基于pH的反滲透阻垢劑性能快速評(píng)定儀設(shè)計(jì)

代啟林，田增國(guó)，汪獻(xiàn)忠，晏云昌

(1.鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.河南省日立信有限公司，河南鄭州 450001)

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基于pH的反滲透阻垢劑性能快速評(píng)定儀設(shè)計(jì)

代啟林1，田增國(guó)1，汪獻(xiàn)忠1，晏云昌2

(1.鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.河南省日立信有限公司，河南鄭州 450001)

針對(duì)反滲透阻垢劑動(dòng)態(tài)評(píng)定系統(tǒng)價(jià)格昂貴、評(píng)定耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，根據(jù)反滲透阻垢劑性能評(píng)定試驗(yàn)導(dǎo)則，設(shè)計(jì)了反滲透阻垢劑快速評(píng)定儀。介紹了該評(píng)定儀基于pH評(píng)定反滲透阻垢劑性能的工作原理，以STM32F103微處理器為核心的主控電路，智能加藥排水電路，溫度、pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路，恒溫加熱控制電路及其他外圍通信電路。為提高系統(tǒng)可靠性和滿足實(shí)時(shí)性及多任務(wù)調(diào)度，該評(píng)定儀移植了uCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明：該評(píng)定儀精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、重復(fù)性好。

阻垢劑；STM32F103微處理器；pH值；uCOS-Ⅱ

0 引言

隨著水資源的日益短缺和膜技術(shù)的不斷發(fā)展，反滲透技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、化工、食品、電子、制藥等行業(yè)。結(jié)垢是影響反滲透膜設(shè)備正常運(yùn)行的主要問(wèn)題之一，當(dāng)膜表面有垢沉積時(shí)，需要停運(yùn)設(shè)備進(jìn)行化學(xué)清洗，甚至更換膜元件。目前，添加阻垢劑已經(jīng)成為控制反滲透膜結(jié)垢的有效手段之一。阻垢劑的性能關(guān)系到反滲透系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行，因此，對(duì)阻垢劑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和比對(duì)，至關(guān)重要。對(duì)阻垢劑進(jìn)行反滲透動(dòng)態(tài)模擬評(píng)定試驗(yàn)，可以較好地評(píng)定阻垢劑效果，但費(fèi)時(shí)耗力。在進(jìn)行反滲透動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)之前，對(duì)大量阻垢劑進(jìn)行快速篩選，可以顯著提高工作效率。但目前還沒有專門的試驗(yàn)裝置用于阻垢劑性能評(píng)定和篩選。根據(jù)DL1261-2013火電廠用反滲透阻垢劑評(píng)定試驗(yàn)導(dǎo)則，本文對(duì)阻垢劑性能評(píng)定方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出了以pH值評(píng)定反滲透阻垢劑性能的系統(tǒng)，顯著縮短阻垢劑篩選時(shí)間。

1 垢劑性能評(píng)定原理

為了評(píng)定阻垢劑的性能，本文根據(jù)DL1261-2013火電廠用反滲透阻垢劑評(píng)定試驗(yàn)導(dǎo)則規(guī)定原理：配制含有一定量結(jié)垢離子(鈣離子)和相同劑量不同阻垢劑的試液，向試液中滴加碳酸氫鹽溶液，使碳酸鈣過(guò)飽和不斷增加，直至形成碳酸鈣。通過(guò)測(cè)定溶液pH或者電導(dǎo)率值判斷碳酸鈣沉淀析出的終點(diǎn)，計(jì)算碳酸鈣的過(guò)飽和度值。以碳酸鈣的過(guò)飽和度值大小來(lái)評(píng)價(jià)阻垢劑的性能，值越大阻垢劑性能越好[1]。

當(dāng)反滲透進(jìn)水pH值不大于8.30時(shí)，依據(jù)pH值法進(jìn)行試驗(yàn)；當(dāng)反滲透進(jìn)水pH值大于8.30時(shí)，依據(jù)電導(dǎo)率進(jìn)行試驗(yàn)。在加有阻垢劑的CaCL2中，逐步滴加等量的NaHCO3溶液。當(dāng)檢測(cè)液中生成CaCO3沉淀時(shí)，發(fā)生的反應(yīng)如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

