循環冷卻水自動監測裝置的研究

高永生　程桓　線宏偉

摘 要：伴隨著我國國民經濟的快速發展，水資源的匱乏表現凸顯。國家對工業循環冷卻水應用也不斷提出降耗、節能、增效的高要求。然而循環冷卻水系統的監督多為人工的方式完成，無法談及實時監督，因此凝汽器管材結垢、腐蝕現象時有發生。尋找一種新的水質穩定性判斷技術，對循環水系統進行有效的實時監督已勢在必行。

關鍵詞：循環冷卻水；堿度；在線監測

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

1 引言

安定指數是用循環水通過碳酸鈣過濾柱前后的堿度變化作為判定依據，測試、計算過程不受復雜補給水水質影響，適用于多種水質，可準確判斷補給水水源組成復雜、水質波動頻度較大的水質穩定性，所以安定指數η適用范圍較廣，因此，循環冷卻水穩定性在線判斷采用安定指數的在線監測、判斷對現場運行具有現實指導意義。

2 安定指數檢測原理

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

（1）

（2）

造成水體堿度較高的物質主要包括以下3類，即強堿類，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；弱堿類，如NH3、C6H5NH2等，該類物質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，因而堿性較弱；強堿弱酸鹽類，如各種碳酸鹽、重碳酸鹽、硅酸鹽等，此類物質在水中可以通過水解反應而產生少量的OH-離子，或者直接接受溶液中的質子H+。

總堿度：

（3）

在線安定指數分析儀的檢測方法屬于電位式分析法，該方法是指通過測量電極系統與被測溶液構成測量電池（原電池）的電動勢，獲知被測溶液離子活度（或濃度）的分析方法。pH電極判斷堿度滴定的終點，根據水樣在滴定過程中的pH的變化，找出其終點，從而根據所耗標準酸量計算出水樣的堿度，進而算出安定指數。

3 在線安定指數自動分析儀的總體結構圖

本文開發的安定性指數在線監測裝置的示意圖如圖1所示。圖中的各部分為：1-進樣口；2-三通分流器；3-過濾前進樣杯；4-碳酸鈣柱；5-柱后進樣杯；6-滴定杯；7，8-進樣控制電磁閥；9-滴定限速器；10-滴定控制電磁閥；11-水滴檢測裝置；12-攪拌器；13-反應杯；14-排廢閥；15-虹吸檢測裝置；16-廢液槽；17-HK328型pH分析儀；18-pH電極。

3.1 在線安定指數分析儀的硬件系統設計

在線安定指數自動分析儀利用pH電極將被測溶液的濃度值轉換成電壓信號，經過運算放大器放大濾波處理后，送入單片機的A/D進行轉換與處理。測量裝置硬件部分的設計框圖如圖2所示。

硬件電路包括：信號采集與處理電路、虹吸檢測與滴定酸檢測電路、外部時鐘電路，存儲電路及顯示電路、按鍵輸入與報警電路、驅動電磁閥控制電路、485通訊電路、電源電路、4～20mA隔離信號輸出電路。在線安定指數自動分析儀的主控制器采用Cygnal公司生產的C8051F020芯片，測量的pH信號經信號調理電路放大濾波后送入單片機進行數據轉換處理與存儲。用外部存儲器AT45DB081（8M位閃速存儲器）存儲歷史數據；用外部時鐘實現時間的自動更新與參數的存儲；使用DS18B20數字傳感器來檢測溫度信號；使用液晶顯示器LM2068R來顯示數據、時間等指示內容；液晶顯示器的驅動控制器是RA8803，液晶控制器RA8803的通信方式是并行的方式，從而實現主題菜單的設計；鍵盤采用輕觸式鍵盤，輕觸式鍵盤包括5個按鍵；單片機通過D/A轉換將數據轉換為標準的4-20mA工業信號輸出，也可以通過RS-485電路將數據傳送至上位機完成通信功能。

3.2 在線安定指數自動分析儀的軟件設計

在線安定指數自動分析儀的軟件設計采用模塊設計方法，使用高級語言C編程以實現各模塊的各部分功能。軟件程序主要包括A/D轉換子程序，虹吸檢測子程序，測量系統子程序，標定子程序，按鍵處理子程序，液晶顯示子程序，溫度檢測子程序，數據處理存儲子程序，時鐘子程序，菜單子程序，延時程序等。系統從主控程序開始遇到中斷服務請求則執行服務程序，通過調用子程序以完成溫度信號的檢測、pH電極信號的檢測、虹吸檢測、滴定終點的檢測及驅動，實現信號處理的功能，實現數據保存功能等。主控程序的初始化包括：將系統的內部時鐘轉換至外部時鐘；將堆棧指針進行復位；I/O口初始化；定時器初始化；串口UART0初始化；串口SPI初始化；時鐘DS1687初始化； LM2068R液晶顯示器初始化。

4 結論

本文基于C8051F020單片機開發了一種能快速檢測循環冷卻水的在線安定指數自動分析裝置，本設計在化學流路采用間歇式，靜態式方法，通過實驗室的模擬試驗，驗證了在線安定指數自動分析裝置的穩定性和可靠性。作為一種新的水質穩定性判斷技術，為循環水系統有效的實時監督提供了借鑒方案。

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