軟水器出水硬度在線自動檢測儀的開發(fā)

原海林 伍孝榮（溫州市潤新機(jī)械制造有限公司 溫州 325029）

軟水器出水硬度在線自動檢測儀的開發(fā)

原海林 伍孝榮
（溫州市潤新機(jī)械制造有限公司 溫州 325029）

本文介紹了基于EDTA絡(luò)合滴定法原理開發(fā)的軟水器出水硬度在線自動檢測儀的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)特點及可靠性等，其采用潤新公司多年來具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成熟可靠的端面密封結(jié)構(gòu)，針對特定水硬度進(jìn)行定性檢測分析，有助于硬度在線自動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)警的功能，具有簡便易行、可靠、經(jīng)濟(jì)的顯著優(yōu)勢。

鍋爐 水硬度 在線自動檢測 端面密封 定性檢測

1 技術(shù)背景

離子交換軟化處理是工業(yè)鍋爐最常用的水處理方法，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1576—2008 《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的規(guī)定：采用鍋外水處理的蒸汽鍋爐給水硬度≤0.03mmol/L，熱水鍋爐給水硬度≤0.6mmol/L，及時檢測和嚴(yán)格控制軟水器出水硬度是防止鍋爐結(jié)垢的重要環(huán)節(jié)，對于確保鍋爐安全運行和節(jié)能降耗具有重要意義。

目前我國絕大多數(shù)工業(yè)鍋爐軟水處理的硬度檢測

2 原理設(shè)計

檢測儀基于絡(luò)合滴定法原理，設(shè)置有檢測流道清洗、試劑定量滴取、水樣定量取樣、試劑和水樣混合、混合水樣顏色分析等工序，根據(jù)軟水器出水硬度控制要求，

采用人工取樣檢測，不僅操作比較繁瑣，運行成本高，而且往往不能及時發(fā)現(xiàn)軟水器失效，容易造成給水硬度超標(biāo)，導(dǎo)致鍋爐水質(zhì)不合格。近年來雖然市場也有在售國外進(jìn)口的水硬度在線檢測儀，但因價格高昂，難以普及應(yīng)用。溫州潤新機(jī)械有限公司于2009年開始自主研發(fā)軟水器出水硬度在線自動檢測儀，并獲得國家專利（ZL200920202172.1），經(jīng)過多年的改進(jìn)和推廣應(yīng)用，已成為一款成熟可靠，經(jīng)濟(jì)實惠的水硬度在線檢測儀，不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測軟水器出水硬度，而且可與軟水器聯(lián)動，一旦硬度超標(biāo)，可輸出信號啟動再生，確保出水硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。配制對應(yīng)硬度檢測試劑，置于檢測儀試劑瓶中，由單片機(jī)自動控制完成檢測分析。儀器自動按設(shè)置好的間隔時間，按順序完成檢測流道沖洗和試劑定量滴取后，對軟水器出水進(jìn)行定量取樣與試劑混合后進(jìn)行檢測分析，當(dāng)水樣硬度低于控制值時，混合溶液呈藍(lán)色；當(dāng)水樣硬度超標(biāo)時，混合溶液呈紅色。由于不同顏色水樣對紅外光的透光率存在差別性（顏色越深的水樣透光率越低），通過設(shè)置發(fā)光裝置發(fā)出紅外光，由光敏傳感器接收紅外光透過混合溶液后的光信號，集成電路將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，由此對水樣硬度作出是否合格的定性判斷。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，水硬度在線自動檢測儀由控制閥芯、試劑瓶、混合腔、檢測裝置、集成電路等組成。控制閥芯由上、下定片和中間動片構(gòu)成，采用單片機(jī)控制微型電動機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)來帶動中間動片旋轉(zhuǎn)，通過動片與上下兩個定片形成多個流道來實現(xiàn)所需的沖洗、排空、取試劑、進(jìn)水樣、檢測等功能。

