提　要：介绍了一种新的纸浆Zeta电位检测装置，它基于单片计算机控制和数据处理。被测信号Zeta电位在测量过程中是缓变浮动的，对此提出了相应的自动跟踪处理方法及相关的数据处理方法。关键词：Zeta电位；纸浆；造纸机；信号处理；信号检测　　山东省科委立项资助研究课题（971154504）　　第一作者简介：邱书波，副教授，硕士。主要从事工业过程计算机测量与控制方面的科研与工程工作。　　许多造纸厂一直为所生产的纸张质量不稳定或低于设计要求所困惑，尽管这时造纸机的操作条件以及常规测试的湿部参数维持正常值，原因何在？一个重要因素是溶解的和悬浮的物质动电学和表面电量、微生物活性以及添加剂的影响。在实践过程中，大量证据表明用于表征上述因素的纸浆的Zeta电位对成纸质量的影响很大。　　湿部添加剂通过吸附在纤维表面而保留在纸上，过去控制湿部化学过程主要是调节pH值，其实pH值并非纸浆性质的真实反映，关键在于纤维的各种添加剂的凝聚结构和留着率，这主要由纸料固体粒子的Zeta电位决定。1　Zeta电位及其测量　　Zeta电位是指固体粒子在液体中滑动时产生在固体表面的液体固定层与可动层之间的电位差，以mV表示。当Zeta电位较高时,浆料中各种粒子带有较多的电荷库仑力而阻止纤维与填料及胶体的接触，影响细小纤维、胶体、填料的留着而随网部白水流失。当Zeta电位趋向零时，粒子间的范德华力起主要作用，而大大改善留着率、滤水性和纸页湿强度，减少断纸，减少纸病。通过Zeta电位的在线检测，可尽快地检测湿部化学的变化，以便及时精确地调整化学助剂的加入点和加入量。　　Zeta电位的测量有几种方法，但目前所见到的多是离线测量方式。本文所采用的是流动电位法，实现了用流动电位法在线测量纸浆Zeta电位。其测量装置取样检测部分如图1所示。某种压力的液体流经多孔网垫时，测出两端电极的电位差即为流动电位差[1]，与Zeta电位的关系为：ξ=SPCηΔPε式中：SP—流动电位式　　η—介质粘度式　　ε—流体的等电点常数式　　C—液体的传导率式　　ΔP—穿过塞子的液体压力降２　在线检测装置工作过程 　　检测装置包括缓冲罐、浆塞形成与测量室、测量电极、压力与温度传感器、气水控制阀组成。由单片计算机控制抽气阀对上缓冲罐抽真空，主管道的纸浆在压力作用下被滤网阻挡，在测量室形成浆塞，单片机通过调节抽真空阀F1和辅助调压阀F2调节缓冲罐内的负压，使浆塞产生向上运动，而当单片计算机控制进气阀F3进气时缓冲罐内产生正压，使浆塞向下运动。计算机通过对阀F1、F2、F3的协调控制使浆塞在测量室内的两铂电极之间形成电位差，即流动电位差。单片机完成多次信号测量后，打开冲水阀F4和冲气阀F3，将被测浆料冲入主管道，再进行下一轮测量。图1　Zeta电位在线检测装置取样结构３　被测电位差信号处理　　实际所测量到的两电极间的电位差，为一随着浆塞运动变化的类正弦信号迭加在一缓慢浮动信号之上的mV级信号，其频率与浆塞运动频率一致。其信号的性质是由电极的特性和液体的特性决定的，该信号几乎淹没在浮动变化的信号中，对这种信号的处理,文献[2]用阀值比较的方法，但对于缓变浮动信号不合适。文献[3]使用变增益放大器对浮动信号进行补偿校正，是阶梯状放大，随着放大系数的改变,有效信号的放大倍数亦阶梯状随动，信号检测的精度时高时低。针对Zeta电位信号的特点，本装置采用的是恒定放大系数，用单片机实时补偿浮动信号的方法。　　由于对Zeta电位信号的处理，需要较快精确的数据采集和大量的数值运算，所以采用16位单片计算机80C196KB。测量电路结构如图2所示。图2　测量电路结构图3　电位信号与输出信号　　电位信号，如图3(a)所示，经过仪用放大器A1放大，其输出V0与计算机输出的补偿浮动信号，经第二级缓冲放大器A2差分放大后，输出值为期望信号Vz。计算机用14位并行转换芯片AD779KN 对浮动信号检测，得到V0的数列值{V01,V02,V03……}。经过该电路处理后的信号输出如图3(b)所示。　　在求解得到当前周期内的最小值和最大值及其前3个周期内的最小值与最大值，即：Vmin(n-3)、Vmin(n-2)、Vmin(n-1)、 Vmin(n)及时间tn-3、tn-2、tn-1、tn后，可利用Newton差值公式求得 Vmin(t)=C0+C1t+C2t2+C3t3，该函数表示了浮动信号的补偿值的变化规律。外推下一步在[tn tn+1]内校正补偿值V(t)=Vmin(t) 。令单片机的采样运算求解输出补偿量的周期tc远小于纸浆流动电位的变化周期TP。由于本文中采用高速并行A/D转换芯片及高速D/A转换芯片，并用快速牛顿插值求解算法可满足tC<<TP。　　动态实时求解交变信号的最小、最大值：单片机高速采集电路的放大输出值V0产生离散数值序列。通过求Vi=f(ti)的导数及判别导数的变化率，可求Vmin产生的时刻，f′(t)由-→0→+变化时为 f′(t)=0，则f(t)是Vmin；而f′(t)由+→0→-变化时 f′(t)＝０，则f(t)为Vmax。为了对A/D采样更加精确，在数据处理中使用去掉最大值及最小值与快速加权中值滤波法处理进一步提高了求Vmax和Vmin的精度。其方法是对数列中的N个数据，开辟一窗口包含N个数据。数据窗随着时间平移，去掉一大一小2个数据，做N-2个数据的加权中值滤波，送入数据队列中。4　软件结构　　检测装置软件采用PLM96高级语言编写，分为三层模块。第一层硬件资源驱动程序模块包括：AD驱动程序，DA驱动程序，显示驱动程序，键盘输入驱动程序。第二层应用模块包括：测量动作逻辑控制程序模块，数据采样寻凹点数据处理模块，样条函数求解模块，求解单步补偿输出量程序模块，流动电位求解与Zeta电位数据序列滤波处理模块。第三层为人机交互模块，包括测量装置所需固化参数与数据表格及输入模块，测量过程状态与测量结果显示模块，Zeta电位模拟量输出模块，RS485通讯模块。5　结束语　　该装置通过实测数据表明，其结果与实验室专用离线Zeta电位测量仪测试结果相吻合，该装置能实时显示测定的数据，并快速作数值处理，克服了低频浮动信号的测量难点。