由于NaHCO3溶液pH成堿性。在CaCl2和NaHCO3溶液充分反應(yīng)但未生成CaCO3沉淀前，溶液pH值呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)；一旦溶液中生成了CaCO3沉淀，由于反應(yīng)(1)和(2)的平衡被打破，反應(yīng)向右移動(dòng)，溶液pH值會(huì)明顯下降。以pH出現(xiàn)拐點(diǎn)前，溶液中的CaCO3的過(guò)飽和度S作為阻垢劑性能判斷的依據(jù)，S值越大，說(shuō)明阻垢劑的阻碳酸鈣結(jié)垢效果越好[2-3]。

該評(píng)定方法對(duì)溶液的配制要求嚴(yán)格，如果兩次重復(fù)性檢測(cè)溶液實(shí)際濃度不同，將會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。每次做重復(fù)性試驗(yàn)之前，配溶液時(shí)劑量濃度應(yīng)稍大，然后去一小部分稀釋可減小誤差。計(jì)算CaCO3的過(guò)飽和度過(guò)程如式(3)～式(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)自動(dòng)加藥控制，恒溫和pH值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，該反滲透阻垢劑性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要有5部分組成。其中智能加藥排水模塊主要有電極驅(qū)動(dòng)電路組成，控制兩路繼電器和電機(jī)；溫度、pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊pH、溫度信號(hào)調(diào)理電路經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送給主控芯片；恒溫加熱控制模塊主要由水浴加熱和PID控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)25℃恒溫控制；人機(jī)交互部分主要有顯示屏和觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路組成；該系統(tǒng)還包括外圍打印、報(bào)警、無(wú)線傳輸?shù)裙δ苣K。圖1為反滲透阻垢劑性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 反滲透阻垢劑性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)核心控件選用的微處理器是32位STM32F103處理器，該處理器配套的底層驅(qū)動(dòng)豐富、功能強(qiáng)大，有5個(gè)串口，滿足打印機(jī)、上位機(jī)及ZigBee模塊連接串口需要，F(xiàn)SMC支持16/8位數(shù)據(jù)位TFT顯示屏，2個(gè)I2C及SPI接口可以滿足A/D存儲(chǔ)及時(shí)鐘的通信要求。

3.1 智能加藥排水模塊

傳統(tǒng)的調(diào)試攪拌是通過(guò)改變直流電機(jī)的電流大小來(lái)控制轉(zhuǎn)速的，通過(guò)機(jī)械旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N，內(nèi)含2個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有2個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有1個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)1臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)2臺(tái)直流電機(jī)。圖2為磁旋轉(zhuǎn)加藥調(diào)速排水電路。其中CAT1、CAT2分別為主控芯片PB6、PB7標(biāo)準(zhǔn)I2C時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入端，通過(guò)芯片CAT9554A擴(kuò)展2片公用I2C接口，控制抽水泵的抽水和磁旋正傳反轉(zhuǎn)。

圖2 磁旋轉(zhuǎn)加藥調(diào)速排水電路

智能加藥部分選用TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)單片機(jī)PC7、PC8、PC9引腳分別控制步進(jìn)電機(jī)的使能，電機(jī)正反轉(zhuǎn)和時(shí)鐘輸入。

3.2 溫度、pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

溫度采集選用溫度傳感器PT100鉑熱電阻。PT100是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。本文采用數(shù)字化校正，數(shù)字化校正首先要將Pt電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)后存入EEPROM中，根據(jù)電路的實(shí)測(cè)A/D值以查表方式計(jì)算相應(yīng)的溫度值。圖3為溫度采集電路圖。

圖3 溫度采集電路

其中電壓信號(hào)放大器選用AD620。AD620為單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證電路固有的高性能。該元件采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過(guò)輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋，保證輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻R42上。增益倍數(shù)為G=1+49.4K/R42。

