精度情況下，將清洗次數由廠家設置每5 min清洗1次改到每3 min清洗1次，清洗時間由200 s改成300 s。通過增加清洗頻次來減少CaCO3進入測量系統現象。

(2)流量計因結構特點，電極和過濾網上容易粘上 CaCO3。所以明確了流量計更換方法和清洗方法。

(3)壓力調節比例閥是調節負壓真空氣體調節閥，在使用過程中壓縮空氣里不能含油或含水，所以必須保證壓縮空氣干凈。

(4)密封和測量回路過濾器由于CaCO3較多，且都是在負壓真空狀態，經常因每次清洗安裝造成密封不好，有時還發生虛假測量現象，所以須規定清洗周期和安裝方法。

(5)密封和測量回路的管路出廠時都是Φ 6 mm和Φ 8 mm藍色費斯托氣源管，且氣源管接頭是快插式的。由于藍色氣源管不容易發現管路發生堵塞的位置，所以更換成無色氣源管。并將快插式接頭更換成卡扣式接頭，以杜絕管路在負壓真空狀態時發生漏氣現象。

［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.

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［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.

黃才華，周家俊.在線透氣度檢測儀在高速紙機中的應用［J］.中國造紙，2003，22(6):35. CPP