黃 歆,羅益民

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院,南京 211816)

工業(yè)循環(huán)水飽和指數(shù)測量儀的研制

黃 歆,羅益民*

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院,南京 211816)

主要介紹了一種實時測量飽和指數(shù)測量儀的設計方案,以C8051F021單片機為主控制器,連接測色盒和測色電路的方式測量總堿度,同時測量出循環(huán)水pH、鈣離子濃度,再進一步計算得出飽和指數(shù),便于對循環(huán)水加藥和排污控制。采用算術均值濾波法進行數(shù)據處理使pH值、鈣離子濃度、總堿度測量誤差減小。采用了GPRS的通訊方式將現(xiàn)場數(shù)據傳給上位機,實現(xiàn)遠程監(jiān)測,具有較強的工業(yè)價值。

飽和指數(shù);總堿度;pH;鈣離子濃度;循環(huán)水;GPRS

隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)代工業(yè)基本能夠實現(xiàn)冷卻水的循環(huán)使用,但是目前循環(huán)水的飽和指數(shù)大多在2～4左右[1]。衡量水質好壞的一個重要綜合指標是飽和指數(shù),必須嚴格控制飽和指數(shù),可以有效地節(jié)約水處理藥劑,避免藥劑污染和水的浪費。

傳統(tǒng)的計算飽和指數(shù)的方法,是用人工取樣,先計算循環(huán)水總堿度再進一步求出飽和指數(shù),不僅效率低、精確度不高、且不能實時測量和監(jiān)測。在分析傳統(tǒng)的測量方法的基礎上,結合智能控制芯片,設計了飽和指數(shù)測量儀,告別傳統(tǒng)測量方式,使其更加自動化,準確性高,效率高,亦可實時無線遠程監(jiān)測,極大地降低了人力和物力成本。飽和指數(shù)測量儀中包含pH的測量,循環(huán)水的鈣離子濃度測量和總堿度的測量,計算出飽和指數(shù)。便于工業(yè)循環(huán)水的加藥和排污的控制,更突出性的使用無線傳輸數(shù)據。

1 飽和指數(shù)測量原理

1.1 飽和指數(shù)

1936年朗格利爾提出了飽和指數(shù)[1]:

L.S.I=pH-pHs

(1)

式中:pH為循環(huán)水的pH值;pHs為循環(huán)水飽和pH值;L.S.I為飽和指數(shù);L.S.I>0為結垢;L.S.I=0為不腐蝕不結垢;L.S.I<0為腐蝕

其中,pHs為:

pHs=pK2-pKs+p[Ca2+]+p[ALK]t+5pfm

(2)

式中:p[Ca2+]為鈣離子濃度;p[ALK]t為總堿度,pK2、pKs、pfm為常數(shù)。

在式中有3個未知量:pH,p[Ca2+],p[ALK]t,其中pH可以用pH儀來測量,鈣離子濃度可以用測鈣儀來測量,總堿度用鹽酸滴定法來測量。

1.2 飽和指數(shù)測量原理框架

整個系統(tǒng)的控制核心是C80F021單片機,被測水樣通過蠕動泵經水樣泵驅動電路進入測色盒,指示劑通過滴定泵1驅動電路把鹽酸試劑加入測色盒,通過pH儀、測鈣儀、滴定泵2驅動電路來采集pH、鈣離子、鹽酸體積,脈沖計數(shù)電路記錄滴定滴數(shù),將相關數(shù)據傳送并顯示在儀表上,4 mA～20 mA變送電路將數(shù)據送至其他控制器中,緩蝕、阻垢泵控制電路和電磁閥控制電路用來對被測水樣的加藥及排污處理,如圖1所示。

圖1 飽和指數(shù)測量原理框架

2 飽和指數(shù)測量儀的硬件設計

飽和指數(shù)數(shù)測量儀主要由微處理控制器、存儲器模塊、傳感器模塊、LCD、鍵盤、報警、RS485通訊模塊、GPRS模塊等組成,如圖2所示。

圖2 硬件設計

主控制器是用C8051F021單片機。集成混合信號系統(tǒng)級MCU,采用CIP-51內核,具有較高的指令執(zhí)行效率,峰值可達25 MI/S,包括8輸入的12位片內ADC和兩個12位片內DAC。這樣可以有效的減少外圍配件。而且擴展口多,易于擴容。從穩(wěn)定性、功耗和AD采樣速度等多方面考慮后,飽和指數(shù)測量儀中采用8MHz的晶振。