圖1 在線自動檢測儀的構(gòu)造

4 工作流程設(shè)計

為準(zhǔn)確檢測軟水器的出水硬度，在線自動檢測儀的一個檢測周期設(shè)置有七個工步：沖洗A、排空A、進(jìn)試劑、進(jìn)水樣、檢測分析、沖洗B、排空待檢。

4.1 工步1——沖洗A

檢測啟動時，需先將混合腔用運行中的軟水器出水清洗，同時排除軟水器到檢測儀管路內(nèi)的存水，以防其影響檢測結(jié)果。液流流向如圖2所示，水樣從進(jìn)水口經(jīng)控制閥芯進(jìn)入混合腔清洗后，再經(jīng)控制閥芯從排水口排出。

圖2 沖洗A的流向

4.2 工步2——排空A

如圖3所示，將工步1沖洗后殘留在混合腔里的水排除。

圖3 排空的流向

4.3 工步3——進(jìn)試劑

如圖4所示，試劑瓶里的檢測試劑在重力作用下，進(jìn)入控制閥芯的中間動片上的試劑計量孔，并充滿，定量滴取試劑。

圖4 進(jìn)試劑

4.4 工步4——進(jìn)水樣

如圖5所示，運行中的軟水器部分出水從檢測儀的進(jìn)水口進(jìn)入，經(jīng)控制閥芯將試劑計量孔里的試劑帶入混合腔，并與之混合?；旌锨焕锏目諝馔ㄟ^排氣閥排出，當(dāng)混合溶液充滿混合腔時排氣閥自動關(guān)閉并停止進(jìn)水，完成試劑和水樣的定量混合。

圖5 進(jìn)水樣

4.5 工步5——檢測分析

如圖6所示，試劑與水樣混合均勻并靜置一段時間后，發(fā)射裝置發(fā)出紅外線光，光透過混合溶液后由接收裝置接收光強(qiáng)度，控制電路將光信號轉(zhuǎn)變成電信號并與程序內(nèi)設(shè)定的值分析比較。

圖6 檢測分析

4.6 工步6——沖洗B

檢測結(jié)束后，軟水器出水再次從檢測儀進(jìn)水口進(jìn)入，沖洗混合腔后從排水口排出，液流流向與圖2相同。

4.7 工步7——排空待檢

將工步6沖洗后殘留在混合腔里的水從排水口排出，液流流向與圖3相同，同時顯示當(dāng)次檢測結(jié)果，程序處于周期待檢位置。

5 智能控制程序設(shè)計

全過程由微電腦智能化自動控制，LCD顯示檢測過程各個工步狀態(tài)、工步時間倒計時、分析結(jié)果、故障信息等。

5.1 兩種待檢模式設(shè)置

模式一：可根據(jù)需要直接設(shè)定待檢時間，可設(shè)定待檢時間范圍0～299min59s。

模式二：通過輸入軟水器樹脂體積、原水硬度、平均每小時用水量等參數(shù)，控制程序自動優(yōu)化待檢時間，軟水器制水周期初期和后期待檢時間短，中期待檢時間長，有利于節(jié)約試劑。

5.2 信號輸出

當(dāng)檢測結(jié)果大于設(shè)定的硬度上限值時，控制程序發(fā)出聲光報警，并輸出信號控制軟水器啟動再生。

6 可靠性設(shè)計

6.1 控制閥芯設(shè)計

采用端面密封結(jié)構(gòu)的控制閥芯設(shè)計，簡單易行的實現(xiàn)檢測過程各個工步的流道通斷。

6.2 試劑的精確計量

中間動片采用高硬度、高耐磨的陶瓷材料，在動片上設(shè)置有試劑計量孔，通過研磨動片高度和試劑計量孔直徑將計量孔容積誤差控制在±0.4%。

6.3 混合腔的設(shè)計

混合腔用于計量定量水樣，混合腔的設(shè)計容積適度大于理論計算的定量試劑和定量水樣的容積之和。這樣設(shè)計的目的是適度增加所取水樣的量，也就增加了和試劑反應(yīng)的Ca2+、Mg2+離子量，當(dāng)軟水器出水硬度接近規(guī)定硬度上限值時適度提前報警，確保在線定性檢測的可靠性,并增加安全系數(shù)。例如蒸汽鍋爐給水硬度控制上限為0.03mmol/L，在線檢測儀在軟水器出水硬度為0.025mmol/L時就發(fā)出水硬度不合格的預(yù)警信號。

