在線pH計(jì)與系統(tǒng)的研究

在線pH計(jì)與系統(tǒng)的研究
[摘要]對在線pH計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，它可以連續(xù)在線監(jiān)測鍋爐水等的pH及其他離子濃度。提出了適宜 于爐水pH電極的清洗方法。設(shè)計(jì)了在線pH檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)為鍋爐的安全生產(chǎn)與自動控制提供了條件。  pH的測定有多種方法，最基本的還是電位法， 其他方法通常以電位法的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。電位法測量 準(zhǔn)確度高、操作快速、設(shè)備簡單，既適用于實(shí)驗(yàn)室分 析，也適用于在線分析，可以廣泛用于石油化工、化 學(xué)工業(yè)、制藥、冶金、染料、皮革、電站及環(huán)保污水處 理等領(lǐng)域，其主要用來控制、監(jiān)測工業(yè)流程中的純 水、循環(huán)水、蒸汽冷凝水、高粘度或強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等腐蝕 性較強(qiáng)溶液的pH。 任何溶液的酸堿度都可以用氫離子濃度來表 示。通常用pH來表示[H ]，pH=一lg[H ]。它是考察溶液酸度的一個(gè)重要參數(shù)，但在線pH測量 還沒有很好地應(yīng)用于電廠鍋爐補(bǔ)給水、鍋爐給水以 及循環(huán)冷卻水中。通過pH的在線監(jiān)測，可及時(shí)調(diào) 節(jié)并使pH控制在最佳范圍內(nèi)，從而達(dá)到減緩鍋爐 設(shè)備腐蝕、結(jié)垢的目的。但由于電廠鍋爐給水溫度 的變化直接影響pH測量的準(zhǔn)確性，采用現(xiàn)有的溫 度補(bǔ)償方法也只能減小溫度的影響，卻無法補(bǔ)償給 水本身的特性帶來的偏差。為提高pH測量的準(zhǔn)確 性，采用快速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解決了溫度的 影響，提高了pH測量的準(zhǔn)確性。 分析儀| 溶氧計(jì)| 電導(dǎo)度計(jì)| PH計(jì)| 酸堿計(jì)| 糖度計(jì)| 鹽度計(jì)| 酸堿度計(jì)| 電導(dǎo)計(jì)| 水分測定儀| 濁度計(jì)| 色度計(jì)|

