锅炉水硬度自动检测装置设计.pdf

检测与仪表 化工自动化及仪表，2 0 1 0 ，3 7 ( 1 1 ) ：3 8 4 0 C o n t m la n dI n s t r u m e n t si nC h e m i c a lI n d u s t r y 锅炉水硬度自动检测装置设计 王文理，李盼盼，王虹 ( 河北大学电子信息工程学院，河北保定0 7 1 0 0 2 ) 摘要：提出利用离子选择性电极自动测量软化水硬度的方法，主要是对锅炉软化水中钙离子浓度的测量。 简单介绍了电极的反应原理、数据处理方法的原理和选取，以及自动测量装置的基本构成和设计。 关键词：钙离子选择性电极；锅炉；软化水；自动测量 中图分类号：r I 乾7 4 文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 _ 3 9 3 2 ( 2 0 1 0 ) l l 枷3 8 一0 3 1 引言 软化水作为锅炉用水所需水源，其中各种离子 及其变化对锅炉的安全运行具有重要的影响，很长 一段时间锅炉水水质的分析检测不被重视，水源中 的杂质进入锅炉，造成日常监测和年检不合格，甚至 会造成一些严重的锅炉事件，从而缩短锅炉的使用 寿命，为使锅炉能够安全、有效地运行，除了要配置 适当的必要设施，如安全阀、水位计、压力表及其它 控制仪表外，也不应忽视辅助设施水质的检测。 在锅炉软化水水质分析中，钙含量是一个重要的控 制指标，目前测定钙含量的主要方法有：离子色谱 法、原子吸收分光光度法、E D T A 络合滴定法、离子 选择电极法等。前两种方法特别适用于低浓度钙含 量的测定，但测试仪器价格昂贵、操作复杂并不利于 进行普及使用；E D T A 络合滴定法操作简便，虽然也 可以精确地测量出溶液浓度，但所用的指示剂在钙 含量较低时变色不明显，影响滴定终点的判定而且 需要人工操作；采用钙离子选择电极进行测定，利用 先进的离子选择性电极法，代替传统的络合滴定化 学方法，使对锅炉软化水硬度的测量由定时的人工 到现场取样后进行化学分析，转变为软化水硬度在 线自动测量，这样大大节省了时间及人力资源。 2 离子选择性电极检测离子浓度 2 1离子选择性电极测量离子浓度原理 离子选择性电极又称膜电极，电极的种类繁多， 其中钙电极为流动载体膜电极。电极中的离子载体 ( 有机离子交换剂) 被限制在有机相内，但可在相内 自由移动，与试样中待测离子发生交换产生膜电位， 内外被测离子活度的不同而产生电位差。 当测定时，参比电极的电极电位保持不变，电池 电动势随指示电极的电极电位而变，而指示电极的 电极电位随溶液中待测离子活度而变。电极的电位 随离子活度的变化称为斯特响应，这种响应服从能 斯特方程。 根据能斯特方程，溶液的电位与浓度关系为： E ：鼍攀鹃 ( 1 ) 即： E = 昂s l g ( 2 ) 式中：玩测量电池等电势点的电位值，不受温 度影响；| s 斜率项，是温度的函数。根据上式， 在一定条件下测定了电极电位，即可确定离子的活 度( 或浓度) 。 2 2 数据处理方法选取 离子选择电极测试数据处理有不少需进行较繁 琐的数据运算，如线性回归标线法、二次标准加入 法、G r a n 法等峙1 ，本装置实现测试数据的自动采集 与处理，既要考虑计算方法的简便精确又要考虑到 仪器装置的实现的可行性。在已知斜率S 情况下计 算大多很简单，根据斜率及电位值作几步简单的代 数运算即可求出试液离子的浓度。但斜率s 受温度 等因素影响较大，因此我们采用二次标准加入 法口4 1 在斜率S 未知的情况下计算试液离子浓度。 采用二次标准加入法对未知样品进行测量时， 电极的两次测量都浸在同一种溶液中，从而能使由 温度差异、离子强度差异、滞后作用或液界电动势的 变化所引起的误差最小化。与直接电位测定法相 比，即使测量离子强度比较低的样品时都能够得到 更加精确的结果。 