電磁感應(yīng)式在線濃度計(jì)的開發(fā)及應(yīng)用

相 亮

（中國(guó)石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇 南京 210042）

在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，濃度通常是重要的控制指標(biāo)之一。電磁感應(yīng)式在線濃度計(jì)以其穩(wěn)定性高及抗腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)在酸、堿、鹽等各類溶液的濃度測(cè)量中廣泛應(yīng)用。筆者通過對(duì)溶液的電導(dǎo)率、溫度和濃度三者關(guān)系進(jìn)行研究，開發(fā)了基于電磁感應(yīng)原理的硫酸和硝酸在線濃度計(jì)，并在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

1 溶液電導(dǎo)率特性

對(duì)于一般溶液，其濃度與電導(dǎo)率相關(guān)，幾種常見物質(zhì)的溶液在25 ℃時(shí)電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系如圖1所示[1]。

從圖1可以看出，在恒定溫度下，溶液濃度與電導(dǎo)率存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量溶液的電導(dǎo)率和溫度，可以計(jì)算出溶液的濃度值。

圖1 25 ℃溶液電導(dǎo)率與濃度、溫度關(guān)系曲線

2 電導(dǎo)率測(cè)量方法

對(duì)溶液電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量的電導(dǎo)率傳感器通常分為電極式和電磁式兩種。相對(duì)于傳統(tǒng)電極式傳感器而言，電磁式傳感器具有耐腐蝕、抗污染的優(yōu)點(diǎn)，在溶液測(cè)量中得以更廣泛地應(yīng)用。

電磁式電導(dǎo)率傳感器對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量是基于法拉第電磁感應(yīng)原理，其測(cè)量原理見圖2。

圖2 儀器測(cè)量原理

由環(huán)形磁芯繞制的電磁感應(yīng)傳感器，放置于被測(cè)溶液中，包圍傳感器的溶液通過中心孔形成導(dǎo)電回路。當(dāng)勵(lì)磁線圈的繞組輸入一交流電壓U1時(shí)，被測(cè)溶液會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流Ie。由于Ie的作用，檢測(cè)線圈繞組有感應(yīng)電壓U2產(chǎn)生。溶液回路感應(yīng)電流Ie的大小，由溶液電導(dǎo)率Xe決定。在檢測(cè)線圈上可得到隨電導(dǎo)率而變化的感應(yīng)電壓U2，通過對(duì)該電壓采樣處理計(jì)算出溶液電導(dǎo)率。

3 電磁感應(yīng)傳感器的制作

分別對(duì)鐵氧體、坡莫合金、硅鋼片等不同磁芯材料進(jìn)行分析比較得出，鐵氧體磁芯材料具有高磁電性能、磁性能穩(wěn)定、衰減率低、溫度特性良好等優(yōu)點(diǎn)，更適用于制作電磁傳感器。濃度計(jì)采用兩只鐵氧體材料磁芯，分別纏繞導(dǎo)線制作了勵(lì)磁線圈和檢測(cè)線圈。勵(lì)磁線圈和檢測(cè)線圈與溫度傳感元件Pt100構(gòu)成了電磁傳感器，整體密封于耐腐蝕的氟塑料殼體內(nèi)。

4 濃度計(jì)工作原理

濃度計(jì)工作原理如圖3所示。

圖3 濃度計(jì)工作原理

濃度計(jì)設(shè)計(jì)了基于NE555振蕩器及二級(jí)有源濾波電路組成的激勵(lì)電路。通過NE555芯片輸出30 kHz方波振蕩信號(hào)，經(jīng)二級(jí)有源濾波電路后轉(zhuǎn)換為正弦波信號(hào)，再通過負(fù)反饋電路穩(wěn)定正弦波幅值為2.5 V，為勵(lì)磁線圈提供激勵(lì)電壓U1。在被測(cè)溶液作用下，檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)U2送至放大轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行電壓放大，并轉(zhuǎn)換為4～20 mA電導(dǎo)電流信號(hào)I1。同時(shí)，測(cè)溫電阻Rt將被測(cè)溶液的溫度信號(hào)也送至放大器轉(zhuǎn)換電路，輸出4～20 mA的溫度電流信號(hào)I2。檢測(cè)器輸出的電流I1和I2同時(shí)送至信號(hào)處理器，通過計(jì)算機(jī)電路進(jìn)行信號(hào)采集和溫度補(bǔ)償處理，最終計(jì)算出被測(cè)溶液濃度并通過液晶顯示屏顯示，同時(shí)輸出與被測(cè)溶液濃度相對(duì)應(yīng)的電流I0。

