一种快速纸浆卡伯值测定仪及其控制方法

摘要

本发明公开了一种快速纸浆卡伯值测定仪及其控制方法，包括反应池、与反应池相通且结构相同的三个加液单元和承载反应池的磁力搅拌器；还包括步进电机、与步进电机连接的滑行轨道、设于滑行轨道上的滑块和上下限位开关、与滑块固定连接的支架；还包括比色皿、废液池、蠕动泵，蠕动泵可将液体由反应池经比色皿抽到废液池内；还包括光源、光电转换装置、数据显示装置，光源发出的光经比色皿，由光电转换装置接收、转换并输送给单片机；测定仪上电后会进行自检，以确保处于正常初始状态，同时驱动电源发光进行预热；在正式检测待测样品前，需先进行扣空白、测底液、测标样操作，再检测待测样品；实验结束后，清洗装置。

说明书

技术领域

本发明涉及制浆造纸过程中纸浆卡伯值的测定，尤其涉及一种快速纸浆 卡伯值测定仪及其控制方法。

背景技术

纸浆卡伯值是制浆工艺中的一个重要控制参数，同时也是后续漂白工艺 加入漂白剂用量的依据。快速、准确地测定未漂纸浆的卡伯值将有助于及时 了解原料的蒸煮程度，从而对蒸煮条件进行相应的调整。这对与优化制浆生 产，即：提高原材料的利用率、保证纸浆的质量、节能减排，有着非常重要 的现实意义。目前，普遍使用的测定纸浆卡伯值的方法仍然是传统的滴定法 (TAPPI-T236、SCAN-C1：77、ISO302)，这些测定方法不仅步骤繁琐、耗时， 而且测量结果受到滴定终点判断、实验操作熟练程度和操作顺序等人为因素 的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、易 于操作控制的快速纸浆卡伯值测定仪及其控制方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种快速纸浆卡伯值测定仪，包括反应池2、与反应池2相通且结构相同 的三个加液单元和承载反应池2的磁力搅拌器9，这三个加液单元分为第一加 液单元11、第二加液单元12、第三加液单元13；这三个加液单元内分别装有 蒸馏水、KMnO₄溶液、H₂SO₄溶液；所述磁力搅拌器9的搅拌转子10置于反 应池2内；

所述测定仪还包括：步进电机1、与步进电机1连接的滑行轨道3、设于 滑行轨道3上的滑块4、与滑块4固定连接的支架7，所述的滑行轨道3的上 下两端分别设有上限位开关5和下限位开关6，所述支架7的垂直部分与反应 池2的轴在同一直线上，支架7用于固定承载纸浆样品的样品塞8，所述的样 品塞8为圈形，附有一层细网，其直径与反应池8的口径相同；

所述测定仪还包括：比色皿15、废液池16、蠕动泵14，其中比色皿15 的下端接口通过液体流通管道连接反应池2，上端接口通过液体流通管道连接 废液池16；蠕动泵14提供液体流动的动力，将液体由反应池2经比色皿15 抽到废液池16内，所述的比色皿15为流动比色皿，其下端接口为液体入口， 上端接口为液体出口；

所述测定仪还包括：光源17、光电转换装置18、数据显示装置19，光源 17发出的光通过光纤传导，经比色皿15，由光电转换装置18接收，经放大、 转换后输送给单片机，单片机对数据进行处理并将其显示在数据显示装置19 上；

所述测定仪还包括：电路控制模板，采用单片机作为中央处理器；通过 电路控制模板的控制电路与加液单元、磁力搅拌器9、步进电机1、上限位开 关5、下限位开关6、蠕动泵14、光源17、光电转换装置18、数据显示装置 19电连接。

