循環(huán)冷卻水自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的研究

高永生　程桓　線宏偉

摘 要：伴隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源的匱乏表現(xiàn)凸顯。國(guó)家對(duì)工業(yè)循環(huán)冷卻水應(yīng)用也不斷提出降耗、節(jié)能、增效的高要求。然而循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的監(jiān)督多為人工的方式完成，無(wú)法談及實(shí)時(shí)監(jiān)督，因此凝汽器管材結(jié)垢、腐蝕現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。尋找一種新的水質(zhì)穩(wěn)定性判斷技術(shù)，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)督已勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：循環(huán)冷卻水；堿度；在線監(jiān)測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.108

1 引言

安定指數(shù)是用循環(huán)水通過(guò)碳酸鈣過(guò)濾柱前后的堿度變化作為判定依據(jù)，測(cè)試、計(jì)算過(guò)程不受復(fù)雜補(bǔ)給水水質(zhì)影響，適用于多種水質(zhì)，可準(zhǔn)確判斷補(bǔ)給水水源組成復(fù)雜、水質(zhì)波動(dòng)頻度較大的水質(zhì)穩(wěn)定性，所以安定指數(shù)η適用范圍較廣，因此，循環(huán)冷卻水穩(wěn)定性在線判斷采用安定指數(shù)的在線監(jiān)測(cè)、判斷對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

2 安定指數(shù)檢測(cè)原理

堿度是指能夠中和水中氫離子的所有物質(zhì)的總和， 安定指數(shù)法是利用水樣在通過(guò)裝有碳酸鈣顆粒的過(guò)濾柱前后的堿度變化，即能接受H+的物質(zhì)總量。按碳酸各級(jí)平衡反應(yīng)式：

（1）

（2）

造成水體堿度較高的物質(zhì)主要包括以下3類，即強(qiáng)堿類，如NaOH、它們能夠在水溶液中電離出自身包含的所有OH-離子，所以堿性較強(qiáng)；弱堿類，如NH3、C6H5NH2等，該類物質(zhì)在水溶液中不能完全電離，其自身所含的OH-離子只有部分被釋放出來(lái)，因而堿性較弱；強(qiáng)堿弱酸鹽類，如各種碳酸鹽、重碳酸鹽、硅酸鹽等，此類物質(zhì)在水中可以通過(guò)水解反應(yīng)而產(chǎn)生少量的OH-離子，或者直接接受溶液中的質(zhì)子H+。

總堿度：

（3）

在線安定指數(shù)分析儀的檢測(cè)方法屬于電位式分析法，該方法是指通過(guò)測(cè)量電極系統(tǒng)與被測(cè)溶液構(gòu)成測(cè)量電池（原電池）的電動(dòng)勢(shì)，獲知被測(cè)溶液離子活度（或濃度）的分析方法。pH電極判斷堿度滴定的終點(diǎn)，根據(jù)水樣在滴定過(guò)程中的pH的變化，找出其終點(diǎn)，從而根據(jù)所耗標(biāo)準(zhǔn)酸量計(jì)算出水樣的堿度，進(jìn)而算出安定指數(shù)。

3 在線安定指數(shù)自動(dòng)分析儀的總體結(jié)構(gòu)圖

本文開(kāi)發(fā)的安定性指數(shù)在線監(jiān)測(cè)裝置的示意圖如圖1所示。圖中的各部分為：1-進(jìn)樣口；2-三通分流器；3-過(guò)濾前進(jìn)樣杯；4-碳酸鈣柱；5-柱后進(jìn)樣杯；6-滴定杯；7，8-進(jìn)樣控制電磁閥；9-滴定限速器；10-滴定控制電磁閥；11-水滴檢測(cè)裝置；12-攪拌器；13-反應(yīng)杯；14-排廢閥；15-虹吸檢測(cè)裝置；16-廢液槽；17-HK328型pH分析儀；18-pH電極。

3.1 在線安定指數(shù)分析儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在線安定指數(shù)自動(dòng)分析儀利用pH電極將被測(cè)溶液的濃度值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大濾波處理后，送入單片機(jī)的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理。測(cè)量裝置硬件部分的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

硬件電路包括：信號(hào)采集與處理電路、虹吸檢測(cè)與滴定酸檢測(cè)電路、外部時(shí)鐘電路，存儲(chǔ)電路及顯示電路、按鍵輸入與報(bào)警電路、驅(qū)動(dòng)電磁閥控制電路、485通訊電路、電源電路、4～20mA隔離信號(hào)輸出電路。在線安定指數(shù)自動(dòng)分析儀的主控制器采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F020芯片，測(cè)量的pH信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大濾波后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理與存儲(chǔ)。用外部存儲(chǔ)器AT45DB081（8M位閃速存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)；用外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)間的自動(dòng)更新與參數(shù)的存儲(chǔ)；使用DS18B20數(shù)字傳感器來(lái)檢測(cè)溫度信號(hào)；使用液晶顯示器LM2068R來(lái)顯示數(shù)據(jù)、時(shí)間等指示內(nèi)容；液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)控制器是RA8803，液晶控制器RA8803的通信方式是并行的方式，從而實(shí)現(xiàn)主題菜單的設(shè)計(jì)；鍵盤(pán)采用輕觸式鍵盤(pán)，輕觸式鍵盤(pán)包括5個(gè)按鍵；單片機(jī)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA工業(yè)信號(hào)輸出，也可以通過(guò)RS-485電路將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)完成通信功能。

3.2 在線安定指數(shù)自動(dòng)分析儀的軟件設(shè)計(jì)

在線安定指數(shù)自動(dòng)分析儀的軟件設(shè)計(jì)采用模塊設(shè)計(jì)方法，使用高級(jí)語(yǔ)言C編程以實(shí)現(xiàn)各模塊的各部分功能。軟件程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換子程序，虹吸檢測(cè)子程序，測(cè)量系統(tǒng)子程序，標(biāo)定子程序，按鍵處理子程序，液晶顯示子程序，溫度檢測(cè)子程序，數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)子程序，時(shí)鐘子程序，菜單子程序，延時(shí)程序等。系統(tǒng)從主控程序開(kāi)始遇到中斷服務(wù)請(qǐng)求則執(zhí)行服務(wù)程序，通過(guò)調(diào)用子程序以完成溫度信號(hào)的檢測(cè)、pH電極信號(hào)的檢測(cè)、虹吸檢測(cè)、滴定終點(diǎn)的檢測(cè)及驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存功能等。主控程序的初始化包括：將系統(tǒng)的內(nèi)部時(shí)鐘轉(zhuǎn)換至外部時(shí)鐘；將堆棧指針進(jìn)行復(fù)位；I/O口初始化；定時(shí)器初始化；串口UART0初始化；串口SPI初始化；時(shí)鐘DS1687初始化； LM2068R液晶顯示器初始化。

4 結(jié)論

本文基于C8051F020單片機(jī)開(kāi)發(fā)了一種能快速檢測(cè)循環(huán)冷卻水的在線安定指數(shù)自動(dòng)分析裝置，本設(shè)計(jì)在化學(xué)流路采用間歇式，靜態(tài)式方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了在線安定指數(shù)自動(dòng)分析裝置的穩(wěn)定性和可靠性。作為一種新的水質(zhì)穩(wěn)定性判斷技術(shù)，為循環(huán)水系統(tǒng)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)督提供了借鑒方案。

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作者簡(jiǎn)介：高永生（1963-），男，山東萊州人，專科，采礦機(jī)械工程師，研究方向：智能化礦山。