这种方法的缺点是由于标准溶液的加入，试液 的体积增大，离子强度及活度系数变化，影响分析的 准确度。而且对操作非常严格，要求精确地量取并 把标准液与样品充分混合起来，同时其计算方法也 要比直接电位法复杂。 收稿日期：2 0 l O 旬8 J D 4 ( 修改稿) 万方数据 第1 l 期 王文理等锅炉水硬度自动枪测装置设计 3 9 在配制标准溶液时，加入含有与试液相同浓度 的总离子强度调节缓冲溶液，这样在测试过程中，不 论加入多大体积的标准溶液，试液的离子强度均保 持恒定。 2 3 二次标准加入法计算公式 设未知液待测离子的浓度为c ，体积为屹，测 得电动势为E ，再加入小体积待测离子的标准溶 液( 浓度已知为c 。) ，C 。约为1 0 0 c ，后测试液电动势 E ：，再次加入小体积E 待测离子的标准溶液，测试 液电动势E ，令E = E 。一层：、易= 巨一E ，。 得测量公式如下： 1 41 1 竺丝兰1 丝l 一。Lc ；屹+ 2 C 。t 1 川 如一l g 陲竺些竺1 P 7 。Lc ，吃+ C 。tJ 为简化实验装置可以对加入的溶液进行精确测 量，因此我们可以在测定时使K = 1 0 0n l L 、E = 1m L 、 代入式( 3 ) 得： l 。 ! 竺! 1 1 E 1l o o C 。+ 2C 。J 矿砺 ” 通过公式( 4 ) ”o 即可求出所测溶液的浓度c 。 3 系统设计 如图l 所示，根据离子选择性电极法设计的锅 炉软化水硬度的监测仪器主要包括一。：锅炉软化水 采样装置、标准溶液及清洗溶液注入装置、离子选择 电极测定装置、高阻抗运算放大装置，A D 转换器 和单片机系统及显示装置。图2 为测量控制及数据 处理装置部分对电压信号的设计流程图。 在该系统中，锅炉软化水采样装置由采样泵、流 量计和阀门控制器组成。流量的大小和采样的时间 由单片机控制阀门完成；标准溶液及清洗溶液注入 钙电极输入端 参比电极输入端 装置及其相应的配置受单片机控制完成；离子选择 电极测定装置由特制钙离子选择电极和饱和甘汞离 子电极组成，这是电极法测营软化水硬度的关键。 在电极反应池底部安装电磁搅拌器，测量时可通过 搅拌使待测离子快速扩散到电极敏感膜，以缩短平 衡时间。 图l 简单实验装置 注：l 采样装置；2 泵l ；3 泵2 ；4 排空阀门；5 测餐池；6 电磁搅拌器；7 去离子水；8 标准溶液； 9 废液池；l O 测量控制及数据处理 匝雏鲫戮錾悃 图2 数据处理及控制系统框图 3 1 高阻抗运算放大 由于钙电极内阻都很高，要求采用高输入阻抗 的测量电路，离子选择电极的内阻大约在1 0 5 一1 0 “ 范围内。对于这样高的高内阻信号测量来说，如果 测量仪器的内阻不够大，则会引起大的测量误差。 本文使用c A 3 1 4 0 构成跟随器实现“双高阻”转换电 路。7 副( 电路图如图3 所示) ，大大提高了共模抑制 能力，其初始状态输出为“零”，防止了参比电极的 漂移，输入阻抗可达1 0 “Q ，通过实验测造输入阻抗 为2 2 2 1 0 “Q ，而U 4 端输出阻抗可小于1 0Q 。 图3 高阻抗部分原理图 由于本装置输入端具有很高的输入阻抗，因此 这部分电路在制作工艺上要求比较严格。为保证该 高阻电路长期稳定，测量精确，需要在印制板上用地 线屏蔽输入端、缩短走线长度、加粗电源引线等措 万方数据 4 0 化工自动化及仪表第3 7 卷 施，同时要使J R 5 = 腼、胛= 瞄，以求得最佳匹配， 获得高共模抑制比和低漂移。还要在高阻抗部分加 一屏蔽罩，既可抵抗电磁干扰，又可使高阻免受灰尘 侵袭，保证电路长期稳定工作。 3 2 数据采集分析系统 经分析比较，本文采用s i l a b s 公司的 c 8 0 5 1 F 1 D 2 0 单片机一。作为M c u 。这是一种完全集 成的混合信号系统级芯片，推出了c I P - 5 1 的c P u 模 式，大大提高了指令运行速度，并且单片机采用流水 线结构处理能力也得到了提高。