上述快速纸浆卡伯值测定仪的控制方法，包括以下步骤：

S1.按下扣空白按钮，单片机收到扣空白信号后，启动蒸馏水加液部件 11，向反应池内注入蒸馏水；

S2.注入蒸馏水后，第一加液单元11自动关闭，并反馈给单片机，然后 单片机启动蠕动泵14慢档；

S3.蠕动泵14开启成功的信号反馈给单片机，单片机开始计时，n1秒后 自动读取A_Water；

S4.单片机读取数据成功后，启动蠕动泵14快档，蠕动泵14成功启动后 将启动完毕的信号反馈给单片机；

S5.单片机自收到反馈信号起开始计时，n2秒后关闭蠕动泵14，并将关 闭成功信号反馈给单片机，同时扣空白指示灯亮，以示扣空白完毕；

S6.按下测底液按钮，单片机向装有KMnO₄溶液的第二加液单元12发出 启动信号，第二加液单元12启动；

S7.注入KMnO4溶液后，第二加液单元12自动关闭并将已关闭信号反 馈给单片机，然后单片机启动磁力搅拌器9；

S8.磁力搅拌器9启动成功后，向单片机发送反馈信号，然后单片机启动 装有稀H₂SO₄溶液的第三加液单元13；

S9.注入H₂SO₄溶液后，第三加液单元13自动关闭并反馈给单片机，随 后单片机启动蠕动泵14慢档；

S10.单片机收到蠕动泵14成功启动的消息后，开始计时，计时n1秒后 自动读取A_Early；

S11.单片机读取数据成功后，关闭蠕动泵14；蠕动泵14将关闭成功的 信号反馈给单片机，同时测底液指示灯亮，以示测底液完毕；

S12.将承载已预处理好的标样的样品塞8固定完毕后，按下测标样按钮， 单片机会把请输入标样卡伯值和绝干量的提示信息，输出到显示屏19上；

S13.按提示要求，成功输入所需数据后，单片机向步进电机1发送启动 信号，步进电机1启动，带动滑块4向下运动；

S14.步进电机1向下运动至触碰下限位开关6时停止，并将停止成功信 号反馈给单片机；

S15.从单片机收到步进电机1停止在下限位开关6的反馈信息时开始计 时，n3秒后单片机再次向步进电机1发出启动信号，步进电机1启动后带滑 块4向上运动；

S16.步进电机1向上运动至触碰上限位开关5时止，并将已停止信号反 馈给单片机；

S17.单片机收到反馈信号后，启动蠕动泵14慢档，蠕动泵14启动，并 将已成功启动的信号反馈给单片机；

S18.单片机从收到该反馈信号后开始计时，n1秒后自动读取A_Late；

S19.成功读取数据后，单片机启动蠕动泵14快档，蠕动泵14启动，并 将已成功启动的信号反馈给单片机；

S20.从单片机收到蠕动泵14已成功启动快档的反馈信号始计时，n2秒 后单片机向装有蒸馏水的第一加液单元11发出启动信号，第一加液单元11 开启；

S21.注入蒸馏水后，第一加液单元11自动关闭，并反馈给单片机；

S22.单片机从收到该反馈信号后开始计时，n4秒后向蠕动泵14发出关 闭信号，蠕动泵14关闭，并将已关闭信号反馈给单片机；

S23.单片机得知蠕动泵14成功关闭后，向磁力搅拌器9发出关闭信号， 磁力搅拌器9关闭，同时测标样指示灯亮，以示标样已测定完毕；

S24.按下“开始检测”按钮，单片机会输出“请输入所测样品的绝干量” 提示信息到显示屏19上；

S25.仪器将重复执行上述S13～S22步骤；

S26.单片机获取蠕动泵14成功关闭后，向磁力搅拌器9发出关闭信号， 磁力搅拌器9关闭，同时开始检测指示灯亮，以示所测样品已测定完毕，并 且样品的卡伯值会显示在显示屏19上；

S27.按下“清洗按钮”，单片机启动蠕动泵14慢档；

S28.按下“清洗结束”按钮，单片机关闭蠕动泵14。

纸浆卡伯值表示残留在纸浆中的木素和其他还原性物质的含量，其测定 原理是利用木素等还原性有机物与氧化剂高锰酸钾（KMnO₄）反应，测量在 特定条件下所能消耗氧化剂的量来确定纸浆的卡伯值。本仪器基于该测量原 理依据紫外分光光度法和一点矫正法，通过测定吸光度的变化来确定纸浆所 消耗的高锰酸钾量来测得纸浆的卡伯值。标准浆样的卡伯值（Ks）由TAPPI 标准测得，分光光度法测定卡伯值的计算式为：

$K=\frac{a}{w}[1-\frac{A^e}{A^0}]---\left(1\right)$

式中：K为待测纸浆的卡伯值；w为反应绝干浆质量，g；a为加入纸浆前高 锰酸钾的量，mL；A⁰和A^e分别为加入纸浆前和反应后溶液的吸光度。

以已知卡伯值的纸浆作相对标准，待测纸浆卡伯值的计算式为：

$K=K_s\frac{w_s(A^0-A^e)}{w(A^0-A_s^e)}---\left(2\right)$

式中：K_s、w_s、分别是标准浆样的卡伯值、绝干质量及反应后溶液的吸光 度。

由式（2）可知，只要用一个已知卡伯值（由TAPPI标准方法得到）的纸浆试 样作参照，测出在相同条件下已知浆样和未知浆样与KMnO4溶液反应后的吸 光度（波长在546nm处），就可以计算出未知浆样的卡伯值。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明智能化程度高，可实现自动加液，自动加入待测样品，自动控制 反应终点，自动读取检测数据，自动处理、保存、显示数据，自动清洗仪器。 该装置基于分光光度测定法，通过适当提高反应介质的酸度并结合溶液中高 猛酸钾浓度的比色分析来确定待测样品的卡伯值，从而使卡伯值的测定更为 科学、快速和准确。

