在線(xiàn)pH計與系統的研究
[摘要]對在線(xiàn)pH計的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，它可以連續在線(xiàn)監測鍋爐水等的pH及其他離子濃度。提出了適宜 于爐水pH電極的清洗方法。設計了在線(xiàn)pH檢測系統，該系統為鍋爐的安全生產(chǎn)與自動(dòng)控制提供了條件。  pH的測定有多種方法，最基本的還是電位法， 其他方法通常以電位法的數據為基礎。電位法測量 準確度高、操作快速、設備簡(jiǎn)單，既適用于實(shí)驗室分 析，也適用于在線(xiàn)分析，可以廣泛用于石油化工、化 學(xué)工業(yè)、制藥、冶金、染料、皮革、電站及環(huán)保污水處 理等領(lǐng)域，其主要用來(lái)控制、監測工業(yè)流程中的純 水、循環(huán)水、蒸汽冷凝水、高粘度或強酸、強堿等腐蝕 性較強溶液的pH。 任何溶液的酸堿度都可以用氫離子濃度來(lái)表 示。通常用pH來(lái)表示[H ]，pH=一lg[H ]。它是考察溶液酸度的一個(gè)重要參數，但在線(xiàn)pH測量 還沒(méi)有很好地應用于電廠(chǎng)鍋爐補給水、鍋爐給水以 及循環(huán)冷卻水中。通過(guò)pH的在線(xiàn)監測，可及時(shí)調 節并使pH控制在最佳范圍內，從而達到減緩鍋爐 設備腐蝕、結垢的目的。但由于電廠(chǎng)鍋爐給水溫度 的變化直接影響pH測量的準確性，采用現有的溫 度補償方法也只能減小溫度的影響，卻無(wú)法補償給 水本身的特性帶來(lái)的偏差。為提高pH測量的準確 性，采用快速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，由計算機系統解決了溫度的 影響，提高了pH測量的準確性。 分析儀| 溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀| 濁度計| 色度計|

在用酸度計進(jìn)行pH測量時(shí)，電極與溶液的接 觸部分保持清潔對保證酸度計測量準確度、靈敏度 和穩定度很重要。電極的污染是一個(gè)很難避免的問(wèn) 題。在在線(xiàn)連續測量情況下，為保證酸度計能長(cháng)期 連續使用，對電極系統進(jìn)行自動(dòng)清洗是必不可少的。 采用了多種清洗方法，以提高清洗效果和實(shí)現清洗 過(guò)程自動(dòng)化。以下重點(diǎn)探討溫度對pH測量的影 響，并介紹了電極清洗和在線(xiàn)pH檢測系統。 l 溫度對pH測量的影響 在pH測量中，從電極系統中獲得的電信號E 與H’的活度的對應關(guān)系符合能斯特方程¨】，其表 達式為： 個(gè) E=Eo+囂In口外 (1) 式中：E——電池電動(dòng)勢，mV； E�！�—標準電極電位，mV； — — 氣體常數； 卜法拉第常數； 絕對溫度，K； n——電極反應得失電子數； ． 口外— — 被測電解質(zhì)濃度。 eo=ED+E不對稱(chēng)+El+E內參一E外參一E溶{直 (2) 式中：E�！�—離子擴散電位，mV； E不對稱(chēng)— — 不對稱(chēng)電位，mV；E內參—— 內參電位，mV； E外參— — 外參電位，mV； E溶液— — 溶液電位，mV； 以上電位均為溫度的函數，因此 也為溫度的 函數。 令S=RT／nF，當取lna外的負對數時(shí)，(1)式可 寫(xiě)為： E=Eo—S·pH (3) E：Eo+ 墮 g口 (4) 對(4)式求導得： = 魯面 + 了· ga+ — ×警 ㈣( 式中： dE——溫度變化一個(gè)單位時(shí)測量電池電動(dòng)勢 的變化值； U s’,0 — — 電極的標準電位溫度系數項； 塑 lg口——能斯特溫度系數斜率； ×’ l，丌 ——溶T I-4液l 溫U址 度^． 系、數j 。0 能斯特溫度系數斜率對于氫離子／7,=1，溫度每 變化1 oC，則斜率變化0．198 4 mV，該項pH計采用 溫度補償的方法可以消除，對在線(xiàn)pH檢測，由計算 機進(jìn)行自動(dòng)補償。 溶液溫度系數受溶液中離子活度的影響，而離 子活度又取決于它的活度系數和離子強度，對鍋爐 給水弱電解質(zhì)及與溶液形成絡(luò )合物的電解質(zhì)溶液， 還受它們的平衡常數的影響。該項是很復雜的，一 般pH計不能對該項補償，單一采用溫度補償的方 法是不能實(shí)現對該項補償的。在線(xiàn)檢測pH時(shí)，采 用計算機進(jìn)行自動(dòng)補償，以彌補pH計的不足。 可見(jiàn)，采用溫度補償的方法能對能斯特方程斜 率進(jìn)行補償，消除溫度對測量的部分影響。當溫度 有較大變化時(shí)溫度補償方法的誤差會(huì )明顯增大。因 此采用計算機進(jìn)行溫度的自動(dòng)補償對精確測量pH 是十分必要的，是切實(shí)可行的，同時(shí)可簡(jiǎn)化pH計的 電路。