在用酸度計(jì)進(jìn)行pH測量時(shí)，電極與溶液的接 觸部分保持清潔對保證酸度計(jì)測量準(zhǔn)確度、靈敏度 和穩(wěn)定度很重要。電極的污染是一個(gè)很難避免的問 題。在在線連續(xù)測量情況下，為保證酸度計(jì)能長期 連續(xù)使用，對電極系統(tǒng)進(jìn)行自動清洗是必不可少的。 采用了多種清洗方法，以提高清洗效果和實(shí)現(xiàn)清洗 過程自動化。以下重點(diǎn)探討溫度對pH測量的影 響，并介紹了電極清洗和在線pH檢測系統(tǒng)。 l 溫度對pH測量的影響 在pH測量中，從電極系統(tǒng)中獲得的電信號E 與H’的活度的對應(yīng)關(guān)系符合能斯特方程¨】，其表 達(dá)式為： 個(gè) E=Eo+囂In口外 (1) 式中：E——電池電動勢，mV； E�！�—標(biāo)準(zhǔn)電極電位，mV； — — 氣體常數(shù)； 卜法拉第常數(shù)； 絕對溫度，K； n——電極反應(yīng)得失電子數(shù)； ． 口外— — 被測電解質(zhì)濃度。 eo=ED+E不對稱+El+E內(nèi)參一E外參一E溶{直 (2) 式中：E�！�—離子擴(kuò)散電位，mV； E不對稱— — 不對稱電位，mV；E內(nèi)參—— 內(nèi)參電位，mV； E外參— — 外參電位，mV； E溶液— — 溶液電位，mV； 以上電位均為溫度的函數(shù)，因此 也為溫度的 函數(shù)。 令S=RT／nF，當(dāng)取lna外的負(fù)對數(shù)時(shí)，(1)式可 寫為： E=Eo—S·pH (3) E：Eo+ 墮 g口 (4) 對(4)式求導(dǎo)得： = 魯面 + 了· ga+ — ×警 ㈣( 式中： dE——溫度變化一個(gè)單位時(shí)測量電池電動勢 的變化值； U s’,0 — — 電極的標(biāo)準(zhǔn)電位溫度系數(shù)項(xiàng)； 塑 lg口——能斯特溫度系數(shù)斜率； ×’ l，丌 ——溶T I-4液l 溫U址 度^． 系、數(shù)j 。0 能斯特溫度系數(shù)斜率對于氫離子／7,=1，溫度每 變化1 oC，則斜率變化0．198 4 mV，該項(xiàng)pH計(jì)采用 溫度補(bǔ)償?shù)姆椒�可以消除，對在線pH檢測，由計(jì)算 機(jī)進(jìn)行自動補(bǔ)償。 溶液溫度系數(shù)受溶液中離子活度的影響，而離 子活度又取決于它的活度系數(shù)和離子強(qiáng)度，對鍋爐 給水弱電解質(zhì)及與溶液形成絡(luò)合物的電解質(zhì)溶液， 還受它們的平衡常數(shù)的影響。該項(xiàng)是很復(fù)雜的，一 般pH計(jì)不能對該項(xiàng)補(bǔ)償，單一采用溫度補(bǔ)償?shù)姆?法是不能實(shí)現(xiàn)對該項(xiàng)補(bǔ)償?shù)�。在線檢測pH時(shí)，采 用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動補(bǔ)償，以彌補(bǔ)pH計(jì)的不足。 可見，采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒�能對能斯特方程�?率進(jìn)行補(bǔ)償，消除溫度對測量的部分影響。當(dāng)溫度 有較大變化時(shí)溫度補(bǔ)償方法的誤差會明顯增大。因 此采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度的自動補(bǔ)償對精確測量pH 是十分必要的，是切實(shí)可行的，同時(shí)可簡化pH計(jì)的 電路。

2 pH計(jì)電極的清洗 目前使用的pH計(jì)電極多以玻璃電極作為測量 電極，以甘汞電極作為參比電極。當(dāng)pH計(jì)檢測介 質(zhì)時(shí)，污染物會附著在玻璃電極上，將會影響玻璃電 極產(chǎn)生的電勢，進(jìn)而影響到pH計(jì)的示值，使靈敏度 和測量精度降低，甚至失效。因此對于pH計(jì)在實(shí) 一52 一 際使用中的抗污性，一直有人在不斷研究。又因pH 計(jì)使用范圍廣泛，pH計(jì)測量的介質(zhì)情況不同，pH計(jì) 電極受污染程度也不一樣，所以pH計(jì)電極采用的 清洗方法也不盡相同 。 對在線pH計(jì)，若測量介質(zhì)較為干凈(如鍋爐給 水為無鹽水)或?qū)�pH計(jì)污染程度較輕，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 定期取出電極進(jìn)行清洗。但這種方法在在線檢測中 越來越少被采用。因人工清洗不但費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，而且 會使測量中斷，影響自動檢測，所以在線pH計(jì)宜采 用自動清洗。我們采用超聲波清洗和溶液噴射清洗 組合的方法對pH計(jì)電極進(jìn)行自動清洗。
2．1 超聲波清洗 在pH計(jì)探頭附近安裝一個(gè)可以發(fā)生超聲波的 裝置，由它發(fā)出超聲波對pH 電極進(jìn)行自動清洗。 超聲波的強(qiáng)弱通過調(diào)節(jié)超聲波的振蕩頻率實(shí)現(xiàn)。它 的安裝采取了縱向方式，即超聲波的探頭安裝在電 極的下方。
2．2 溶液噴射清洗 在電極組件的附近裝有清洗噴嘴，根據(jù)清洗要 求，噴頭定期噴水或其他溶液(如低濃度的鹽酸、硝 酸溶液)以沖刷或溶解的方式除去電極上的污染 物。如配用的自清洗系統(tǒng)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％的稀 HNO 溶液做清洗液，而用水時(shí)一般噴射壓力較高 些。溶液的噴射由程序控制器控制。在噴射時(shí)，pH 計(jì)需能控制輸出保持在清洗前的值不變，即此時(shí)鎖 定儀表輸出，在清洗期間儀表輸出保持不變，待清洗 完畢溶液的pH值穩(wěn)定后，pH計(jì)再進(jìn)行檢測輸出。 總之，采用超聲波清洗和溶液噴射清洗組合的 方式對pH電極進(jìn)行清洗，效果較好。組合清洗系 統(tǒng)如圖1。 圖1 組合清洗系統(tǒng)