在pH在線測(cè)量中，電位分析法是實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和過(guò)程監(jiān)控的唯一方法，該方法所用的電源被稱為原電池，使化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能。原電池有2個(gè)半電池構(gòu)成，其中一個(gè)半電池稱作測(cè)量電極，它的電位與特定的離子活度有關(guān)；另一個(gè)半電池為參比半電池，通常稱作參比電極，它一般與測(cè)量溶液相通，并與測(cè)量?jī)x表相連。pH電極選用進(jìn)口電極，測(cè)量范圍為0～14，工作溫度0～80 ℃，耐壓為4 bar(1 bar=105Pa)。該電級(jí)采用玻璃球泡，增加了球泡面積，可以防止內(nèi)緩沖液中干擾氣泡生成，使測(cè)量可靠。長(zhǎng)距離的參比擴(kuò)散途徑，極大地延長(zhǎng)了電極在惡劣環(huán)境中的使用壽命[4]。圖4為電位分析法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和過(guò)程監(jiān)控電路。

圖4 pH實(shí)時(shí)檢測(cè)電路

該電路選用INA116放大芯片，INA116是具有超低輸入偏流的FET輸入單片儀表放大器。Difet輸入和特殊的保護(hù)技術(shù)使得輸入偏流僅有10 fA。內(nèi)部采用通用的三運(yùn)放設(shè)計(jì)，連接一個(gè)外部電阻，可設(shè)定從1～1 000的任意增益值。保護(hù)腳緊接著2個(gè)輸入，用于驅(qū)動(dòng)電路和輸入電纜，以保證維持極低的輸入偏流?？筛鶕?jù)電阻R35自行調(diào)整pH值輸入電壓的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)G=1+50K/R35。后置的OP07放大器起到信號(hào)調(diào)理作用。

3.3 恒溫加熱控制模塊

加熱控制電路的設(shè)計(jì)用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，被控對(duì)象為水浴加熱熱力鍋，采用對(duì)加熱的熱力鍋兩端的電壓通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的。對(duì)電熱絲的通斷和控制采用SSR-40DA固態(tài)繼電器。它的使用非常簡(jiǎn)單，只要在控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開關(guān)，使用時(shí)完全可以用NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)。微處理器GPA1.3為高電平時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當(dāng)處理器IO中GPA1.3為低電平時(shí)，固態(tài)繼電器關(guān)斷，加熱器工作?？刂齐娐穲D如圖5所示。

圖5 加熱控制電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化完成以后是全自動(dòng)智能加藥過(guò)程，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主程序包括系統(tǒng)硬件電路初始化，注液泵等液路的排空，然后根據(jù)觸屏中斷選擇pH或者電導(dǎo)率測(cè)量項(xiàng)目，由于本文基于pH測(cè)定，電導(dǎo)率測(cè)量項(xiàng)目未列出。在整個(gè)系統(tǒng)初始化完成后，根據(jù)設(shè)定好的加藥量，電極驅(qū)動(dòng)滴加藥劑(0.3 mol/L NaHCO3溶液)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH改變判斷是否到達(dá)滴定終點(diǎn)并動(dòng)態(tài)曲線化顯示pH。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

為了滿足實(shí)時(shí)性的需求，該評(píng)定儀引入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-Ⅱ，在STM32F103處理器上移植uCOS-Ⅱ主要有3個(gè)文件修改，即OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM和OS_CPU.

當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)啟動(dòng)后，主函數(shù)通過(guò)調(diào)用OSInit()函數(shù)，完成各初始變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，堆?？臻g的分配；建立任務(wù)空閑鍵表OSTCBFreeList，建立事件空閑鍵表OSEventFreeList。創(chuàng)建一個(gè)空閑任務(wù)OS_TaskIdle，以及始化其他功能[5]。

在uCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)中，用戶任務(wù)的編寫是該儀表實(shí)現(xiàn)儀表功能的重要部分，根據(jù)程序流程圖中，任務(wù)優(yōu)先級(jí)由左到右依次降低，上位機(jī)通信任務(wù)負(fù)責(zé)判斷上位機(jī)命令，傳輸數(shù)據(jù)給上位機(jī)。輸入操作負(fù)責(zé)解析觸控輸入和遙控輸入，數(shù)據(jù)處理完成數(shù)據(jù)讀取、誤差處理和交叉靈敏度處理，顯示任務(wù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，輸出任務(wù)完成實(shí)時(shí)打印、報(bào)警輸出。