5 濃度計(jì)技術(shù)指標(biāo)

濃度計(jì)主要為解決溶液濃度在線測(cè)量問題，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 濃度計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

6 濃度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

6.1 硫酸裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

濃度計(jì)在某化工廠硫酸裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，安裝地點(diǎn)為循環(huán)泵出口的管道上，如圖4所示。濃度計(jì)利用系統(tǒng)壓力，從工藝管道壓力高點(diǎn)開取樣口，裝配取樣管路與濃度計(jì)測(cè)量池連接，硫酸溶液經(jīng)取樣管流經(jīng)測(cè)量池。濃度計(jì)傳感器插入測(cè)量池浸入被測(cè)溶液中，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液電導(dǎo)率和溫度信號(hào)的測(cè)量。被測(cè)溶液流過測(cè)量池后返回溶液槽或者工藝管道，不會(huì)造成環(huán)境污染?？紤]到硫酸的腐蝕性，取樣管及測(cè)量池均采用不銹鋼材質(zhì)或者內(nèi)襯四氟材料，保證濃度計(jì)取樣系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

圖4 濃度計(jì)安裝示意

濃度計(jì)于2020年5月在裝置安裝運(yùn)行，已連續(xù)運(yùn)行一年多時(shí)間。濃度計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，可有效指導(dǎo)工藝運(yùn)行。將濃度計(jì)在線測(cè)量值與人工采樣分析值進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見表2。

由表2可見：現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)中硫酸質(zhì)量濃度的最大相對(duì)誤差為-1.67%，該誤差在儀表允許范圍內(nèi)（2級(jí)），表明濃度計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確，達(dá)到精度要求。

表2 硫酸裝置濃度計(jì)在線檢測(cè)與人工采樣分析結(jié)果比對(duì)

6.2 硝酸裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

濃度計(jì)于2020年在某化工企業(yè)硝酸裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，安裝地點(diǎn)為稀硝酸裝置成品酸輸出管道調(diào)節(jié)閥兩側(cè)，利用調(diào)節(jié)閥兩側(cè)壓差作為動(dòng)力進(jìn)行采樣測(cè)量。將濃度計(jì)在線測(cè)量值與人工采樣分析值進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見表3。

由表3可見：濃度計(jì)在線測(cè)量與人工采樣分析結(jié)果的最大相對(duì)誤差為0.88%，該誤差在儀表允許范圍內(nèi)（2級(jí)），表明濃度計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確，達(dá)到精度要求。

表3 硝酸裝置濃度計(jì)在線檢測(cè)與人工采樣分析結(jié)果比對(duì)

從濃度計(jì)在硫酸及硝酸裝置運(yùn)行情況來(lái)看，測(cè)量值準(zhǔn)確有效，能夠及時(shí)反饋工藝運(yùn)行情況，達(dá)到優(yōu)化工藝、穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)傳感器腐蝕現(xiàn)象，取樣系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)均運(yùn)行正常，證明濃度計(jì)所設(shè)計(jì)的傳感器、硬件系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以保證濃度計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

7 結(jié)語(yǔ)

目前，電磁感應(yīng)式在線濃度計(jì)已成功推廣至國(guó)內(nèi)眾多化工裝置，在硫酸、鹽酸、硝酸、燒堿等裝置中均有應(yīng)用，推進(jìn)了化工生產(chǎn)領(lǐng)域此類儀器國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。