片内还集成了多路 选择器、D A c 、看门狗定时器( W D T ) 、n a s h 程序存储 器和内部R A M 。 主控部分数据处理通道输入的模拟信号是由离 子选择电极测量部分所得，实际测量可知，电极信号 变化缓慢，达到稳定状态后输出直流电位，在按照 G B l 5 7 6 2 0 0 l 标准规定软化水硬度0 0 3m m o L L 的情况下，符合标准的水溶液电极输出信号的变化 范围为一6 0 一一5 0m V ，设计中选用A D c 输入信号 范围是0 一1 2V ，所以该信号首先需要进入调理电 路进行调整，先由电平转换电路将电极信号变换到 0 一+ 1 0 0m V ，再经过1 2 倍放大电路，将放大后的信 号送入A D c 进行采集。M C u 读入A D c 的转换结果 对其进行分析处理并存储显示。 3 3 程序控制 本设计采用单片机对该系统进行自动控制，软 件编程实现二次标准加入算法，对采集得到的电压 信号进行转化后再进行计算，求取出所需要的浓度 数据并进行显示。程序控制基本过程如图4 所示。 图4 主程序控制基本过程 程序采用c 语言编写，使得模块架构清晰，增 加了程序的可读性，同时也方便功能扩展。其中每 一操作单元的动作控制及每一操作步骤的时间控制 也都是利用单片机的中断子程序进行程序控制完 成。例如对阀门、电磁搅拌器的控制等。 3 4 测量结果显示报警 我们采用0 L E D 显示器作为显示器件，因为 O L E D 是将电能直接转换成光能的全固体器件，其 本身具有薄而轻、高对比度、快速响应、宽视角、工作 温度范围宽、坚固等优点。O L E D 的工作温度在 一4 0 7 0 之间，因此可以运用在本实验要求的工 作场合，同时O L E D 的驱动电压仅需2 1 0V ，而且 安全、噪声低，容易实现低功率。为此，我们采用了 O L E D 显示器作为显示器件，并用扬声器作为声报 警器，发光二极管作光报警器。 4 结束语 锅炉在运行时，因水质不符合标准对锅炉的影 响是一个缓慢积累的过程，但一经发现，其造成的结 果已经无法挽回，因此必须做好锅炉的水质检测处 理工作。锅炉给水在不同的应用场合指标要求也不 同，通过对一些参数的设置我们可以将本装置应用 在更多场合。 水质硬度主要是钙、镁离子的含量，文中只是测 定了钙离子浓度，但当离子交换软化水残留硬度低 时，钙离子残存量是镁离子的一半，因此使用本装置 可以计算出锅炉软化水的近似硬度值。本设计采用 了二次标准加入法提高了测量的精确度，并采用 C 8 0 5 l F 系列高速单片机控制，实现了测量的自动 化，提高了测量精度，缩短了测试时间，有望实现市 场化得到广泛使用。 参考文献： 1 黄德培，吴国梁，等离子选择电极的原理及应用 M 北 京：新时代出版社，1 9 8 2 ：1 8 2 3 2 方建安，周围祥，等离子选择性电极测量仪器 M 南京： 江苏科学技术出版社，1 9 8 4 ：1 1 7 1 ” 3 B R A N DM R E c H N r r ZG C 伽p u t e rA p p 脱c ht oI o n S d e c t i v e E l e c t l m d eP o t e n t i o n m e t r yb yA d d i t i o nM e t h o d J A n a lc h e m ， 1 9 7 0 ，4 2 ：1 1 7 2 一1 1 7 7 4 王基镕，杨秀荣，张懋森，等离子选择电极二次标准加入法 的计算方法及其应用 J 分析化学，1 9 8 5 ，1 3 ( 5 ) ：3 8 9 3 9 2 5 王基镕，张辚森，吴海滨离子选择电极二次标准加入法的压 缩映像原理 J 高等学校化学学报，1 9 8 5 ，6 ( 6 ) ：4 8 9 4 9 2 6 谢声洛离子选择电极自动化分析装置 J 分析化学， 1 9 8 l ，( 1 ) ：