附图说明

图1为本发明快速纸浆卡伯值测定仪的结构示意图；

图2为电路控制模板电器方框示意图。

图3为本测定仪的工作原理方框示意图。

图4为测定仪的总流程方框示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1所示，本发明快速纸浆卡伯值测定仪，包括反应池2、与反应池2 相通且结构相同的三个加液单元和承载反应池2的磁力搅拌器9，这三个加液 单元分为第一加液单元11、第二加液单元12、第三加液单元13；这三个加液 单元内分别装有蒸馏水、KMnO₄溶液、H₂SO₄溶液；且每加液一次均对应相 应的体积，这三个加液单元有时序的向反应池2内加入上述三种液体，其中 蒸馏水用于进行空白对照和清洗装置，KMnO₄溶液和H₂SO₄溶液用于调配反 应液，所述磁力搅拌器9的搅拌转子10置于反应池2内，磁力搅拌的作用主 要是使反应池内反应更均匀，所述的反应池2为圆柱形，主要用于承载纸浆 样品与酸性KMnO₄溶液的化学反应；

所述测定仪还包括：步进电机1、与步进电机1连接的滑行轨道3、设于 滑行轨道3上的滑块4、与滑块4固定连接的支架7，所述的滑行轨道3的上 下两端分别设有上限位开关5和下限位开关6，所述支架7的垂直部分与反应 池2的轴在同一直线上，支架7主要是用于固定承载纸浆样品的样品塞8，所 述的样品塞8为圈形，附有一层细网，其直径与反应池2的口径相同，可很 吻合的穿行于反应池2内，步进电机1用于将承载样品的样品塞8送至反应 池2内，待反应一定时间后再将样品塞8提出；

所述测定仪还包括：比色皿15、废液池16、蠕动泵14，其中比色皿15 的下端接口通过液体流通管道连接反应池2，上端接口通过液体流通管道连接 废液池16；蠕动泵14提供液体流动的动力，将液体由反应池2经比色皿15 抽到废液池16内，所述的比色皿15为流动比色皿，其下端接口为液体入口， 上端接口为液体出口；所述的蠕动泵14为可变速的蠕动泵，这里为快档和慢 档；

所述测定仪还包括：光源17、光电转换装置18、数据显示装置19，光源 17发出的光通过光纤传导，经比色皿15，由光电转换装置18接收，经放大、 转换后输送给单片机，单片机对数据进行处理并将其显示在数据显示装置19 上，所述的光源17需提供546nm的波长，比如卤钨灯，发光二极管均可，所 述的光电转换装置18能将光信号转变为电信号，并可对其放大、模数转换， 然后输出给单片机，光电转换装置18可使用光电池部件、全光纤三节点补偿 网络装置或光谱仪，所述的数据显示装置19，能显示、记录、保存数据；

所述测定仪还包括：电路控制模板，采用单片机作为中央处理器；通过 电路控制模板的控制电路与加液单元、磁力搅拌器9、步进电机1、上限位开 关5、下限位开关6、蠕动泵14、光源17、光电转换装置18、数据显示装置 19电连接。

如图2所示，单片机作为中央处理器，通过三个加液单元的控制电路来 控制三个加液单元有时序添加一定体积的相应液体；通过磁力搅拌器的控制 电路控制其启动和关闭；通过步进电机的控制电路来驱动步进电机并控制步 进电机正反转，以及经限位开关控制起止位置；通过蠕动泵的控制电路控制 蠕动泵开启快、慢档及关闭蠕动泵；通过光源的控制电路驱动光源发光，光 穿过比色皿后经光电转换装置将光信号转换为电信号，电信号经放大、数字 化后由单片机读取；单片机对数据处理后，将其输出显示到显示屏上。

如图3所示，首先测定用于配备反应液的蒸馏水的吸光度，其次检测与 纸浆样品反应前的酸性高锰酸钾溶液的吸光度，最后测定与纸浆样品反应后 反应液的吸光度。由此可计算出吸光度的变化，通过该变化来确定纸浆所消 耗的高锰酸钾量而测得纸浆的卡伯值。在计算所测样品卡伯值时，亦采用了 一点矫正法，以已知卡伯值的纸浆作相对标准，来标定所测纸浆的卡伯值。

