專利名稱：用于控制混合效率的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一 種用于控制混合器的混合效率的方法和裝置，該混合 器用于混合兩種流體，特別是將一種化學(xué)品混入一種處理液中。根據(jù)本 發(fā)明的方法和裝置特別適合與一種在化學(xué)和機械木材加工工業(yè)中用于 將一種氣態(tài)或液態(tài)化學(xué)品混入一種中濃處理液中的混合器一起使用，不 過本發(fā)明當(dāng)然也適合于在其他的相關(guān)應(yīng)用中使用。
背景技術(shù)：
;f艮多工業(yè)過程，例如在紙漿工業(yè)和造紙工業(yè)中，都會使用多種化學(xué) 品與漿料例如紙漿混合。為了避免化學(xué)浪費，很多加工廠例如紙漿廠都 從漿料中去除水分使其變得更為粘稠，例如所謂的中濃度紙漿，其定義
是干性固體含量在8%至18%之間的纖維/氣/水懸浮液，從而可以阻止繼 續(xù)混入化學(xué)品的嘗試。可以和紙漿混合的化學(xué)品包括，例如，氧氣，水 蒸汽，過氧化氫，過氧乙酸，二氧化氯和臭氧。為了促進化學(xué)品和漿料 的混合，經(jīng)常使用機械式混合器或靜態(tài)混合器來分散化學(xué)品。
化學(xué)品和漿料的混合效率是非常重要的，因為良好的混合可以使化 學(xué)品和漿料之間的接觸面積最大化并由此減少了過多使用化學(xué)品的需 求?；瘜W(xué)品的優(yōu)化使用改善了過程控制和產(chǎn)品質(zhì)量并降低了環(huán)境負荷。 加工和購買化學(xué)品經(jīng)常會顯著增加生產(chǎn)成本，因此化學(xué)品消耗量的減少 可以帶來明顯的成本節(jié)約。
另一方面，混合器要消耗能量，或者是機械式混合器的電機消耗能 量，或者在靜態(tài)混合器的情況下是流體的流動要消耗能量。消耗的能量 就代表了能耗，這會降低生產(chǎn)過程的整體能效。因此，避免過于強力的 混合，也就是避免已經(jīng)不能再增加末端流體的均勻性或者只能不明顯地 改善均勻性的混合也是很重要的。
混合效率可以用不同的數(shù)量指標(biāo)來量化，例如混合指數(shù)M，其定義
為測量值的標(biāo)準差除以測量值的平均值，或者混合效果E，其定義為 E=100*(l-M"/0
為了將混合調(diào)節(jié)到最適宜的水平，應(yīng)該在混合器的下游在線測量混 合效率?；旌现笖?shù)的測試可以在實驗室中通過各種方法進行，例如通過 使用紫外線追蹤材料并在混合器出口處通過光纖探測器進行測量，從而 能夠在混合器出口處測量并顯示分布和標(biāo)準差。但是，實驗室中的測試 方法，例如通過紫外線追蹤材料進行的測試，通常在加工廠是難以進4亍 的，因此對于加工廠的操作員來說其價值有限。
一種用于度量低溫化學(xué)品和溫度較高的中濃度紙漿流體混合情況 的方法是基于通過設(shè)置在出料管表面上的熱電偶陣列得到的混合器出 口處的溫度分布情況。不恰當(dāng)混合的化學(xué)品會在一個測量點處顯示為4氐 溫點而同時另 一 個沒有混入任何冷化學(xué)品的測量點則會顯示為過熱。該 方法僅在管道表面的附近區(qū)域監(jiān)測各部分的混合情況。因為基于例如系 統(tǒng)各部分的熱力時間常數(shù)的誤差，這種方法的可用性也是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種用于測量混合器的混合效率的方法 和裝置，以用來控制混合器的混合效率。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種用于控制混合器的混合效率的方 法和裝置以同時確?；旌闲实某浞趾捅苊膺^于強力的混合。
為了實現(xiàn)本發(fā)明上述以及其他的目標(biāo)，如所附權(quán)利要求所述提出了 一種方法。特別地，根據(jù)本發(fā)明，提出了一種控制混合器混合效率的方 法，該方法包4舌以下步驟將化學(xué)品注入管道內(nèi)流動的處理液中；用在 第一運行速率下運行的混合器將化學(xué)品和處理液混合；在混合器下游的 管道內(nèi)測量化學(xué)品和處理液的混合效率；將測得的混合效率和混合效率 的預(yù)定范圍相比較并控制混合器的運行速率以將混合效率調(diào)整到混合 效率的預(yù)定范圍內(nèi)。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提出了一種用于將化學(xué)品混入處理液并具有可 控的混合效率的裝置，該裝置包括例如用于將化學(xué)品注入管道內(nèi)流動的 處理液中的注射器，用于將化學(xué)品和處理液混合的混合器，用于測量化 學(xué)品和處理液在混合器下游管道內(nèi)的混合效率的測量裝置，和用于在測 得的混合效率的基礎(chǔ)上控制混合器的運行速率的控制器等裝置。
