在线pH计与系统的研究

在线pH计与系统的研究
[摘要]对在线pH计的特点进行了介绍，它可以连续在线监测锅炉水等的pH及其他离子浓度。提出了适宜 于炉水pH电极的清洗方法。设计了在线pH检测系统，该系统为锅炉的安全生产与自动控制提供了条件。  pH的测定有多种方法，最基本的还是电位法， 其他方法通常以电位法的数据为基础。电位法测量 准确度高、操作快速、设备简单，既适用于实验室分 析，也适用于在线分析，可以广泛用于石油化工、化 学工业、制药、冶金、染料、皮革、电站及环保污水处 理等领域，其主要用来控制、监测工业流程中的纯 水、循环水、蒸汽冷凝水、高粘度或强酸、强碱等腐蚀 性较强溶液的pH。 任何溶液的酸碱度都可以用氢离子浓度来表 示。通常用pH来表示[H ]，pH=一lg[H ]。它是考察溶液酸度的一个重要参数，但在线pH测量 还没有很好地应用于电厂锅炉补给水、锅炉给水以 及循环冷却水中。通过pH的在线监测，可及时调 节并使pH控制在最佳范围内，从而达到减缓锅炉 设备腐蚀、结垢的目的。但由于电厂锅炉给水温度 的变化直接影响pH测量的准确性，采用现有的温 度补偿方法也只能减小温度的影响，却无法补偿给 水本身的特性带来的偏差。为提高pH测量的准确 性，采用快速神经网络，由计算机系统解决了温度的 影响，提高了pH测量的准确性。 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计| 色度计|

在用酸度计进行pH测量时，电极与溶液的接 触部分保持清洁对保证酸度计测量准确度、灵敏度 和稳定度很重要。电极的污染是一个很难避免的问 题。在在线连续测量情况下，为保证酸度计能长期 连续使用，对电极系统进行自动清洗是必不可少的。 采用了多种清洗方法，以提高清洗效果和实现清洗 过程自动化。以下重点探讨温度对pH测量的影 响，并介绍了电极清洗和在线pH检测系统。 l 温度对pH测量的影响 在pH测量中，从电极系统中获得的电信号E 与H’的活度的对应关系符合能斯特方程¨】，其表 达式为： 个 E=Eo+嚣In口外 (1) 式中：E——电池电动势，mV； E。——标准电极电位，mV； — — 气体常数； 卜法拉第常数； 绝对温度，K； n——电极反应得失电子数； ． 口外— — 被测电解质浓度。 eo=ED+E不对称+El+E内参一E外参一E溶{直 (2) 式中：E。——离子扩散电位，mV； E不对称— — 不对称电位，mV；E内参—— 内参电位，mV； E外参— — 外参电位，mV； E溶液— — 溶液电位，mV； 以上电位均为温度的函数，因此 也为温度的 函数。 令S=RT／nF，当取lna外的负对数时，(1)式可 写为： E=Eo—S·pH (3) E：Eo+ 堕 g口 (4) 对(4)式求导得： = 鲁面 + 了· ga+ — ×警 ㈣( 式中： dE——温度变化一个单位时测量电池电动势 的变化值； U s’,0 — — 电极的标准电位温度系数项； 塑 lg口——能斯特温度系数斜率； ×’ l，丌 ——溶T I-4液l 温U址 度^． 系、数j 。0 能斯特温度系数斜率对于氢离子／7,=1，温度每 变化1 oC，则斜率变化0．198 4 mV，该项pH计采用 温度补偿的方法可以消除，对在线pH检测，由计算 机进行自动补偿。 溶液温度系数受溶液中离子活度的影响，而离 子活度又取决于它的活度系数和离子强度，对锅炉 给水弱电解质及与溶液形成络合物的电解质溶液， 还受它们的平衡常数的影响。该项是很复杂的，一 般pH计不能对该项补偿，单一采用温度补偿的方 法是不能实现对该项补偿的。在线检测pH时，采 用计算机进行自动补偿，以弥补pH计的不足。 可见，采用温度补偿的方法能对能斯特方程斜 率进行补偿，消除温度对测量的部分影响。当温度 有较大变化时温度补偿方法的误差会明显增大。因 此采用计算机进行温度的自动补偿对精确测量pH 是十分必要的，是切实可行的，同时可简化pH计的 电路。

