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提　要：介紹了一種新的紙漿Zeta電位檢測(cè)裝置，它基于單片計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理。被測(cè)信號(hào)Zeta電位在測(cè)量過(guò)程中是緩變浮動(dòng)的，對(duì)此提出了相應(yīng)的自動(dòng)跟蹤處理方法及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法。關(guān)鍵詞：Zeta電位；紙漿；造紙機(jī)；信號(hào)處理；信號(hào)檢測(cè)　　山東省科委立項(xiàng)資助研究課題（971154504）　　第一作者簡(jiǎn)介：邱書波，副教授，碩士。主要從事工業(yè)過(guò)程計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制方面的科研與工程工作?！　≡S多造紙廠一直為所生產(chǎn)的紙張質(zhì)量不穩(wěn)定或低于設(shè)計(jì)要求所困惑，盡管這時(shí)造紙機(jī)的操作條件以及常規(guī)測(cè)試的濕部參數(shù)維持正常值，原因何在？一個(gè)重要因素是溶解的和懸浮的物質(zhì)動(dòng)電學(xué)和表面電量、微生物活性以及添加劑的影響。在實(shí)踐過(guò)程中，大量證據(jù)表明用于表征上述因素的紙漿的Zeta電位對(duì)成紙質(zhì)量的影響很大?！　癫刻砑觿┩ㄟ^(guò)吸附在纖維表面而保留在紙上，過(guò)去控制濕部化學(xué)過(guò)程主要是調(diào)節(jié)pH值，其實(shí)pH值并非紙漿性質(zhì)的真實(shí)反映，關(guān)鍵在于纖維的各種添加劑的凝聚結(jié)構(gòu)和留著率，這主要由紙料固體粒子的Zeta電位決定。1　Zeta電位及其測(cè)量　　Zeta電位是指固體粒子在液體中滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生在固體表面的液體固定層與可動(dòng)層之間的電位差，以mV表示。當(dāng)Zeta電位較高時(shí),漿料中各種粒子帶有較多的電荷庫(kù)侖力而阻止纖維與填料及膠體的接觸，影響細(xì)小纖維、膠體、填料的留著而隨網(wǎng)部白水流失。當(dāng)Zeta電位趨向零時(shí)，粒子間的范德華力起主要作用，而大大改善留著率、濾水性和紙頁(yè)濕強(qiáng)度，減少斷紙，減少紙病。通過(guò)Zeta電位的在線檢測(cè)，可盡快地檢測(cè)濕部化學(xué)的變化，以便及時(shí)精確地調(diào)整化學(xué)助劑的加入點(diǎn)和加入量?！　eta電位的測(cè)量有幾種方法，但目前所見到的多是離線測(cè)量方式。本文所采用的是流動(dòng)電位法，實(shí)現(xiàn)了用流動(dòng)電位法在線測(cè)量紙漿Zeta電位。其測(cè)量裝置取樣檢測(cè)部分如圖1所示。某種壓力的液體流經(jīng)多孔網(wǎng)墊時(shí)，測(cè)出兩端電極的電位差即為流動(dòng)電位差[1]，與Zeta電位的關(guān)系為：ξ=SPCηΔPε式中：SP—流動(dòng)電位式　　η—介質(zhì)粘度式　　ε—流體的等電點(diǎn)常數(shù)式　　C—液體的傳導(dǎo)率式　　ΔP—穿過(guò)塞子的液體壓力降２　在線檢測(cè)裝置工作過(guò)程 　　檢測(cè)裝置包括緩沖罐、漿塞形成與測(cè)量室、測(cè)量電極、壓力與溫度傳感器、氣水控制閥組成。由單片計(jì)算機(jī)控制抽氣閥對(duì)上緩沖罐抽真空，主管道的紙漿在壓力作用下被濾網(wǎng)阻擋，在測(cè)量室形成漿塞，單片機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)抽真空閥F1和輔助調(diào)壓閥F2調(diào)節(jié)緩沖罐內(nèi)的負(fù)壓，使?jié){塞產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)單片計(jì)算機(jī)控制進(jìn)氣閥F3進(jìn)氣時(shí)緩沖罐內(nèi)產(chǎn)生正壓，使?jié){塞向下運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)閥F1、F2、F3的協(xié)調(diào)控制使?jié){塞在測(cè)量室內(nèi)的兩鉑電極之間形成電位差，即流動(dòng)電位差。單片機(jī)完成多次信號(hào)測(cè)量后，打開沖水閥F4和沖氣閥F3，將被測(cè)漿料沖入主管道，再進(jìn)行下一輪測(cè)量。圖1　Zeta電位在線檢測(cè)裝置取樣結(jié)構(gòu)３　被測(cè)電位差信號(hào)處理　　實(shí)際所測(cè)量到的兩電極間的電位差，為一隨著漿塞運(yùn)動(dòng)變化的類正弦信號(hào)迭加在一緩慢浮動(dòng)信號(hào)之上的mV級(jí)信號(hào)，其頻率與漿塞運(yùn)動(dòng)頻率一致。其信號(hào)的性質(zhì)是由電極的特性和液體的特性決定的，該信號(hào)幾乎淹沒(méi)在浮動(dòng)變化的信號(hào)中，對(duì)這種信號(hào)的處理,文獻(xiàn)[2]用閥值比較的方法，但對(duì)于緩變浮動(dòng)信號(hào)不合適。