6.4 水流信號脈沖器的設(shè)計

檢測儀配置有脈沖器安裝于軟水器出水管路上，脈沖器的基本原理是在水流作用下使葉輪轉(zhuǎn)動，殼體上的霍爾元件感應(yīng)葉輪上的磁鐵磁信號而產(chǎn)生脈沖信號在軟水器再生或軟水箱水滿，軟水器暫停制水時，出水管路無水流動，脈沖器便無脈沖信號輸出，程序控制檢測儀停留在待檢位置直到接收到脈沖信號，即未收到脈沖信號時，暫停檢測。這樣既節(jié)約試劑，又可防止無水流動導(dǎo)致誤檢誤報。

6.5 試劑瓶的設(shè)計

試劑瓶的設(shè)計利用了自吸袋的原理，在大氣壓作用下自動滴取試劑。

6.6 缺試劑報警的設(shè)計

在試劑耗完時，檢測儀檢測到的電信號比藍(lán)色水樣和紫紅色水樣都大，很容易識別。另外根據(jù)試驗驗證一袋試劑的可檢測次數(shù)，控制程序設(shè)定了缺試劑報警，出現(xiàn)缺試劑報警時，用戶需及時更換新試劑瓶。

6.7 進(jìn)水樣流道的設(shè)計

進(jìn)水樣流道的設(shè)計至關(guān)重要，需充分考慮試劑粘度、混合腔排氣速度的影響，設(shè)計不合理會導(dǎo)致試劑混合不充分或進(jìn)水樣不足。進(jìn)水樣流道采取在下定片設(shè)計為噴射小孔、上定片為較大孔的流道設(shè)計，在混合水樣進(jìn)混合腔時設(shè)置有布水器緩沖水流沖擊，使混合腔內(nèi)的空氣勻速排出，以保證定量獲取水樣并與試劑充分混合，確保檢測分析準(zhǔn)確無誤。

6.8 控制程序智能保護(hù)

1）停（斷）電來電后檢測裝置回到排空待檢位置，避免來電后誤報。

2）檢測啟動后，在任一工作過程中，如果檢測到5s以上沒有水，則此次檢測結(jié)果無效。

3）檢測分析過程中，如果系統(tǒng)檢測到試劑用完，停止檢測，返回到排空待檢工位，并顯示“缺試劑”界面，提醒用戶及時更換試劑。如未能及時更換，則脈沖器感應(yīng)到水流10h后，檢測裝置發(fā)出信號強(qiáng)制軟水器啟動再生，以免軟水器失效而導(dǎo)致出水硬度超標(biāo)。

4）程序智能檢測集成電路、電動機(jī)、發(fā)射裝置及接收裝置的正常和故障情況。

7 測定范圍及準(zhǔn)確度

針對鍋爐給水硬度常見的兩種硬度上限，檢測儀提供0.03mmol/L和0.6mmol/L兩種報警上限的檢測試劑。理論上在已知定量取樣水和試劑容積的前提下，只需要改變試劑中的EDTA的含量，就可以實現(xiàn)軟水器不同出水硬度上限值的定性分析。

本檢測儀所提供的0.03mmol/L和0.6mmol/L兩種報警上限的檢測試劑，出廠配制時EDTA的含量分別以0.03mmol/L和0.6mmol/L的水硬度作為滴定終點，表1列出了以一臺型號為RA-1000B的家用軟水機(jī)的出水在線檢測結(jié)果（檢測儀采用報警上限值為0.03mmol/L的檢測試劑，間隔5min檢測一次，人工配制硬度0.03mmol/L的定量水樣和試劑終點滴定時的混合溶液置于檢測儀檢測得到的電壓值為0.51V，此值為檢測儀出廠設(shè)定的上限報警電壓值）。