2.1 滴定法測量總堿度

在待測堿度的水樣中,加入1滴甲基橙指示劑,再用0.1 mol/L鹽酸標準溶液滴定至剛好出現(xiàn)黃色為終點,記錄下鹽酸標準溶液的用量V4[2]。

水樣中總堿度按式(3)計算:

Q=(V4·M·100.08/2)·Vw·1000

(3)

式中:Q為總堿度(mg/L);V4為加甲基橙指示劑后,滴定至剛好出現(xiàn)黃色時所耗鹽酸標準溶液的體積[3](mL);M為鹽酸標準溶液的摩爾濃度(mol/L);Vw為水樣體積(mL);100.08為CaCo3的摩爾質量(g/mol)。

流程圖3所示。

圖3 總堿度測量流程

2.2 測色電路

使用滴定法求總堿度需要借助測色盒和測色電路,往測色盒中的待測溶液中滴入鹽酸溶液,當?shù)稳臌}酸使被測水樣剛好至測色盒出射光為黃色時[3],測色電路接通傳遞信息給單片機,讓單片機終止滴定泵2的的驅動電路,鹽酸溶液不再往下滴,此時在單片機內部計算出鹽酸用量并計算總堿度。如圖4所示。

圖4 測色盒及測色電路

圖4中光源經過濾光片消除干擾再再經過聚焦

珊產生單色光,最后連至測色電路,當溶液沒有達到黃色比色不成功時,光電池接受器截止,NPN三極管集電極V0輸出為高電平。當比色成功后光電池接受器導通,NPN三極管的集電極V0電壓為低電平。

在進行實驗的時候注意光源要是平行的且必須垂直于被測溶液,不能出現(xiàn)傾斜等情況,否則會影響實驗結果。此外還需保證光源為單色光,所以需在光源和被測溶液加上濾光片。

2.3 測量輸入電路

C8051F021內部有兩個12位的ADC,其采用了電壓輸入方式,本設計中pH儀和測鈣儀對外輸出的是4 mA～20 mA而單片機本身的ADC采集都是采用0～3.3 V。所以本系統(tǒng)設計了這樣的一種電路:4 mA～20 mA輸入轉0～3.3 V輸出的I/V轉換電路,從而實現(xiàn)對pH和鈣離子濃度的采集,如圖5所示。

圖5 I/V轉換電路輸入電路

2.4 繼電器控制信號電路

飽和指數(shù)測量儀共有3路繼電器控制信號,主要用來控制給排水和加緩蝕劑和阻垢劑,如圖6所示,當DO1給出低電平時候,VCC給出電壓通過R1使得二極管導通,讓光耦P627輸出口呈現(xiàn)低電平,使線圈得電吸合。DO1給出高電平,VCC通過R1這一路,則不能導通。VCC通過R2這路起到抗干擾和防止接口浮空的作用。

圖6 繼電器控制信號電路

3 軟件設計

飽和指數(shù)測量儀的主要功能包括pH的采集、鈣離子濃度的采集、總堿度飽和指數(shù)的計算、參數(shù)設置、校正、飽和指數(shù)的數(shù)據存儲以及顯示飽和指數(shù)的趨勢圖。開機后,首先運行的是初始化程序,從非易失性的鐵電存儲器中讀出系統(tǒng)所需配置的參數(shù),再運行處理程序。然后按照鍵值運行通訊程序或者其他子程序,鍵值由按鍵掃描程序獲得。如圖7所示。

圖7 程序流程圖

程序采用C語言編寫,開發(fā)環(huán)境選用silicon Labs的集成開發(fā)環(huán)境,它具有基本測試項目的各項功能,該軟件的主要特點包括:可配置口字體;還具有單步調試和斷點監(jiān)視的功能,并可以實時監(jiān)控。

