循环冷却水自动监测装置的研究

高永生　程桓　线宏伟

摘 要：伴随着我国国民经济的快速发展，水资源的匮乏表现凸显。国家对工业循环冷却水应用也不断提出降耗、节能、增效的高要求。然而循环冷却水系统的监督多为人工的方式完成，无法谈及实时监督，因此凝汽器管材结垢、腐蚀现象时有发生。寻找一种新的水质稳定性判断技术，对循环水系统进行有效的实时监督已势在必行。

关键词：循环冷却水；碱度；在线监测

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

1 引言

安定指数是用循环水通过碳酸钙过滤柱前后的碱度变化作为判定依据，测试、计算过程不受复杂补给水水质影响，适用于多种水质，可准确判断补给水水源组成复杂、水质波动频度较大的水质稳定性，所以安定指数η适用范围较广，因此，循环冷却水稳定性在线判断采用安定指数的在线监测、判断对现场运行具有现实指导意义。

2 安定指数检测原理

碱度是指能够中和水中氢离子的所有物质的总和， 安定指数法是利用水样在通过装有碳酸钙颗粒的过滤柱前后的碱度变化，即能接受H+的物质总量。按碳酸各级平衡反应式：

（1）

（2）

造成水体碱度较高的物质主要包括以下3类，即强碱類，如NaOH、它们能够在水溶液中电离出自身包含的所有OH-离子，所以碱性较强；弱碱类，如NH3、C6H5NH2等，该类物质在水溶液中不能完全电离，其自身所含的OH-离子只有部分被释放出来，因而碱性较弱；强碱弱酸盐类，如各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐等，此类物质在水中可以通过水解反应而产生少量的OH-离子，或者直接接受溶液中的质子H+。

总碱度：

（3）

在线安定指数分析仪的检测方法属于电位式分析法，该方法是指通过测量电极系统与被测溶液构成测量电池（原电池）的电动势，获知被测溶液离子活度（或浓度）的分析方法。pH电极判断碱度滴定的终点，根据水样在滴定过程中的pH的变化，找出其终点，从而根据所耗标准酸量计算出水样的碱度，进而算出安定指数。

3 在线安定指数自动分析仪的总体结构图

本文开发的安定性指数在线监测装置的示意图如图1所示。图中的各部分为：1-进样口；2-三通分流器；3-过滤前进样杯；4-碳酸钙柱；5-柱后进样杯；6-滴定杯；7，8-进样控制电磁阀；9-滴定限速器；10-滴定控制电磁阀；11-水滴检测装置；12-搅拌器；13-反应杯；14-排废阀；15-虹吸检测装置；16-废液槽；17-HK328型pH分析仪；18-pH电极。

3.1 在线安定指数分析仪的硬件系统设计

在线安定指数自动分析仪利用pH电极将被测溶液的浓度值转换成电压信号，经过运算放大器放大滤波处理后，送入单片机的A/D进行转换与处理。测量装置硬件部分的设计框图如图2所示。

硬件电路包括：信号采集与处理电路、虹吸检测与滴定酸检测电路、外部时钟电路，存储电路及显示电路、按键输入与报警电路、驱动电磁阀控制电路、485通讯电路、电源电路、4～20mA隔离信号输出电路。在线安定指数自动分析仪的主控制器采用Cygnal公司生产的C8051F020芯片，测量的pH信号经信号调理电路放大滤波后送入单片机进行数据转换处理与存储。用外部存储器AT45DB081（8M位闪速存储器）存储历史数据；用外部时钟实现时间的自动更新与参数的存储；使用DS18B20数字传感器来检测温度信号；使用液晶显示器LM2068R来显示数据、时间等指示内容；液晶显示器的驱动控制器是RA8803，液晶控制器RA8803的通信方式是并行的方式，从而实现主题菜单的设计；键盘采用轻触式键盘，轻触式键盘包括5个按键；单片机通过D/A转换将数据转换为标准的4-20mA工业信号输出，也可以通过RS-485电路将数据传送至上位机完成通信功能。

3.2 在线安定指数自动分析仪的软件设计

在线安定指数自动分析仪的软件设计采用模块设计方法，使用高级语言C编程以实现各模块的各部分功能。软件程序主要包括A/D转换子程序，虹吸检测子程序，测量系统子程序，标定子程序，按键处理子程序，液晶显示子程序，温度检测子程序，数据处理存储子程序，时钟子程序，菜单子程序，延时程序等。系统从主控程序开始遇到中断服务请求则执行服务程序，通过调用子程序以完成温度信号的检测、pH电极信号的检测、虹吸检测、滴定终点的检测及驱动，实现信号处理的功能，实现数据保存功能等。主控程序的初始化包括：将系统的内部时钟转换至外部时钟；将堆栈指针进行复位；I/O口初始化；定时器初始化；串口UART0初始化；串口SPI初始化；时钟DS1687初始化； LM2068R液晶显示器初始化。

4 结论

本文基于C8051F020单片机开发了一种能快速检测循环冷却水的在线安定指数自动分析装置，本设计在化学流路采用间歇式，静态式方法，通过实验室的模拟试验，验证了在线安定指数自动分析装置的稳定性和可靠性。作为一种新的水质稳定性判断技术，为循环水系统有效的实时监督提供了借鉴方案。

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作者简介：高永生（1963-），男，山东莱州人，专科，采矿机械工程师，研究方向：智能化矿山。