表1 RA-1000B的家用軟水機(jī)的出水在線檢測結(jié)果

當(dāng)軟水機(jī)出水硬度超標(biāo)時，檢測儀發(fā)出DC5V的有源信號傳送到軟水機(jī)的遠(yuǎn)程控制端口，即時控制軟水機(jī)啟動再生。運行——檢測——再生，如此反復(fù)進(jìn)行了50次的在線檢測驗證，主要技術(shù)指標(biāo)一致性良好，準(zhǔn)確度高。

8 應(yīng)用案例

2011年在河北石家莊某制藥廠安裝的兩臺檢測儀（見圖7），分別用于在線監(jiān)測兩臺設(shè)計產(chǎn)水量為100t的軟水器的出水硬度，軟水器出水硬度上限要求≤0.03mmol/L，用戶在多個制水周期終點采樣人工滴定比對，檢測儀檢測結(jié)果與人工滴定結(jié)果吻合，至今兩臺檢測儀均運行正常。

圖7 應(yīng)用案例

用戶在前期應(yīng)用驗證，產(chǎn)水量達(dá)到100t時人工強(qiáng)制檢測儀啟動檢測，然后每增加10t強(qiáng)制檢測一次，同時人工取樣滴定出水硬度，驗證數(shù)據(jù)見表2。

表2 每增加10t產(chǎn)水量驗證數(shù)據(jù)

9 結(jié)論與展望

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示全球的鍋爐總量近千萬臺，鍋爐用水硬度檢測主要還停留在較為原始的人工滴定分析，本文介紹的水硬度在線自動檢測儀，采用潤新公司創(chuàng)新開發(fā)、取得多國專利，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、成熟可靠的端面密封結(jié)構(gòu)的控制閥芯設(shè)計和眾多智能可靠性設(shè)計，簡單易行且可靠地實現(xiàn)了水硬度在線自動定性檢測分析，經(jīng)濟(jì)實用，是國內(nèi)外中小型企業(yè)都用得起的先進(jìn)產(chǎn)品。通過試驗驗證和市場推廣應(yīng)用，該檢測儀有助于硬度在線自動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)警的功能，提高鍋爐給水硬度合格率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。展望未來，該產(chǎn)品還可以進(jìn)一步通過互聯(lián)網(wǎng)加的新概念，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，促進(jìn)我國鍋爐水處理達(dá)到國際先進(jìn)水平。

[1] 李亞麗，王小鋒. 工業(yè)用水總硬度在線檢測方法探索[J]. 南京曉莊學(xué)院學(xué)報，2013，03：57-60.

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[3] 楊天亮，施書藝，伍孝榮，等. 一種流體在線取樣檢測設(shè)備：中國專利，ZL200920202172.1[P].

Development of Outlet Water Hardness Online Automatic Monitoring Instrument for Softener

Yuan Hailin Wu Xiaorong
(Wenzhou Runxin Manufacturing Machine CO., LTD. Wenzhou 325029)

This article has introduced the design principle, construction features and reliability of Outlet Water Hardness Online Automatic Monitoring Instrument for softener that is developed based on EDTA compleximetry. It adopts hermetic head faces construction, which is Runxin’s matured and reliable intellectual-property for years. This Instrument is used on the species of qualitative detection and analysis for specific water, and definitely can substitute the traditional manual inspection. It is more convenient, reliable and economical.

Boiler water hardness Online automatic monitoring instrument Hermetic head faces construction Qualitative detection

X924.2

B

1673-257X(2015)12-0062-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.12.013

原海林 (1974～)，男，本科，工程師，從事變壓吸附空氣分離與凈化技術(shù)、閥門設(shè)計、水處理軟化、除鹽、除鐵錳過濾凈化等工作。

2015-05-18）