软化水硬度实时监测钠离子交换器的设计

吴清收，孟雍祥（山东科技大学，山东青岛266590）

软化水硬度实时监测钠离子交换器的设计

吴清收，孟雍祥
（山东科技大学，山东青岛266590）

钠离子交换器调节松床、再生、清洗等步骤的运行时间需要依据其所产水的硬度指标，而目前对水质硬度的检测大多采用人工完成，不仅操作繁琐，而且不能实时监测软化水的硬度指标。为解决这一问题，以微控制器STM32F103RB为核心，通过专门设计的检测容器中的钙离子选择性电极对交换器的出水硬度进行实时监测，根据检测到的硬度指标自动调整各步骤的运行时间，达到降低成本、提高效率的目的。

钠离子交换器；水硬度；微控制器；离子选择性电极；实时监测

热电厂、印染行业使用的工业锅炉用水主要来源于地下水或自来水，由于这些水源尤其是地下水，钙镁离子浓度较高，如果将其直接应用于工业锅炉，在管道和锅炉中容易形成碳酸盐垢，不仅降低了锅炉的热传导率，增加了能耗，严重时会引起锅炉爆炸和管道堵塞。因此，锅炉用水应当经过软化处理〔1-2〕。目前最普遍也是最有效的软化方法是采用钠离子交换器对水质进行软化，其基本原理是利用离子交换树脂吸收水中的钙镁离子，并释放出钠离子，也就是用钠离子将水中的钙镁离子置换出来，使水的硬度降低。钠离子交换器由2个罐体组成，1个罐产水时，另1个罐则要经过松床、再生和清洗等步骤为产水做准备，2个罐循环交替工作。目前，各个步骤的运行时间需要根据软化水的硬度人工设置，并且软化水硬度的检测仍然是采用化学试剂由人工完成，不仅工作繁琐，不能实现实时跟踪，而且不利于钠离子交换器的自动化运行〔3〕。对此，笔者以微控制器STM32F103RB为核心，通过专门设计的检测容器，采用钙离子选择性电极对交换器的出水硬度进行实时监测，根据检测到的硬度指标自动调整各步骤的运行时间；同时，一旦软化水硬度超标，则发出报警，真正实现了工业锅炉用水软化装置的无人值守。

1　装置整体结构

系统装置由交换罐（左罐和右罐）、盐罐、给水泵、盐泵、电磁阀、流量计、单向阀、电动阀、检测电极和检测容器组成，如图1所示。

系统工作时，给水泵打开，左罐和右罐交替产水，1个产水时另1个调整。左罐产水时，电磁阀1打开，电磁阀2关闭；右罐产水时，电磁阀动作相反。处于调整阶段的交换罐其调整步骤分别为松床、再生（加盐）和清洗，各个步骤的运行时间根据软化水硬度检测结果自动调整。在再生阶段，盐泵工作，向罐内加盐提供更多的钠离子，用于置换硬水中的钙镁离子〔4〕。检测软化水硬度采用的是水硬度复合电极，检测时电动阀1打开取样，电动阀2关闭；取样完成后电动阀1关闭，开始检测；检测完成后电动阀1关闭，电动阀2打开排出检测过的水样，这样可以在水样静止状态下完成检测，克服了在管道内直接检测时检测结果误差较大的弊端。

图1　系统装置构成

2　检测控制系统

2.1检测控制系统功能

装置中调整步骤的检测与切换、各调整步骤运行时间的控制、系统掉电时步骤的记忆、软化水硬度的检测均要由检测控制器完成，具体检测控制任务如下：

（1）自动实现各调整步骤的检测与运行，意外掉电时，能自动记忆当前运行状态及调整步骤运行的时间。

（2）当水箱水位达到上极限时自动停止系统运行，到达下极限时恢复运行。

（3）实时检测软化水的硬度，根据检测结果实时调整各步骤运行时间。

（4）实时检测各阀的线路状态，出现断线时显示对应阀故障并停止系统运行，待故障修复后继续运行。

（5）实时显示系统运行状态及当前调整步骤的时间进度。

2.2检测控制系统组成

由于系统检测控制任务较多，尤其是软化水硬度的检测需要复杂的处理运算，因此，微处理器选用ARM内核的高性能32位单片机STM32F103RB。除了单片机外，检测控制系统还包含有同步减速电机、给水泵、电动阀、电磁阀和盐泵的控制电路，以及电磁阀和电动阀的故障检测电路、软化水硬度检测和软化水水位检测电路等。调整步骤的检测与切换由同步减速电机带动齿轮盘旋转，通过检测齿轮盘上的不同触点进行；各调整步骤的运行时间由定时器完成；系统意外掉电时当前调整步骤的记忆采用EEPROM存储，每隔1min存储1次当前调整步骤，这样不至于存储太频繁影响EEPROM的寿命。控制系统结构示意见图2。