3.1 初始化子程序

初始化程序主要包括對ADC、DAC、UART、Timer、I/O、LCD和KEY等一系列設備進行初始化,還對系統(tǒng)的一些參數(shù)進行預讀取。

程序如下:

void csh(void)

{ int i=0;

OSCILLATOR_Init( );

UART0_Init( );

PORT_Init_UART0( );

DAC_Init( );

ADC_Init( );

Timer0_Init( );

Timer1_Init( );

Timer2_Init( );

Timer3_Init( );

InitLcd( );

void GPRS_Init_Configuration( );

k1=IIC_RF(0x7008);

k2=IIC_RF(0x700C);

x1=IIC_RF(0x7010);

x2=IIC_RF(0x7014);

……

}

上面的程序中,OSCILLATOR_Init( )是時鐘初始化,UART0_Init( )是串口初始化,PORT_Init0( )為I/O口初始化,DAC_Init( )為DAC初始化,ADC_Init( )為ADC初始化,Timer0_Init( )、Timer1_Init( )、Timer2_Init( )和Timer3_Init( )依次為定時器0、1、2、3初始化。從k1=IIC_RF(0x7008)開始,下面都是讀取存放在Flash里的值。

3.2 測量數(shù)據濾波處理

在現(xiàn)場會有各種干擾所造成的不正常的結果。因此,要對測量出的數(shù)據進行濾波。均值濾波法碰到較大的脈沖干擾會使求出的平均值遠離實際值。而中值濾波法采樣點數(shù)不宜過大。防脈沖干擾復合濾波法合并這兩種方法,即先用中指濾波法濾除采樣值中的最大值與最小值,然后把濾波過的采樣值再做算術平均。在該系統(tǒng)中的具體的方法是:生成一個大小為50的一維數(shù)組,按一定順序地把采集來的pH值、鈣離子濃度、總堿度存儲起來,去掉最大和最小值,繼續(xù)讀入兩個新采樣值,再用中值濾波去除最大和最小值,求出剩下的48個數(shù)據的的平均值。

用式(5)表示:

(4)

4 通訊

本系統(tǒng)具有兩種通訊方式:RS485通訊、GPRS通訊。前者比較穩(wěn)定,且通訊距離較長。

GPRS無線通訊需要配置無線通信模MG323,MG323是華為公司的GPRS無線通信模塊。有語音電話、短信和GPRS數(shù)據通信功能。單片機通過AT指令初始化無線模塊,獲得動態(tài)的IP地址,與目的終端連接,實現(xiàn)無線通信。

5 結束語

飽和指數(shù)在線監(jiān)測儀,主要由pH儀、鈣離子測量儀組成、測色盒、測色電路。它既可以充當pH表、鈣離子表,也可以充當飽和指數(shù)測量儀,用途比較廣泛。告別傳統(tǒng)人工測量方式,使其自動化提高、測試準確高、效率高、性能更可靠。同時增加了無線通訊和加藥控制等許多新的功能,既能滿足工業(yè)現(xiàn)場pH、鈣離子的測量,也能滿足飽和指數(shù)的測量,也可以通過GPRS將現(xiàn)場測量數(shù)據傳遞給上位機,實現(xiàn)遠程監(jiān)控。并可以對工業(yè)現(xiàn)場控制加藥和排污等功能。

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Development of Industrial Circulating Water Saturation Index Measuring Instrument

HUANGXin,LUOYimin*

(College of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

The design of a real time measuring instrument is mainly introduced for measuring saturation index,which uses C8051F021 MCU as the main controller,connects to the measuring color box and color circuit measurement of total alkalinity and measures at the same time the circulating water pH,the calcium ion concentration,then calculates the saturation index,that is convenient for circulating water dosing and emission control. The method of arithmetic mean value filter is used to reduce the error of the pH value,the concentration of the calcium ion and the total alkalinity. Using GPRS communication mode to transmit the data to the host computer and realize the remote monitoring,this design has a very strong industrial value.

saturation index;total alkalinity;pH;calcium concentration;circulating water;GPRS

2016-04-26 修改日期:2016-06-23

TP216+.1

A

1005-9490(2017)03-0732-05

C:7210;7320T

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.043