化學(xué)品和處理液在混合器下游管道內(nèi)的混合效率有利地通過使用 設(shè)置在管道周圍的一組電極進行測量。電極優(yōu)選地在管道周圍規(guī)則地分 布。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，流體的混合效率通過一種公知的，能夠
提供管道整個橫截面上的流體圖像的電阻抗層析成像(EIT)感測技術(shù) 進行測量。
電阻抗層析成像技術(shù)是一種非接觸性的，高時間分辨率和低成本的 技術(shù)，它不會造成輻射并且易于實施。電阻抗層析成像技術(shù)可以是例如 電阻層析成像或者電容層析成像。實際選擇哪種方法主要取決于要測量 的流體的物理特性。電阻層析成像主要適用于包括連續(xù)導(dǎo)電部分的情 況，而電容層析成像則用于處理包括不同介電常數(shù)的絕緣混合物。最通
術(shù)，其中的電阻性分量通過同相測量法進行檢測而電容性分量通過正交 相位測量法進行檢測。
美國專利5130661中公開了一種基于電容層析成像的流體成像系 統(tǒng)。在應(yīng)用電容層析成像技術(shù)時，測量由設(shè)置在管道周圍的多對電容極 板形成的電容。美國專利5130661還公開了一種用于處理電容測量值以 計算出管道內(nèi)材料分布圖像的后向投影算法。通常電容層析成像技術(shù)可 以被用于觀測管路內(nèi)介電常數(shù)e的分布。電容極板的數(shù)量必須足夠多以 獲得所需的空間分辨率，但是也不能太多以便能夠在所需的時間分辨率 內(nèi)處理數(shù)據(jù)。
電阻層析成像技術(shù)的原理已經(jīng)在例如美國專利5807251中被公開。 在應(yīng)用電阻層析成像技術(shù)監(jiān)測管道內(nèi)材料的電阻率p的分布時，在管壁 的具有一定間距的多個位置安裝多個電極。電極彼此之間電絕緣并被設(shè) 置為與管道內(nèi)的材料電接觸。輸入電信號，通常是激勵電流信號，可以 被單獨加在電基準地極和每個電極之間，并分別輸出電信號，通常是在 電基準地極和其他的各個電極之間產(chǎn)生的電壓信號。測量并處理輸出信 號以提供材料分布的圖像，或者，實際上是沿管道截面的電阻率p或電 導(dǎo)率cj4/p分布的圖像。
在管壁是由導(dǎo)電材料制成的情況下，管壁自身即可有利地被加工成 用作相對于所施加的輸入電信號和所測量的輸出電信號的基準地極。在 此情況下，安裝在管壁上的電極與管壁之間電絕緣，并穿過管壁與管道 內(nèi)的材料相接觸。如果管壁是不導(dǎo)電的，那么必須采用其他提供基準地
極的方法。例如， 一種設(shè)置在管道內(nèi)的導(dǎo)電部件即可^皮加工成用作電極 的基準地極。
電信號還可以通過在電極對之間注入電流，并測量來自相同電極的 電壓或者更常見的是測量其他電極對之間的感應(yīng)電壓來獲得。根據(jù)這種 所謂的鄰點法，電流在相鄰的電極之間;故注入，然后測量其他電極對之 間的電壓。但是，這種方法在管道中心處的靈敏度較低，因此，更常見 地是在相對的電極之間或者是在彼此間隔另 一 特定距離的電極之間注 入電流。
通常電阻抗層析成像技術(shù)是基于一組設(shè)置在管道或管路周圍的電 極的使用，和假定電激勵被限定在電極的二維平面上。但是，原則上也 有可能使用三維的方法，其中，基于從設(shè)置在多個平面內(nèi)的電極所獲得 的數(shù)據(jù)，即可得到流體的三維分布情況。
有多種公知的算法用于根據(jù)測量的電信號來重建層析圖像。這些方 法包括，例如，所謂的后向投影法，靈敏度系數(shù)法，迭代法，變分法和 擾動法。這些方法中的任意一種都能夠被用于獲得每個重建圖像單元內(nèi) 的電阻率P或電導(dǎo)率(J的值。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，混合效率用混合效果E來度量 E=100*(l-M)% 其中M是混合指數(shù) M=S/<AN>，
其中S是從位于管道周圍的電極的電信號中獲取的參數(shù)An的稱準 差，而〈An〉是An的平均植。參數(shù)Aw可以是在測得電信號的基礎(chǔ)上形成的 層析圖像中充滿液體混合物的各個單元的電導(dǎo)率值a或介電常數(shù)值e 。
根據(jù)另一種更簡單的特別適用于管道截面完全被液體充滿時的方 法，Aw的值是從沒有形成實際層析圖像的各個電極對Li, Lj的電信號中 獲取的參數(shù)值A(chǔ)ij。 Aij的值可以作為例如電信號差值的函數(shù)f而被確定， 如下式