图2　检测控制系统结构框图

3　调整步骤的控制

调整罐各个调整步骤的检测运行是通过微控制器控制同步减速电机旋转，进而带动与同步减速电机的输出齿轮相啮合的齿轮盘，齿轮盘在半径R处均匀镶嵌有圆柱形触点，在半径R处的正上方4mm处固定静止的接近开关。随着齿轮盘的匀速旋转，圆柱形触点也匀速转动，当其转到接近开关的下方时，即检测到该触点所对应的调整步骤，此时电机停转，由STM32F103RB控制开始该步骤运行。运行结束后，同步减速电机再启动继续检测下一步骤，循环检测各运行步骤。调整步骤检测结构示意见图3。

图3　调整步骤检测结构示意

图中触点0、1、2分别对应左罐产水时右罐调整的松床、再生和清洗步骤，触点3、4、5分别对应右罐产水时左罐调整的松床、再生和清洗步骤，这些步骤的检测由主接近开关完成。为了找到各触点所对应的步骤，在齿轮盘上半径r处设计了一个触点6完成定位功能，由辅接近开关检测。当检测到该位置时，表示进入了左罐产水、右罐调整的第1个步骤（松床），后续的步骤由主接近开关依次检测。另外，在系统掉电再上电时，也是根据定位触点位置找到掉电前的调整步骤。

4　软化水硬度检测

软化水硬度测量采用硬度复合电极做传感器，由测量电极和参比电极构成。测量电极的电位随着被测溶液浓度的变化按照能斯特方程变化；而参比电极的电位不随被测溶液浓度的变化而变化，一般采用甘汞电极或银-氯化银电极，是测量电极的基准，二者之间形成电化学电池。采用二次定标计算法，依据能斯特方程〔5〕即可求出待测溶液的浓度。

检测装置部分见图1。检测前先打开电动阀1，关闭电动阀2，软化水进入检测容器。当到达规定的容量后，关闭电动阀1。待检测溶液静止后，开始检测硬度。检测完成后，打开电动阀2，放出已检测完成的水样。关闭电动阀2，直到下一次检测再重复这一循环。由于检测过程中待测水样静止，保证了检测结果的准确度。

5　软件设计

主程序完成系统初始化、软化水硬度的检测并依据检测到的硬度指标修改调整时间、从存储器中调出系统掉电前的调整步骤及运行时间、阀断线故障的检测、软化水水箱水位的检测、各调整步骤的切换。定时器中断服务程序负责调整步骤运行时间的控制以及该步骤运行时间的定时存储。程序流程见图4。

6　应用效果

该检测装置的研制属于校企合作项目。样机研制完成后，在厂内进行了半年的连续运行实验，实验证明设备性能稳定。然后正式生产并投放市场，先后在山西大同、内蒙古通辽、湖北武汉等地的化工、印染行业投入使用，每年的产量在100～200台。从市场反馈回的信息看，客户一致反映设备自动化程度高，不仅能保证交换器产水的硬度指标符合要求，而且显著降低了设备运行成本。以1台30 t的设备为例，每年的运行成本可降低5～10万元，市场应用前景广阔。

7　结语

笔者论述的钠离子交换器实现了产水硬度的在线实时检测，同时，根据检测到的硬度指标可实时调整各步骤的运行时间，不用担心软化水不达标的问题，克服了传统设备需要人工检测软化水硬度、人工设置各步骤运行时间的弊端，实现了软化水处理设备的全自动运行，为工业锅炉的稳定、可靠运行提供了保障，具有重要的经济社会意义。

［1］沈勤.水处理方法和改进措施在锅炉应用中的探讨［J］.科技创新与应用，2015（26）：141-142.

［2］董长园.全自动软水器在集中供热中的应用［J］.煤气与热力，2000，20（1）：35-37.

［3］陈立军，杨宝弓.钠离子软化水程控系统的实现［J］.自动化与仪表，2003，18（1）：42-45.

［4］贺东伟，赵志宽.全自动软水器工艺特点及应用［J］.应用能源技术，2004（2）：27-28.

［5］王洁青，张金瑞，陈文闯.离子选择电极测定工业水中的钙含量［J］.水处理技术，1998，24（2）：95-98.

Design of the sodium ion exchangerhaving softened waterhardness real-tim emonitoring

Wu Qingshou，Meng Yongxiang
（Shandong University of Scienceand Technology，Qingdao266590，China）

The running time of the sodium ion exchanger in the following steps，such as loosing bed，regeneration，cleaning，etc.depends on the hardness index of the produced water.Nevertheless，at present，most of the monitoring of thewater hardness is donemanually.The operation ofmanualmonitoring is notonly complicated，but is impossible to accomplish the real-timemonitoring of the hardness index of the softened water.Aiming at the problem，using themicro controller STM32F103RB as the core，the real-time monitoring of effluentwater hardness of the exchanger is conducted by calcium ion selective electrode in a specifically designedmonitoring vessel.Based on the detected hardness index，the running time ofever step can be adjusted automatically.Asa result，the goalof cost reduction and efficiency increase can be reached.

sodium ion exchanger；water hardness；micro controller；ion selective electrode；real-timemonitoring

X703

B

1005-829X（2016）10-0104-03

吴清收（1969—），硕士研究生，副教授。E-mail：87390@163.com。

2016-07-08（修改稿）