电子式工业酸度计及配套系统适应性实验及结果分析

电子式工业酸度计及配套系统适应性实验及结果分析
【摘要】本文介绍了电子式工业酸度计工作原理及其在室内和现场实验的方法。以金属电极和玻璃电极为例，采用不同的清洗方 式，得出了实验结果，同时详细分析了影响pH监测的主要因素，提出合理的在不同环境条件下酸度计及其配套系统的使用方案。相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器| 电能质量分析仪| 多功能测试仪| 电容表| 电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔|

1 概述 pH值作为一个重要的控制参数，在油田污水处理过程 中，直接影响水质的达标程度。针对pH值测量过程中暴露 出来的问题，通过室内和现场的对比实验，对酸度计及其配 套系统在电极的型号、清洗方式、安装形式，水质等主要环 节进行了分析，最后我们提出了最优的组合来满足油田污水 处理测控系统的要求。我们在大量调研和以前已经使用过的 系统的基础匕决定选用的电极是玻璃电极和金属电极。由于 玻璃电极价格低，测量精度高，所以选用玻璃电极作为测量 电极。金属锑电极具有使用寿命长，免维护等优点，且能适 用于温度较高(如<55℃)的复杂环境，但测试精度较低， 测试范围窄，主要研究考虑采用何种清洗方式能解决电极容 易结垢以及被油污染等问题。而且还没有发现在油田污水类 似环境中应用的报道。因此，我们研究的主要目的是：金属 电极能否消除结垢、油污染等影响测试的不利因素。

2 实验方案及测试原理
2．1 priG-242工业酸度计 prig·242工业酸度计(自研)与相应的酸度发送器配 套，用于连续测量工业流程中水溶液的酸度(pH值)。 prig电子工业酸度计是基于化学分析中的电化学分析原理 完成对溶液pH值的测量， 由pH玻璃电极(pH传感器) 和参比电极组成的化学原电池，其电位E与溶液中的pH值 符合能斯特公式。
2．2 电极选型及测量原理
2．2．1 锑电极 锑电极是一种氧化还原电极，可以通过测量锑·三氧化 二锑之间的电位差来测量溶液的PH值，要能连续地测量溶 液的pH值，应随时对与被测溶液接触的锑电极表面进行清 洗，清洗污垢和氧化物，以保持锑电极的新鲜表面，满足纯 锑表面与被测溶液接触，从而再形成一层新Sb203的薄 32 EIC V0I．10 2003 N0．3 面，如此周而复始，以保证溶液pH的测量精度及可靠性。
2．2．2 玻璃电极 pH玻璃电极主要由以下几部分组成：pH敏感膜，内 参比电极系统，电极支杆，电极帽，电极引线。内参比电极 系统包括Ag-AgC1电极和内参比溶液，它的作用就是把膜 电位引出与甘汞电极形成电动势，以此来测量溶液的pH 值。
2．3 电极渭洗l力式 在线pH测量经常遇到电极污染和电极表面结垢的问 题。在油田污水处理过程中，污水中含有大量的钙盐、原 油、悬浮固体颗粒、胶状物、化学试剂等，经常因电极被污 染或结垢使PH计的灵敏度和测量精度降低，甚至失效，而 造成整个控制系统失灵，严重地影响了水质的达标。为了减 少维护工作量，使在线测量正常进行，除了合理地选择取样 点位置和过滤装置外，还必须选择合适的清洗方法。实验选 用的清洗方式有：超声清洗、机械刮板清洗、叶轮清洗以及 溶液喷射清洗等。