<formula>formula see original document page 7</formula>'
其中電信號&可以是例如電極Li和Lj之間觀測到的電容值或者是 電流脈沖注入到電極Li和地極之間時在電極Lj和地極之間觀測到的電 壓值，而《是針對管道內(nèi)充滿均勻的對應(yīng)液體的混合物時的對應(yīng)信號。 1999年，Lampinen，J. , Vehtari，A.和Lei廳ek K.在格陵蘭島康克魯
斯瓦格召開的第11屆斯堪的納維亞圖像分析會議SCIA'99上提出了一
種基于使用貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向統(tǒng)計分析，不需要重建圖像，即可用 于計算目標(biāo)變量例如混合指數(shù)的有利方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，混合器的運行速率被調(diào)節(jié)為使混合 效率處于預(yù)定范圍內(nèi)。通?；旌闲市枰哂谟赡尺m合參數(shù)確定的某個 混合效率最小值，例如最小混合效果Erain。因此，如果測得的混合效果 E低于最小混合效果EraiI1，那么混合器的運行速率就被以一個預(yù)定的微 小幅度增加。
另一方面，當(dāng)混合器不必要的高運行速率造成過多的動力損失時， 避免過高的運行速率就是有益的。在混合效率是混合器運行速率的單調(diào) 函數(shù)的情況下，可以簡單地通過確定混合效率的最大值，例如不應(yīng)被超 過的最大混合效果Eraax,來避免過多的動力消耗。因此，如果混合效果 E高于最大混合效果Eraax，那么混合器的運行速率就被以一個預(yù)定的微 小幅度降低。
但是，由于確定混合效果的分辨率相對較低，可能會無法確定可有 效測量的最大混合效果E^。在這樣的情況下，可以在最小混合效果E^ 被超過已達某一預(yù)定時間時，通過以一個預(yù)定的微小幅度降低混合器的 運行速率而使動力損失最小化，從而避免不必要的連續(xù)強力混合的可能 性。
也有可能混合效率不是混合器運行速率的單調(diào)函數(shù)，而是在某運行 速率下保持穩(wěn)定或者具有最大值并在運行速率高于某確定值時再次降
低。這樣的特性可以通過根據(jù)本發(fā)明的裝置觀測到，并相應(yīng)地對混合器 的運行速率進行優(yōu)化。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，混合器的運行速率通過調(diào)節(jié)機械式 混合器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速率或葉片角度而進行控制。如果混合器是靜態(tài)混合 器，混合器的運行速率可以通過調(diào)節(jié)混合促進部件例如混合器的阻流部 件或者肋片的角度或位置而進行控制。


以下參照附圖更詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置，其中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的裝置。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例裝置10,該裝置包括管道12， 其中有流動的第一部分處理液14，和用于將一部分化學(xué)品18注入處理 液的裝置16。通過使用機械式混合器20將化學(xué)品與處理液混合，混合 器20包括帶有混合葉片24的轉(zhuǎn)子22和用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子22的電機26?；?合器的運行速率能夠被控制器28所控制，控制器28控制了混合器20 的轉(zhuǎn)子22的旋轉(zhuǎn)速度。另外地或可選地，混合葉片24的葉片角度可以 是可控的，且控制器28可以被設(shè)計用于控制混合葉片24的葉片角度。
一組電極30優(yōu)選^皮規(guī)則地設(shè)置在在混合器20下游的管道12的壁 32周圍。電極的數(shù)量通常至少為8個，但是也可以更多，例如12個或 16個。電極30可以被安裝在管壁30的內(nèi)側(cè)以接觸混合流體34，或者， 在使用電容測量裝置時，被安裝在壁32的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，以處于流體34 附近。電極通常具有擴展的探測區(qū)域，以增加由電極獲得的電信號，但 是在某些應(yīng)用中，使用探測區(qū)域相對較小的電極可能是有益的。