2 pH计电极的清洗 目前使用的pH计电极多以玻璃电极作为测量 电极，以甘汞电极作为参比电极。当pH计检测介 质时，污染物会附着在玻璃电极上，将会影响玻璃电 极产生的电势，进而影响到pH计的示值，使灵敏度 和测量精度降低，甚至失效。因此对于pH计在实 一52 一 际使用中的抗污性，一直有人在不断研究。又因pH 计使用范围广泛，pH计测量的介质情况不同，pH计 电极受污染程度也不一样，所以pH计电极采用的 清洗方法也不尽相同 。 对在线pH计，若测量介质较为干净(如锅炉给 水为无盐水)或对pH计污染程度较轻，可根据经验 定期取出电极进行清洗。但这种方法在在线检测中 越来越少被采用。因人工清洗不但费工、费时，而且 会使测量中断，影响自动检测，所以在线pH计宜采 用自动清洗。我们采用超声波清洗和溶液喷射清洗 组合的方法对pH计电极进行自动清洗。
2．1 超声波清洗 在pH计探头附近安装一个可以发生超声波的 装置，由它发出超声波对pH 电极进行自动清洗。 超声波的强弱通过调节超声波的振荡频率实现。它 的安装采取了纵向方式，即超声波的探头安装在电 极的下方。
2．2 溶液喷射清洗 在电极组件的附近装有清洗喷嘴，根据清洗要 求，喷头定期喷水或其他溶液(如低浓度的盐酸、硝 酸溶液)以冲刷或溶解的方式除去电极上的污染 物。如配用的自清洗系统采用质量分数为1％的稀 HNO 溶液做清洗液，而用水时一般喷射压力较高 些。溶液的喷射由程序控制器控制。在喷射时，pH 计需能控制输出保持在清洗前的值不变，即此时锁 定仪表输出，在清洗期间仪表输出保持不变，待清洗 完毕溶液的pH值稳定后，pH计再进行检测输出。 总之，采用超声波清洗和溶液喷射清洗组合的 方式对pH电极进行清洗，效果较好。组合清洗系 统如图1。 图1 组合清洗系统

3 在线pH检测系统．
3．1 微机检测系统 本系统主要有检测电极传感器、检测仪表(变 送器)将锅炉给水检测参数的非电量信号转换成电 量信号或将小电量信号转换成大电量信号送入工控 机，由工控机进行实时数据采集处理，系统是建立在Windows平台上，用MCGS工控组态软件编制而成， 支持Internet／Intranet网络系统，系统总体结构如图 2所示。 图2 微机检测系统结构
3．2 系统的硬件设计 IPC—PIII800工业微机检测系统硬件结构主要 有工控机、采集卡、接口板、CRT、键盘等组成。采用 一块PC一6311采集卡，可完成对32路模拟量(12 位A／D转换)，并配一块PC一006接口板，以便与检 测仪表的连接。
3．3 检测仪表的研制 研制的离子与酸度检测仪器是取样测定水溶液 pH值和离子浓度的测量仪器，可配合适的金属离子 电极及参比电极测量离子浓度，有电势差和温度数 显，数显稳定可靠，可用于测定pH(酸度)等，仪器 有模拟信号输出。所有检测仪器的模拟信号都能满 足采集卡的输入要求。
3．4 系统软件设计 系统采用Windows98操作系统与MCGS工控组 态软件开发的检测应用软件实现友好的用户操作界 面，以方便操作者。检测系统对酸度等水质指标数 据进行采集处理和显示。 系统有封面窗口、系统实时检测窗口、水汽分析 记录窗口、除盐水分析报表窗口、8个历史数据查询 与编辑窗口等组成；系统设置各种菜单命令和相应 按钮命令；并具有数据报表打印、历史数据报表打印 功能。检测系统的主要功能有：(1)基于IPC的自 动检测系统及锅炉给水等多种水质指标的自动检 测；(2)基于Windows操作平台的界面与实时／历史 数据显示系统；(3)允许用户在线手工输 修改相 关技术数据；(4)能查看与打印每时、每日、每月、每 季、每年的数据报表；(5)系统支持Internet／Intranet 网络系统。 该软件系统具有操作灵活方便、修改容易、功能 强的优点，支持Internet／Intranet网络系统，为企业 实现集散型测控系统打下技术基础，也为连接国际 互联网，方便地实现信息交流、资源共享与远程数据 的监测控制提供了技术保证 】。

4 结束语 国外酸度计产品采用的清洗装置已成熟，已达 到实用化的水平，并通过微机化产品的开发，使酸度 计自动清洗系统更加完善，但国内酸度计产品虽然 各种清洗方法都在采用，但均处于试用阶段，在结 构、功能、清洗效果上与国外产品有较大差距，在自 动清洗方法的应用技术上也刚起步。所以要加快开 发研制电极自动清洗系统并尽快投入使用，以促进 国产酸度计赶上世界先进水平。