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    非接觸式酸、堿濃度計的設計與實現

    發布時間:2012/10/13   點擊次數:2035
     
    提 供 商: 無錫東原儀表科技有限公司 資料大?。?/td>
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       1前言
       在乳品、飲料、啤酒及食品加工行業,為了達到食品衛生要求,對生產線上的各種反應罐、器皿和生產管線必須進行嚴格、定時、定期的清洗。清洗的一般程序是:酸洗―堿洗―水洗。其中,酸洗和堿洗都是用含有一定量(約1%~3%)的酸溶液、堿溶液清洗用過的器皿和生產管線,以去除其中的各種油類、脂類等污垢,防止管線及器皿產生細菌,保證產品達到食品衛生標準。在進行上述酸洗和堿洗的過程中,有兩個問題必須保證,一是清洗溶液要保證一定的酸、堿濃度,滿足清洗要求,二是廢棄溶液排放時的酸、堿濃度要達到zui低,以滿足環保要求。因此,要滿足上述控制要求,就必須要有一個關鍵的在線檢測元件―酸、堿濃度計。
       在線檢測液體的酸、堿濃度,目前常用的方法都是以檢測液體電導率的方式,因為酸和堿的化學成分決定了液體的酸、堿濃度和其電導率成正比,因此通過檢測液體的電導率即可確定其液體的酸、堿濃度。目前,國內的酸堿濃度計都是接觸式,即以電極的形式和被測液體接觸以測其電導率,以此來確定液體的酸、堿濃度。但是,這種方法有一個zui致命的缺點就是電極容易被污染,嚴重影響了測量的準確性及使用壽命,尤其在食品行業,情況zui為嚴重。
       2非接觸式酸、堿濃度計的測量原理
       本文提出一種非接觸式酸、堿濃度計,其原理是利用電磁感應測量電導率,結構如圖1所示。L1和L2是兩個相互絕緣的環形電感線圈,將其固化在一起,孔是聯通的。如果將上述結構的兩線圈放置于被測液體,則被測液體必然穿過兩線圈的聯通孔,由于被測的酸、堿溶液是電介質,是導電的,因此,可把液體看作是如圖2所示的模擬導體,此模擬導體穿過環形線圈L1和L2,于是形成如圖2所示的測量等效電路。在等效電路中,模擬導體是被測液體,是導電的,于是可看作是具有一定電阻的單匝線圈,此時,如果在L1線圈通以一個等幅的交流信號,由于模擬導體穿過L1磁環,則在模擬導體內必然有感應電流,同時模擬導體也穿過L2線圈磁環,于是在L2線圈內必然感應出輸出信號。當在L1內的輸入信號的幅度確定后,輸出信號的大小將隨著模擬導體內的電流的大小而變化。由于模擬導體是被測液體,其電導率與被測液體的酸、堿濃度成正比,因此通過檢測L2輸出信號的大小,即可測出模擬導體內電流的大小,于是即測出了模擬導體的電導率―被測液體的酸、堿濃度。
       3測量電路
       根據上述測量原理,設計出如圖3所示測量電路結構框圖,測量電路由三部分組成:振蕩與激勵電路、放大與輸出電路和溫度補償電路。實際完整的電路工作原理如圖4所示。
       (1)振蕩與激勵電路振蕩與激勵電路是給濃度檢測探頭L1線圈提供一個穩定的激勵信號,以使當探頭插入被測液體后,能夠在探頭L2線圈得到一個與被測液體電導率成正比的酸、堿濃度信號。為了保證輸出信號的精度,激勵信號的幅度和頻率必須相對穩定,尤其是幅度。因此,在電路圖4中,振蕩與激勵電路由以下元件組成:三極管T1,電阻R6、R2、R3,電容C1、C2、C3和功率放大器U01。其中,T1、R6、R2、R3和C1、C2、C3組成了電容移相式振蕩器。為了使振幅穩定,振蕩電路的電源采用二級穩壓,即電源經過V1三端穩壓電源后又經過ZD3、R7組成的基準穩壓,以減少電源對振蕩幅度的影響。振蕩輸出經R5、C7和RP1送給U01功率放大器作幅度放大后,將放大后的激勵信號加在探頭的L1線圈上,以形成一個振幅穩定的激勵信號。
       (2)放大與輸出電路由于在L1線圈上已經加上了一個穩定的交流激勵信號,于是當由L1、L2組成的探頭插入被測液體時,根據前述的電磁感應原理,在L2線圈必然產生一個與被測液體的酸、堿濃度成正比的濃度信號,該信號經D1檢波,變成直流信號后,送給U02和U03進行比例放大、T2倒相,再經由U04和T4、T5組成的電壓/電流轉換器,使輸出變為4~20mA標準電流信號,以便于與計算或二次儀表接口。