電極32有利地被連接至多路復(fù)用器36，電流源38和電壓表40， 由此電流脈沖即可在選中的電極之間被注入，且電壓即可在同 一對電極 之間或者在選中的其他電極之間被測量。根據(jù)另一種解決方案，注入脈 沖是電壓而測量信號是電流脈沖。注入脈沖也可以在選中的電極和地極 之間;故注入，由此測量脈沖可以在選中的其他電極和地極之間被測量。
測得的信號，通常是測得的電壓，被傳送至一裝置，通常是計算機 42以用于計算混合器20的混合效率。通過使用公知的圖像重建算法， 計算機42可以被用于計算混合流體34內(nèi)的電阻率p或介電常數(shù)s分布 的層析圖像?？蛇x地，通過使用另一種算法，例如基于使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而 無需成形完整的層析圖像的算法，也能夠根據(jù)測得的電信號而推算出混 合效率。
計算機42被連接至控制器28，用于根據(jù)測得的混合效率來控制混 合器20的運行速率。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，混合效率的期望范圍 -陂輸入計算機42，混合器20的運行速率被控制用于將混合器20的混合 效率保持在混合效率的期望范圍內(nèi)。混合效率的期望范圍優(yōu)選地包括下 限，如果測得的混合效率低于下限，那么混合器的運行速率就被增加一 個微小的幅度?；旌闲实钠谕秶鷥?yōu)選地也包括上限，如果測得的混 合效率高于上限，那么混合器20的運行速率就^^皮增加一個微小的幅度。
在某些情況下，測量的精度可能會很低以致于無法確定混合效率期 望范圍的單獨上限。特別在這樣的情況下，調(diào)節(jié)混合器的控制過程使得 如果測得的混合效率超過期望的下限已達某一預(yù)定時間時，混合器的運 行速率就再次被減^、一個微小的幅度，這樣做可能是有益的。由此可以 確保不會由于混合器過高的運行速率造成過多的能量損失。
在某些應(yīng)用中，混合效率不是混合器運行速率的單調(diào)函數(shù)，而是在 某確定的運行速率下具有最大值并在運行速率更高時再次降低。為了避 免由于這種特性造成過度消耗能量，將混合器的性能特性數(shù)據(jù)存儲在計
算機42中，并且通過考慮這樣的特性來進行對混合器的控制，這樣做 是有利的。例如，如果混合效率隨著混合器運行速率的增加而降低，那 么明智的后續(xù)做法是馬上降低運行速率。相應(yīng)地，如果混合效率隨著混 合器運行速率的降低而增加，那么明智的后續(xù)做法仍然是繼續(xù)降低運行 速率。
圖1中所示的混合器是包括用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電機的機械式混合器。 根據(jù)本發(fā)明的另 一個實施例，混合器也可以是具有可調(diào)節(jié)的混合促進部 件例如肋片或者擋板的靜態(tài)混合器。結(jié)合與圖l所示的實施例相關(guān)的上 迷內(nèi)容，本發(fā)明也可以基于測得的混合效率，通過控制混合促進部件的 角度或位置而被應(yīng)用于靜態(tài)混合器，
應(yīng)該注意本發(fā)明的上述公開內(nèi)容僅僅介紹了相關(guān)的幾個示范性解 決方案。這些解決方案不應(yīng)該理解為將本發(fā)明僅僅限制在上述的細節(jié) 中，而應(yīng)該理解為本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求和其中的定義所限定。
權(quán)利要求
1.一種控制混合器的混合效率的方法，所述方法包括以下步驟a)將化學(xué)品注入處理液中，b)用在第一運行速率下運行的混合器將所述化學(xué)品和處理液混合，其特征在于，所述方法進一步包括以下步驟c)在混合器下游測量所述化學(xué)品和處理液的混合效率，d)將測得的混合效率和混合效率的預(yù)定范圍相比較，和e)控制所述混合器的運行速率以將混合效率調(diào)整到混合效率的預(yù)定范圍內(nèi)。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在步驟c)中，所述混 合效率是通過使用位于在混合器下游設(shè)置的管道或容器周圍的一組電 極進行測量的。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的一組電極被用 于電阻抗層析成像中。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括計算處 理液的電導(dǎo)率或介電常數(shù)的分布的步驟。