图4示出了本测定仪的总流程：

（1）给测定仪上电后，测定仪会进行自检，确定自己处于正常初始状态， 同时驱动电源发光进行预热；

（2）在正式检测待测样品前，需首先进行扣空白操作，其次测底液，再 次测标样；

（3）检测待测样品，检测多个待测样品时，该过程可循环操作；

（4）待实验完毕时，可用蒸馏水或先用酸性碘化钾再用蒸馏水清洗；

（5）清洗完毕，关闭电源至此实验结束。

应用上述快速纸浆卡伯值测定仪的控制方法，具体通过下述步骤实现：

S1.按下扣空白按钮，单片机收到扣空白信号后，启动蒸馏水加液部件 11，向反应池内注入蒸馏水；

S2.注入一定体积的蒸馏水后，第一加液单元11自动关闭，并反馈给单 片机，然后单片机启动蠕动泵14慢档；

S3.蠕动泵14开启成功的信号反馈给单片机，单片机开始计时，n1秒后 自动读取A_Water；

S4.单片机读取数据成功后，启动蠕动泵14快档，蠕动泵14成功启动后 将启动完毕的信号反馈给单片机；

S5.单片机自收到反馈信号起开始计时，n2秒后关闭蠕动泵14，并将关 闭成功信号反馈给单片机，同时扣空白指示灯亮，以示扣空白完毕；

S6.按下测底液按钮，单片机向装有KMnO₄溶液的第二加液单元12发出 启动信号，第二加液单元12启动；

S7.注入一定体积的KMnO₄溶液后，第二加液单元12自动关闭并将已关 闭信号反馈给单片机，然后单片机启动磁力搅拌器9；

S8.磁力搅拌器9启动成功后，向单片机发送反馈信号，然后单片机启动 装有稀H₂SO₄溶液的第三加液单元13；

S9.注入一定体积的H2SO₄溶液后，第三加液单元13自动关闭并反馈给 单片机，随后单片机启动蠕动泵14慢档；

S10.单片机收到蠕动泵14成功启动的消息后，开始计时，计时n1秒后 自动读取A_Early；

S11.单片机读取数据成功后，关闭蠕动泵14；蠕动泵14将关闭成功的 信号反馈给单片机，同时测底液指示灯亮，以示测底液完毕；

S12.将承载已预处理好的标样的样品塞8固定完毕后，按下测标样按钮， 单片机会把请输入标样卡伯值和绝干量的提示信息，输出到显示屏19上；

S13.按提示要求，成功输入所需数据后，单片机向步进电机1发送启动 信号，步进电机1启动，带动滑块4向下运动；

S14.步进电机1向下运动至触碰下限位开关6时停止，并将停止成功信 号反馈给单片机；

S15.从单片机收到步进电机1停止在下限位开关6的反馈信息时开始计 时，n3秒后单片机再次向步进电机1发出启动信号，步进电机1启动后带滑 块4向上运动；

S16.步进电机1向上运动至触碰上限位开关5时止，并将已停止信号反 馈给单片机；

S17.单片机收到反馈信号后，启动蠕动泵14慢档，蠕动泵14启动，并 将已成功启动的信号反馈给单片机；

S18.单片机从收到该反馈信号后开始计时，n1秒后自动读取A_Late；

S19.成功读取数据后，单片机启动蠕动泵14快档，蠕动泵14启动，并 将已成功启动的信号反馈给单片机；

S20.从单片机收到蠕动泵14已成功启动快档的反馈信号始计时，n2秒 后单片机向装有蒸馏水的第一加液单元11发出启动信号，第一加液单元11 开启；

S21.注入一定体积的蒸馏水后，第一加液单元11自动关闭，并反馈给单 片机；

S22.单片机从收到该反馈信号后开始计时，n4秒后向蠕动泵14发出关 闭信号，蠕动泵14关闭，并将已关闭信号反馈给单片机；

S23.单片机得知蠕动泵14成功关闭后，向磁力搅拌器9发出关闭信号， 磁力搅拌器9关闭，同时测标样指示灯亮，以示标样已测定完毕；

S24.按下“开始检测”按钮，单片机会输出“请输入所测样品的绝干量” 提示信息到显示屏19上；

S25.仪器将重复执行上述S13～S22步骤；

S26.单片机获取蠕动泵14成功关闭后，向磁力搅拌器9发出关闭信号， 磁力搅拌器9关闭，同时开始检测指示灯亮，以示所测样品已测定完毕，并 且样品的卡伯值会显示在显示屏19上；

S27.按下“清洗按钮”，单片机启动蠕动泵14慢档；

S28.按下“清洗结束”按钮，单片机关闭蠕动泵14。

如上所述便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的 精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置 换方式，都包含在本发明的保护范围之内。