3 室内实验
3．1 室内实验方案 (1)实验溶液 实验时分别选用以下几种溶液：① pH=6．86标准缓冲 溶液； ② pH=9．18标准缓冲溶液； ⑧ 含不同浓度Ca 离子的10％ 的NaCI溶液： ④ 含不同浓度S 的10％NaC1 溶液；⑤ 中原油田采油二厂濮二联合站含油污水。 (2)实验温度 根据现场使用特点， 实验温度范围选择从室温到7O ℃，油田污水是从联合站三相分离器出来的，—般水温都在 室温以上，所以没有在低温方面予以太多的考虑。若检测对 象是低温，则对传感器更有利，主要是高温对酸度计使用影 响很大。(3)实验目的 观察金属电极和玻璃电极的测试精度对温度的适应能力 以及含油量、浓度S 、Ca2+等对测试精度的影响程度。
3．2 实验结果分析 笔者在文献【2】中详细描述了用恒温水浴锅控制在不同 温度下对玻璃电极和金属电极进行了实验和结果分析，结果 表明，玻璃电极比金属电极测试精度要高，在50℃以下， 玻璃电陂测试误差在0．1PH以下，随着温度升高，误差逐渐 增大，当介质温度超过50℃后测试数据有明显的跳动现 象，而且浸泡时间加长后，由于玻璃电极内溶液有漏失，导 表1不同含； 致放大系数变化，由此引起测量误差。此外，玻璃电极在高 温环境中寿命很短，金属电极虽测试精度稍低(50℃以下 绝对误差约0．2pH，60℃以下误差0．3pH)，在环境温度较高 情况下，尽管金属电极稍有信号跳动现象，但仍可以正常工 作，在介质温度超过70℃后，误差较大，达0．52rIH。 3．2．1 含油量对测量结果的影响 为了实验含油量对测试结果的影响，用恒温水浴锅将pH =9．18标准缓冲溶液控制在50±2℃，加入不同原油后，分 析原油含量后用玻璃电极和金属电极，测试pH值，结果见 表1。 NO 含油量mg／L PH0 误差 相对误差 PH1 误差 相对误差 PH2 误差 相对误差 1 0 9．20 0．02 0．22％ 9．14 0．04 0．44％ 6_85 0．01 0．11％ 2 19 9．23 0．05 0．54％ 9．21 0．03 0-33％ 6．92 0．06 0．65％ 3 42 9．19 0．01 0．11％ 9．10 0．09 0．98％ 6．87 0．01 0．11％ 4 130 9．09 0．09 0．98％ 9．28 0．10 1．O9％ 6．99 0．13 1．42％ 5 26o 9．47 0．29 3．16％ 9．23 0．15 1．63％ 7．18 0．32 3．49％ 6 590 9．65 0．47 5．12％ 9-35 0．27 2．94％ 7．23 0-37 4．03％ 说明：温度为50±2℃ ，介质： 9．18pH缓冲溶液，pH0是用上海某厂生产的分析用酸度计；pH1是带叶轮清洗装置的玻璃电极测试 的PH值；pH2是带电刮片清洗装置的金属电极测试的pH值。 从表1中可以看出，高含油对测量结果是有一定影响 的，尤其是对电极探头的污染。如果不加装清洗装置当含油 超过13omg／1后，测量误差明显增大，如果能保证清洗装置 的正常运行，含油的高低对pH测量结果没有明显的影响。
3．2．2 Ca2 离 理论上Ca2+、 s2-~-t对电极是有影响的，因此，我们 按照油田污水中这两种离子的含量范围，在pH值为9．05pH 的10％NaCI溶液和二厂濮二联含油污水加入不同浓度的 ca s ，分别用分析酸度计，叶轮式玻璃电极和金属电极 测量pH值，结果见表2和表3。 表2 Ca C 啥量Mg／l 0 500 10()o 1500 2O0o 2500 30()o PH0 9．05 9．09 9．0r7 9．06 9．0r7 9．10 9．12 PH1 9．0r7 9．04 9．06 9．0r7 9．08 9．O6 9．01 PH2 9．12 9．17 9．09 9．21 9．17 9．09 9．14 说明：测试温度：室温(约14℃) PH0、PH1、PH2意义相 同，介质1o％NaCl。 表3 S 。 s2-~-t (mgf 0 10 20 30 40 50 100 PH0 9．06 9．08 9．12 9．11 9．17 9．29 9．45 PH1 9．08 9．12 9．14 9．17 9-32 9．41 9．56 PH2 9．13 9．12 9．14 9．09 9．15 9．42 9．67 说明：测试温度：室温(约14℃) PH0、PH1、PH2意义相 同，介质为二厂来水。 从表2和表3可以看出，在Ca2+浓度小于3000mg／1溶 欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息 液中，Ca2+浓度对测量结果影响不明显，而S铺子的影响 是明显的。当含量超过5omgn时测量误差明显增大。尤其 是测量时间比较长时，电极表面发黑。主要是加秉 中 的二价阳离子反应， 堵塞电极孔道，造成电极中毒，变 黑，不能继续使用。 由于离子的影响是一个滞后和积累的过程，即随着时间 的延长，影响将越来越大，因此，Ca 时玻璃电极还有待 深入研究。s_镛子的影响是明显的，随着时间的延长，影 响越来越大，电极寿命将会缩短。