3 在線pH檢測系統(tǒng)．
3．1 微機(jī)檢測系統(tǒng) 本系統(tǒng)主要有檢測電極傳感器、檢測儀表(變 送器)將鍋爐給水檢測參數(shù)的非電量信號轉(zhuǎn)換成電 量信號或?qū)⑿‰娏啃盘栟D(zhuǎn)換成大電量信號送入工控 機(jī)，由工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理，系統(tǒng)是建立在Windows平臺上，用MCGS工控組態(tài)軟件編制而成， 支持Internet／Intranet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 2所示。 圖2 微機(jī)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3．2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) IPC—PIII800工業(yè)微機(jī)檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要 有工控機(jī)、采集卡、接口板、CRT、鍵盤等組成。采用 一塊PC一6311采集卡，可完成對32路模擬量(12 位A／D轉(zhuǎn)換)，并配一塊PC一006接口板，以便與檢 測儀表的連接。
3．3 檢測儀表的研制 研制的離子與酸度檢測儀器是取樣測定水溶液 pH值和離子濃度的測量儀器，可配合適的金屬離子 電極及參比電極測量離子濃度，有電勢差和溫度數(shù) 顯，數(shù)顯穩(wěn)定可靠，可用于測定pH(酸度)等，儀器 有模擬信號輸出。所有檢測儀器的模擬信號都能滿 足采集卡的輸入要求。
3．4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用Windows98操作系統(tǒng)與MCGS工控組 態(tài)軟件開發(fā)的檢測應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)友好的用戶操作界 面，以方便操作者。檢測系統(tǒng)對酸度等水質(zhì)指標(biāo)數(shù) 據(jù)進(jìn)行采集處理和顯示。 系統(tǒng)有封面窗口、系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測窗口、水汽分析 記錄窗口、除鹽水分析報(bào)表窗口、8個(gè)歷史數(shù)據(jù)查詢 與編輯窗口等組成；系統(tǒng)設(shè)置各種菜單命令和相應(yīng) 按鈕命令；并具有數(shù)據(jù)報(bào)表打印、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表打印 功能。檢測系統(tǒng)的主要功能有：(1)基于IPC的自 動檢測系統(tǒng)及鍋爐給水等多種水質(zhì)指標(biāo)的自動檢 測；(2)基于Windows操作平臺的界面與實(shí)時(shí)／歷史 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)；(3)允許用戶在線手工輸 修改相 關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)；(4)能查看與打印每時(shí)、每日、每月、每 季、每年的數(shù)據(jù)報(bào)表；(5)系統(tǒng)支持Internet／Intranet 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 該軟件系統(tǒng)具有操作靈活方便、修改容易、功能 強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，支持Internet／Intranet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為企業(yè) 實(shí)現(xiàn)集散型測控系統(tǒng)打下技術(shù)基礎(chǔ)，也為連接國際 互聯(lián)網(wǎng)，方便地實(shí)現(xiàn)信息交流、資源共享與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù) 的監(jiān)測控制提供了技術(shù)保證 】。

4 結(jié)束語 國外酸度計(jì)產(chǎn)品采用的清洗裝置已成熟，已達(dá) 到實(shí)用化的水平，并通過微機(jī)化產(chǎn)品的開發(fā)，使酸度 計(jì)自動清洗系統(tǒng)更加完善，但國內(nèi)酸度計(jì)產(chǎn)品雖然 各種清洗方法都在采用，但均處于試用階段，在結(jié) 構(gòu)、功能、清洗效果上與國外產(chǎn)品有較大差距，在自 動清洗方法的應(yīng)用技術(shù)上也剛起步。所以要加快開 發(fā)研制電極自動清洗系統(tǒng)并盡快投入使用，以促進(jìn) 國產(chǎn)酸度計(jì)趕上世界先進(jìn)水平。