       (3)溫度補償電路根據前述酸、堿濃度測量原理,測量被測液體的酸、堿濃度,是通過測量被測液體的電導率,而被測液體的電導率受溫度影響極大。實驗證明:同一被測液體,溫度每增加10℃,其電導率增加約2%。因此,要消除溫度對電導率的影響,必須加溫度補償電路。
       本測量電路的溫度補償電路前端由Pt100、R16、R17、R18和RP6組成測量電橋。其中RP6為調零電位器。U05為電橋輸出放大器,將放大后的輸出信號輸出分成兩路,一路經R26、RP8送給U03作溫度補償,補償比例的大小由RP8決定。另一路送給U06和T3,再經過U07、T6、T7組成的電壓/電流轉換器,將輸出變為4~20mA標準電流信號,作為溫度信號輸出。因此溫度補償電路除了作溫度補償外,同時也作為溫度測量輸出信號。
       圖4酸、堿濃度計電路原理圖
       4電路參數及實驗數據
       (1)電路參數本電路的檢測探頭由L1和L2組成,L1和L2鐵心為φ30mm鐵氧體磁環,L1、L2匝數均為100匝,線徑為φ0.21mm。根據電路測量原理,本測量電路的L1線圈的激勵信號的頻率,是直接影響二次輸出信號響應的線性度及精度的一個zui重要因素。通過大量實驗表明,在上述電路結構參數下,當激勵信號的頻率為2MHz時,二次感應信號的線性度、靈敏度和精度*,見(2)實驗數據。因此,本電路激勵信號頻率確定為2MHz,激勵信號放大器U01為LM386。溫度探頭為Pt100,采用耐酸、堿性能比較好的1Cr18Ni9Tia不銹鋼封裝,封裝后的Pt100與L1和L2線圈采用耐酸、堿尼龍封裝在一起,整體探頭封裝后的結構形式如圖5所示。
       (2)實驗數據電路實驗分為兩部分:一部分是酸、堿濃度的檢測實驗,包括精度和線性度。另一部分是溫度補償實驗。
       ①酸、堿濃度實驗本濃度計檢測范圍定為:0.1%~5.0%,因此濃度檢測實驗樣本分別為百分比為:0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0(%)的硫酸溶液7份,容量各為300mL,并將其置于容量各為500mL的玻璃杯內。為了給輸出濃度信號定標,首先將濃度探頭置于0.1%濃度樣本內,調節圖4中的RP1使其濃度輸出信號為4mA。然后再將探頭放入5.0%樣本內,調節RP2使濃度信號輸出為20mA(滿標)。隨后再將探頭放入其余的濃度樣本,其實驗數據如表1所示。
       表1酸濃度檢測數據
       通過酸濃度檢測實驗,實驗數據表明其線性度和精度可控制在3%的范圍內。堿的濃度測試和上述測試結果相當,檢測實驗結果這里省略。
       ②溫度補償實驗
       為了能確定不同濃度在一定溫度范圍內的補償效果,試驗濃度分別?。?.5%、2.0%和4.0%三個樣本各為300mL,測試樣本液體分別放入三個500mL玻璃燒杯內加熱,得出檢測實驗數據如表2所示。
       表2溫度補償測試數據
       5結論
       本文利用模擬導體的概念,提出的非接觸式酸堿濃度計測量原理,由于被測介質與電路實現了完全的水―電隔離,避免了酸、堿等強腐蝕性溶液對電極的腐蝕、污染和極化效應,使電路的可靠性和壽命得到了極大提高。通過本文提出的電路原理和實驗數據可以看出,該濃度計測量線性度、精度和溫度補償特性完全可以滿足在線5.0級測量精度要求。由于該儀表輸出兩路4~20mA標準信號,可同時監測被測液體的酸、堿濃度和溫度,可接二次儀表讀取濃度和溫度信號,也可接計算機遠傳監視或與自動調節裝置配合進行自動控制。本儀表已在乳品行業CIP清洗設備上試用一年多,性能穩定,溫度補償特性良好,完全可以取代目前國內正在使用的同類產品。本儀表也可應用于電力、化工、冶金、食品、制藥等行業中對各種HCl、H2SO4、NaOH、NaCl等強電解質的濃度進行高精度、連續的監測與自動控制。

     
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