4 现场实验 室内实验结果表明，研制的玻璃电极和金属电陂以及各 自配套的辅助装置都能达到比较理想的结果。为了进—步考 察在现场实际情况下的性能，我们分别在中原油田二厂濮二 联和六厂马厂联安装实验用酸度计及配套装置进行实验，这 两个站分别代表加药点在收油前和收油后两种形式，现场实 验综合评价水温、水中离子含量等多种因素对电极的影响。
4．1 现场实验方案 (1)中原油田濮二联合站／污水站 在混合罐出口同时安装了复合电极(反冲洗)，玻璃电 极(叶轮清洗)和金属电极(电机刮片清洗)三套pH监测 装置，以此来比较电极及清洗装置的实验结果。 (2)中原油田马厂联合站／污水站 在原pill监测点安装了两套pH值监测装置(都使用 玻璃电极)，分别采用超声波和叶轮清洗装置做对比实验，以此来观察同种条件下两种清洗方式的优劣。 l5天后，观察电极表面：带叶轮清洗装置的玻璃电极 表面光亮无油垢；带超声清洗的玻璃电极表面开始有一层薄 薄的垢。6o天后，观察电极表面：带叶轮清洗装置的玻璃 电极表面光亮无明显垢；带超声清洗的玻璃电极表面有一层 厚垢。5个月后，观察电极表面：带叶轮清洗装置的玻璃电 极表面形成一层明显可见的垢，带超声清洗的玻璃电极已停 止监测。
4．2 实验数据及分析 经过半年的现场实验，取得了大量的数据(因数据量 大，此文未列)，分别在濮二联用4种不同酸度计(标准分 析用酸度计和玻璃电极、金属电极和复合电极酸度计)电极 所测的pH值数据，和在马厂联用3个酸度计(标准分析用 酸度计和两套分别带超声清洗和叶轮清洗工业酸度计)所测 得的数据。 濮二联现场实验结果同室内实验结果基本吻合，玻璃电 极和复合电极测试精度比金属电极高，最大误差分别为 0．15pH和0A0pH，最大相对误差为1．63％ 和1．09％；金属电 极最大测量误差为0．22pH，最大相对误差为2．40％ 。因为濮 二联来水温度高(55℃～6o℃)，所以玻璃电极和复合电 极寿命较短。复合电极安装使用约一个月后就出现了问题， 而带叶轮清洗装置的玻璃电极寿命稍长些，为66天，而金 属电极在整个实验过程中，除有一次是因为电机刮片属人为 仪器仪表用户 损坏外，其余时间工作都比较正常。濮二联现场实验说明， 在高温环境中复合电极是最娇气的，其次是玻璃电极，最好 的是金属电极。虽然复合电极也是玻璃电极，但是，由于清 洗方式不同，导致二者寿命有所不同。 马厂联现场实验表明，安装初期，超声波清洗方式效果 很好，甚至好于叶轮清洗方式，如实验第—个月内，用超声 清洗方式的最大误差为0．14pH，最大相对误差为2％；用叶轮 清洗方式的最大误差为0．19pH，最大相对误差为3％；随着时 间延长。超声清洗效果下降，到第三个月就失去清洗效果， 电极表面有一层灰白色的结垢，测量误差增大，最大误差达 到1．02pH，相对误差为14．4％；此时玻璃电极灵敏度明显下 降，即使介质pH有所变化，所测的数据也变化不大， (电 极经过清洗后仍能继续使用)；带叶轮清洗装置的玻璃电极 实验到第5个月后表面开始结垢，最大误差达到O．48pH，最 大相对误差为6％，且反应较慢。 5 结论 室内实验和现场实验说明了一种电极的测量精度和稳定 性。但是评价一种电极的好坏，要考虑的因素很多，如精 度、可靠性、稳定性、寿命长短、价格以及维护是否方便 等。根据实验结果，对各种电极以及清洗方式的综合评价见 表4和表5。 表4各种电极实验结果评价表 电极类型 适合温度℃ 平均误差 均差 平均偏差 平均寿命 电极成本(元／天) 稳定性 维护 玻璃电极 5—55 0．0l 0．0o64 0．058 120天 0．50 好 简单 复合电极 5．55 0．0l 0．0o97 0．075 120天 1．50 好 较简单 金属电极 一75 0．10 0．0l00 0．076 360天 0．70 较好 免维护 表5各种清洗方式实验结果评价 清洗方式 适用范围 安装结构 日常维护 综合成本 平均寿命 对测量的影响 备 注 叶轮清洗 玻璃电极，复合电极 结构简单易拆卸 简单 低 1笠 无影响 叶片一年更换 超声清洗 所有电极 安装复杂 免维护 较高 5笠 影响不大 高压喷流 玻璃电极，复合电极 复杂 较复杂 高 0．5年 清洗时测量中断 电磁阀易损坏 电刮板 金属电极 较复杂 免维护 较高 5笠 无影响 刮板8个月更换 根据分析，得出以下结论：玻璃电极适用于温度较低的 于温度较低的环境中；电机刮片清洗(金属电极)能适用于 环境，精度高，价格低，使用寿命在低温下((50℃)约 高含油和结垢环境下污水的pH值监测；叶轮清洗装置比较 O．5年，高温下(5O～6o℃)寿命约l～2个月：复合电 适合中原油田实际情况，能够阻止玻璃电极上垢的形成。在 极测试精度高，但价格高，使用寿命同玻璃电极，也只适用 几种清洗方式中表现出较高的优势。