5、 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括無需重 建層析圖像即可計算混合效率的步驟。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合效率通過基 于使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進行計算。
7、 如上述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在步驟e) 中，所述混合器的運行速率通過調(diào)節(jié)所述混合器的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速率或者葉片角度來進行控制。
8、 如上述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述混合 器是靜態(tài)混合器，并且在步驟e)中所述混合器的運行速率通過調(diào)節(jié)所述 混合器的混合促進部件來進行控制。
9、 如上述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述混合 效率的預(yù)定范圍包括下限，并且如果測得的混合效率低于下限，那么就 在步驟e)中增大所述混合器的運行速率。
10、 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述混合效率的預(yù)定 范圍包括上限，并且如果測得的混合效率高于上限，那么就在步驟e) 中減小所述混合器的運行速率。
11、 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，如果所述混合效率連 續(xù)地高于下限達到一預(yù)定時間，那么就減小所述混合器的運行速率。
12、 如上述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述化學(xué) 品在所述混合器的上游被注入在管道內(nèi)流動的處理液中。
13、 如上述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述處理 液是中濃度紙漿。
14、 一種用于將化學(xué)品混入處理液并具有可控的混合效率的裝置， 所述裝置包括-用于將化學(xué)品注入處理液中的注射器和/或注射連接裝置， -用于將化學(xué)品和處理液混合的混合器， 其特征在于所述裝置包括-能夠在所述混合器的下游確定所述化學(xué)品和處理液的混合效率 的測量裝置，-連接至所述測量裝置和混合器用于在測得的混合效率的基礎(chǔ)上 控制所述混合器的運行速率的控制器。
15、 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括設(shè)置 在所述混合器下游的管道或容器，并且所述測量裝置包括一組設(shè)置在所 述管道或容器周圍的電極。
16、 如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述測量裝置包括 用于生成所述管道或容器內(nèi)的電導(dǎo)率或介電常數(shù)分布的層析圖像的裝 置。
17、 如權(quán)利要求14至16中的任意一項所述的裝置，其特征在于， 所述控制器包括用于調(diào)節(jié)混合器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速率或葉片角度的裝置。
18、 如權(quán)利要求14至17中的任意一項所述的裝置，其特征在于， 所述混合器是靜態(tài)混合器，所述控制器包括用于調(diào)節(jié)所述混合器的混合 促進部件的裝置。
19、 如權(quán)利要求14至18中的任意一項所述的裝置，其特征在于， 所述混合器用于將氣態(tài)或液態(tài)的化學(xué)品與中濃度紙漿混合。
全文摘要
一種用于控制混合器的混合效率的方法和裝置，包括將化學(xué)品注入在管道內(nèi)流動的處理液中，用在第一運行速率下運行的混合器將化學(xué)品和處理液混合，其中該方法進一步包括在混合器下游的管道內(nèi)測量化學(xué)品和處理液的混合效率，將測得的混合效率和混合效率的預(yù)定范圍相比較，控制混合器的運行速率以將混合效率調(diào)整到混合效率的預(yù)定范圍內(nèi)的步驟?；旌闲蕛?yōu)選地通過使用設(shè)置在管道周圍的一組電極進行測量，且混合效率優(yōu)選地通過使用電阻抗層析成像技術(shù)獲得。
文檔編號B01F5/06GK101374592SQ200780003780
公開日2009年2月25日 申請日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月30日
發(fā)明者K·萊諾南 申請人:蘇舍泵有限公司