5 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果驗(yàn)證

文中以加入反滲透阻垢劑MDC220為例介紹。取CaCl2溶液(0.009 mol/L)和一定劑量的阻垢劑，共150 mL，每次滴加NaHCO3(0.3 mol/L)2 mL，每隔2 min讀取溶液的pH值，直至pH值降低。記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 滴定過(guò)程pH數(shù)據(jù)

表1中V1表示加入NaHCO3(0.3 mol/L)溶液的體積，pH表示測(cè)得混合溶液中的pH值，如圖7所示。

圖7 溶液pH變化趨勢(shì)圖

其中，c1=0.009 mol/L，c2=0.3 mol/L，V1=150 mL，n=13，V2=2 mL，過(guò)飽和度S的計(jì)算過(guò)程如下。

即可確定此阻垢劑下CaCl2溶液的CaCO3過(guò)飽和度為403(mol/L)2。同理，用該方法確定不加阻垢劑下CaCl2溶液的CaCO3過(guò)飽和度為148(mol/L)2。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)火電廠用反滲透阻垢劑評(píng)定試驗(yàn)導(dǎo)則，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)反滲透阻垢劑性能快速評(píng)價(jià)功能。實(shí)驗(yàn)證明：該阻垢劑快速評(píng)定儀評(píng)定速度快，重復(fù)性好，對(duì)阻垢劑初選具有較好的參考作用。作為一種靜態(tài)評(píng)定實(shí)驗(yàn)裝置，該評(píng)定儀并不能完全表現(xiàn)阻垢劑的全部性能，對(duì)大批量阻垢劑初選，由于自動(dòng)化程度高，評(píng)價(jià)用時(shí)短，重復(fù)性高等，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。該評(píng)定儀廣泛應(yīng)用于電力、化工、海水淡化，以及鍋爐補(bǔ)給水等反滲透設(shè)備中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張小霓,吳文龍,王緒文，等.反滲透阻垢劑性能動(dòng)態(tài)評(píng)定方法的試驗(yàn)研究.工業(yè)水處理,2012，32(11)：47-50.

[2] 張小霓,吳文龍.反滲透阻垢劑性能評(píng)定方法分析探討.工業(yè)水處理,2009,29(11):84-87.

[3] DL 1261—2013 火電廠用反滲透阻垢劑評(píng)定試驗(yàn)導(dǎo)則.

[4] 喻金錢，喻斌.微控制器的開發(fā)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5] 邵貝貝.嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

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Reverse Osmosis Scale Inhibitor Performance Assessment InstrumentDesign Based on pH

DAI Qi-lin1，TIAN Zeng-guo1，WANG Xian-zhong1，YAN Yun-chang2

(1.Institure of Physical Science and Engjneeroy,Zhenzhou University, Zhengzhou 450001,China;2.Henan Relations Co.，Ltd.，Zhengzhou 450001，China)

In order to overcome the disadvantages of the dynamic evaluation system of reverse osmosis scale inhibitors,such as expensive and time-comsuming，a scheme to evaluate the performance of the scale inhibitor rapidly on the basis of the pH value was described in this paper and the core of main control circuits with STM32F103 microprocessor,smart dosing and drainage circuit,temperature and pH value real-time monitoring circuit,and constant temperature heating control circuit were introduced.To improve the systematic reliability and satisfy the real-time and multi-task scheduling,the uCOS-II operating system was transplanted.It was verified experimentally that the device has the advantages of high precision,good stability,fast response and good reproducibility.

scale inhibitor；STM32F103 microprocessor；pH value；uCOS-Ⅱ

2015-03-30 收修改稿日期：2015-07-15

TP216

A

1002-1841(2015)12-0046-03

代啟林(1988—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄軆x器儀表、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究和應(yīng)用。 E-mail：as19350@163.com