2 pH計電極的清洗 目前使用的pH計電極多以玻璃電極作為測量 電極，以甘汞電極作為參比電極。當pH計檢測介 質(zhì)時(shí)，污染物會(huì )附著(zhù)在玻璃電極上，將會(huì )影響玻璃電 極產(chǎn)生的電勢，進(jìn)而影響到pH計的示值，使靈敏度 和測量精度降低，甚至失效。因此對于pH計在實(shí) 一52 一 際使用中的抗污性，一直有人在不斷研究。又因pH 計使用范圍廣泛，pH計測量的介質(zhì)情況不同，pH計 電極受污染程度也不一樣，所以pH計電極采用的 清洗方法也不盡相同 。 對在線(xiàn)pH計，若測量介質(zhì)較為干凈(如鍋爐給 水為無(wú)鹽水)或對pH計污染程度較輕，可根據經(jīng)驗 定期取出電極進(jìn)行清洗。但這種方法在在線(xiàn)檢測中 越來(lái)越少被采用。因人工清洗不但費工、費時(shí)，而且 會(huì )使測量中斷，影響自動(dòng)檢測，所以在線(xiàn)pH計宜采 用自動(dòng)清洗。我們采用超聲波清洗和溶液噴射清洗 組合的方法對pH計電極進(jìn)行自動(dòng)清洗。
2．1 超聲波清洗 在pH計探頭附近安裝一個(gè)可以發(fā)生超聲波的 裝置，由它發(fā)出超聲波對pH 電極進(jìn)行自動(dòng)清洗。 超聲波的強弱通過(guò)調節超聲波的振蕩頻率實(shí)現。它 的安裝采取了縱向方式，即超聲波的探頭安裝在電 極的下方。
2．2 溶液噴射清洗 在電極組件的附近裝有清洗噴嘴，根據清洗要 求，噴頭定期噴水或其他溶液(如低濃度的鹽酸、硝 酸溶液)以沖刷或溶解的方式除去電極上的污染 物。如配用的自清洗系統采用質(zhì)量分數為1％的稀 HNO 溶液做清洗液，而用水時(shí)一般噴射壓力較高 些。溶液的噴射由程序控制器控制。在噴射時(shí)，pH 計需能控制輸出保持在清洗前的值不變，即此時(shí)鎖 定儀表輸出，在清洗期間儀表輸出保持不變，待清洗 完畢溶液的pH值穩定后，pH計再進(jìn)行檢測輸出。 總之，采用超聲波清洗和溶液噴射清洗組合的 方式對pH電極進(jìn)行清洗，效果較好。組合清洗系 統如圖1。 圖1 組合清洗系統

3 在線(xiàn)pH檢測系統．
3．1 微機檢測系統 本系統主要有檢測電極傳感器、檢測儀表(變 送器)將鍋爐給水檢測參數的非電量信號轉換成電 量信號或將小電量信號轉換成大電量信號送入工控 機，由工控機進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集處理，系統是建立在Windows平臺上，用MCGS工控組態(tài)軟件編制而成， 支持Internet／Intranet網(wǎng)絡(luò )系統，系統總體結構如圖 2所示。 圖2 微機檢測系統結構
3．2 系統的硬件設計 IPC—PIII800工業(yè)微機檢測系統硬件結構主要 有工控機、采集卡、接口板、CRT、鍵盤(pán)等組成。采用 一塊PC一6311采集卡，可完成對32路模擬量(12 位A／D轉換)，并配一塊PC一006接口板，以便與檢 測儀表的連接。
3．3 檢測儀表的研制 研制的離子與酸度檢測儀器是取樣測定水溶液 pH值和離子濃度的測量?jì)x器，可配合適的金屬離子 電極及參比電極測量離子濃度，有電勢差和溫度數 顯，數顯穩定可靠，可用于測定pH(酸度)等，儀器 有模擬信號輸出。所有檢測儀器的模擬信號都能滿(mǎn) 足采集卡的輸入要求。
3．4 系統軟件設計 系統采用Windows98操作系統與MCGS工控組 態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的檢測應用軟件實(shí)現友好的用戶(hù)操作界 面，以方便操作者。檢測系統對酸度等水質(zhì)指標數 據進(jìn)行采集處理和顯示。 系統有封面窗口、系統實(shí)時(shí)檢測窗口、水汽分析 記錄窗口、除鹽水分析報表窗口、8個(gè)歷史數據查詢(xún) 與編輯窗口等組成；系統設置各種菜單命令和相應 按鈕命令；并具有數據報表打印、歷史數據報表打印 功能。檢測系統的主要功能有：(1)基于IPC的自 動(dòng)檢測系統及鍋爐給水等多種水質(zhì)指標的自動(dòng)檢 測；(2)基于Windows操作平臺的界面與實(shí)時(shí)／歷史 數據顯示系統；(3)允許用戶(hù)在線(xiàn)手工輸 修改相 關(guān)技術(shù)數據；(4)能查看與打印每時(shí)、每日、每月、每 季、每年的數據報表；(5)系統支持Internet／Intranet 網(wǎng)絡(luò )系統。 該軟件系統具有操作靈活方便、修改容易、功能 強的優(yōu)點(diǎn)，支持Internet／Intranet網(wǎng)絡(luò )系統，為企業(yè) 實(shí)現集散型測控系統打下技術(shù)基礎，也為連接國際 互聯(lián)網(wǎng)，方便地實(shí)現信息交流、資源共享與遠程數據 的監測控制提供了技術(shù)保證 】。

4 結束語(yǔ) 國外酸度計產(chǎn)品采用的清洗裝置已成熟，已達 到實(shí)用化的水平，并通過(guò)微機化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，使酸度 計自動(dòng)清洗系統更加完善，但國內酸度計產(chǎn)品雖然 各種清洗方法都在采用，但均處于試用階段，在結 構、功能、清洗效果上與國外產(chǎn)品有較大差距，在自 動(dòng)清洗方法的應用技術(shù)上也剛起步。所以要加快開(kāi) 發(fā)研制電極自動(dòng)清洗系統并盡快投入使用，以促進(jìn) 國產(chǎn)酸度計趕上世界先進(jìn)水平。