文獻(xiàn)[3]使用變?cè)鲆娣糯笃鲗?duì)浮動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償校正，是階梯狀放大，隨著放大系數(shù)的改變,有效信號(hào)的放大倍數(shù)亦階梯狀隨動(dòng)，信號(hào)檢測(cè)的精度時(shí)高時(shí)低。針對(duì)Zeta電位信號(hào)的特點(diǎn)，本裝置采用的是恒定放大系數(shù)，用單片機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償浮動(dòng)信號(hào)的方法?！　∮捎趯?duì)Zeta電位信號(hào)的處理，需要較快精確的數(shù)據(jù)采集和大量的數(shù)值運(yùn)算，所以采用16位單片計(jì)算機(jī)80C196KB。測(cè)量電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2　測(cè)量電路結(jié)構(gòu)圖3　電位信號(hào)與輸出信號(hào)　　電位信號(hào)，如圖3(a)所示，經(jīng)過(guò)儀用放大器A1放大，其輸出V0與計(jì)算機(jī)輸出的補(bǔ)償浮動(dòng)信號(hào)，經(jīng)第二級(jí)緩沖放大器A2差分放大后，輸出值為期望信號(hào)Vz。計(jì)算機(jī)用14位并行轉(zhuǎn)換芯片AD779KN 對(duì)浮動(dòng)信號(hào)檢測(cè)，得到V0的數(shù)列值{V01,V02,V03……}。經(jīng)過(guò)該電路處理后的信號(hào)輸出如圖3(b)所示?！　≡谇蠼獾玫疆?dāng)前周期內(nèi)的最小值和最大值及其前3個(gè)周期內(nèi)的最小值與最大值，即：Vmin(n-3)、Vmin(n-2)、Vmin(n-1)、 Vmin(n)及時(shí)間tn-3、tn-2、tn-1、tn后，可利用Newton差值公式求得 Vmin(t)=C0+C1t+C2t2+C3t3，該函數(shù)表示了浮動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償值的變化規(guī)律。外推下一步在[tn tn+1]內(nèi)校正補(bǔ)償值V(t)=Vmin(t) 。令單片機(jī)的采樣運(yùn)算求解輸出補(bǔ)償量的周期tc遠(yuǎn)小于紙漿流動(dòng)電位的變化周期TP。由于本文中采用高速并行A/D轉(zhuǎn)換芯片及高速D/A轉(zhuǎn)換芯片，并用快速牛頓插值求解算法可滿足tC<<TP?！　?dòng)態(tài)實(shí)時(shí)求解交變信號(hào)的最小、最大值：?jiǎn)纹瑱C(jī)高速采集電路的放大輸出值V0產(chǎn)生離散數(shù)值序列。通過(guò)求Vi=f(ti)的導(dǎo)數(shù)及判別導(dǎo)數(shù)的變化率，可求Vmin產(chǎn)生的時(shí)刻，f′(t)由-→0→+變化時(shí)為 f′(t)=0，則f(t)是Vmin；而f′(t)由+→0→-變化時(shí) f′(t)＝０，則f(t)為Vmax。為了對(duì)A/D采樣更加精確，在數(shù)據(jù)處理中使用去掉最大值及最小值與快速加權(quán)中值濾波法處理進(jìn)一步提高了求Vmax和Vmin的精度。其方法是對(duì)數(shù)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)，開辟一窗口包含N個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)窗隨著時(shí)間平移，去掉一大一小2個(gè)數(shù)據(jù)，做N-2個(gè)數(shù)據(jù)的加權(quán)中值濾波，送入數(shù)據(jù)隊(duì)列中。4　軟件結(jié)構(gòu)　　檢測(cè)裝置軟件采用PLM96高級(jí)語(yǔ)言編寫，分為三層模塊。第一層硬件資源驅(qū)動(dòng)程序模塊包括：AD驅(qū)動(dòng)程序，DA驅(qū)動(dòng)程序，顯示驅(qū)動(dòng)程序，鍵盤輸入驅(qū)動(dòng)程序。第二層應(yīng)用模塊包括：測(cè)量動(dòng)作邏輯控制程序模塊，數(shù)據(jù)采樣尋凹點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊，樣條函數(shù)求解模塊，求解單步補(bǔ)償輸出量程序模塊，流動(dòng)電位求解與Zeta電位數(shù)據(jù)序列濾波處理模塊。第三層為人機(jī)交互模塊，包括測(cè)量裝置所需固化參數(shù)與數(shù)據(jù)表格及輸入模塊，測(cè)量過(guò)程狀態(tài)與測(cè)量結(jié)果顯示模塊，Zeta電位模擬量輸出模塊，RS485通訊模塊。5　結(jié)束語(yǔ)　　該裝置通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室專用離線Zeta電位測(cè)量?jī)x測(cè)試結(jié)果相吻合，該裝置能實(shí)時(shí)顯示測(cè)定的數(shù)據(jù)，并快速作數(shù)值處理，克服了低頻浮動(dòng)信號(hào)的測(cè)量難點(diǎn)。