代啟林，田增國，汪獻忠，晏云昌

(1.鄭州大學物理工程學院，河南鄭州 450001；2.河南省日立信有限公司，河南鄭州 450001)

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基于pH的反滲透阻垢劑性能快速評定儀設計

代啟林1，田增國1，汪獻忠1，晏云昌2

(1.鄭州大學物理工程學院，河南鄭州 450001；2.河南省日立信有限公司，河南鄭州 450001)

針對反滲透阻垢劑動態(tài)評定系統(tǒng)價格昂貴、評定耗時長的缺點，根據(jù)反滲透阻垢劑性能評定試驗導則，設計了反滲透阻垢劑快速評定儀。介紹了該評定儀基于pH評定反滲透阻垢劑性能的工作原理，以STM32F103微處理器為核心的主控電路，智能加藥排水電路，溫度、pH實時監(jiān)測電路，恒溫加熱控制電路及其他外圍通信電路。為提高系統(tǒng)可靠性和滿足實時性及多任務調(diào)度，該評定儀移植了uCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)。實驗證明：該評定儀精度高、穩(wěn)定性好、響應速度快、重復性好。

阻垢劑；STM32F103微處理器；pH值；uCOS-Ⅱ

0 引言

隨著水資源的日益短缺和膜技術的不斷發(fā)展，反滲透技術已經(jīng)廣泛應用于電力、化工、食品、電子、制藥等行業(yè)。結(jié)垢是影響反滲透膜設備正常運行的主要問題之一，當膜表面有垢沉積時，需要停運設備進行化學清洗，甚至更換膜元件。目前，添加阻垢劑已經(jīng)成為控制反滲透膜結(jié)垢的有效手段之一。阻垢劑的性能關系到反滲透系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行，因此，對阻垢劑性能進行評價和比對，至關重要。對阻垢劑進行反滲透動態(tài)模擬評定試驗，可以較好地評定阻垢劑效果，但費時耗力。在進行反滲透動態(tài)模擬試驗之前，對大量阻垢劑進行快速篩選，可以顯著提高工作效率。但目前還沒有專門的試驗裝置用于阻垢劑性能評定和篩選。根據(jù)DL1261-2013火電廠用反滲透阻垢劑評定試驗導則，本文對阻垢劑性能評定方法進行研究，設計出了以pH值評定反滲透阻垢劑性能的系統(tǒng)，顯著縮短阻垢劑篩選時間。

1 垢劑性能評定原理

為了評定阻垢劑的性能，本文根據(jù)DL1261-2013火電廠用反滲透阻垢劑評定試驗導則規(guī)定原理：配制含有一定量結(jié)垢離子(鈣離子)和相同劑量不同阻垢劑的試液，向試液中滴加碳酸氫鹽溶液，使碳酸鈣過飽和不斷增加，直至形成碳酸鈣。通過測定溶液pH或者電導率值判斷碳酸鈣沉淀析出的終點，計算碳酸鈣的過飽和度值。以碳酸鈣的過飽和度值大小來評價阻垢劑的性能，值越大阻垢劑性能越好[1]。

當反滲透進水pH值不大于8.30時，依據(jù)pH值法進行試驗；當反滲透進水pH值大于8.30時，依據(jù)電導率進行試驗。在加有阻垢劑的CaCL2中，逐步滴加等量的NaHCO3溶液。當檢測液中生成CaCO3沉淀時，發(fā)生的反應如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

由于NaHCO3溶液pH成堿性。在CaCl2和NaHCO3溶液充分反應但未生成CaCO3沉淀前，溶液pH值呈平穩(wěn)上升趨勢；一旦溶液中生成了CaCO3沉淀，由于反應(1)和(2)的平衡被打破，反應向右移動，溶液pH值會明顯下降。以pH出現(xiàn)拐點前，溶液中的CaCO3的過飽和度S作為阻垢劑性能判斷的依據(jù)，S值越大，說明阻垢劑的阻碳酸鈣結(jié)垢效果越好[2-3]。

該評定方法對溶液的配制要求嚴格，如果兩次重復性檢測溶液實際濃度不同，將會對評價結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。每次做重復性試驗之前，配溶液時劑量濃度應稍大，然后去一小部分稀釋可減小誤差。計算CaCO3的過飽和度過程如式(3)～式(6)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

2 系統(tǒng)結(jié)構

為了實現(xiàn)評價系統(tǒng)自動加藥控制，恒溫和pH值實時監(jiān)測功能，該反滲透阻垢劑性能評價系統(tǒng)主要有5部分組成。其中智能加藥排水模塊主要有電極驅(qū)動電路組成，控制兩路繼電器和電機；溫度、pH實時監(jiān)測模塊pH、溫度信號調(diào)理電路經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送給主控芯片；恒溫加熱控制模塊主要由水浴加熱和PID控制電路來實現(xiàn)25℃恒溫控制；人機交互部分主要有顯示屏和觸摸屏驅(qū)動電路組成；該系統(tǒng)還包括外圍打印、報警、無線傳輸?shù)裙δ苣K。圖1為反滲透阻垢劑性能評價系統(tǒng)結(jié)構框圖。

圖1 反滲透阻垢劑性能評價系統(tǒng)結(jié)構框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

硬件設計核心控件選用的微處理器是32位STM32F103處理器，該處理器配套的底層驅(qū)動豐富、功能強大，有5個串口，滿足打印機、上位機及ZigBee模塊連接串口需要，F(xiàn)SMC支持16/8位數(shù)據(jù)位TFT顯示屏，2個I2C及SPI接口可以滿足A/D存儲及時鐘的通信要求。

3.1 智能加藥排水模塊

傳統(tǒng)的調(diào)試攪拌是通過改變直流電機的電流大小來控制轉(zhuǎn)速的，通過機械旋鈕進行調(diào)節(jié)。本設計采用電機專用驅(qū)動芯片L298N，內(nèi)含2個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有2個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有1個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動1臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動2臺直流電機。圖2為磁旋轉(zhuǎn)加藥調(diào)速排水電路。其中CAT1、CAT2分別為主控芯片PB6、PB7標準I2C時鐘和數(shù)據(jù)輸入端，通過芯片CAT9554A擴展2片公用I2C接口，控制抽水泵的抽水和磁旋正傳反轉(zhuǎn)。

圖2 磁旋轉(zhuǎn)加藥調(diào)速排水電路

智能加藥部分選用TB6560步進電機驅(qū)動模塊，通過單片機PC7、PC8、PC9引腳分別控制步進電機的使能，電機正反轉(zhuǎn)和時鐘輸入。

3.2 溫度、pH實時監(jiān)測模塊

溫度采集選用溫度傳感器PT100鉑熱電阻。PT100是一種廣泛應用的測溫元件，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以需要進行非線性校正。本文采用數(shù)字化校正，數(shù)字化校正首先要將Pt電阻值和溫度對應起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路的實測A/D值以查表方式計算相應的溫度值。圖3為溫度采集電路圖。

圖3 溫度采集電路

其中電壓信號放大器選用AD620。AD620為單片結(jié)構和激光晶體調(diào)整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證電路固有的高性能。該元件采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級內(nèi)部運放的反饋，保證輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻R42上。增益倍數(shù)為G=1+49.4K/R42。

在pH在線測量中，電位分析法是實現(xiàn)在線監(jiān)測和過程監(jiān)控的唯一方法，該方法所用的電源被稱為原電池，使化學反應能量轉(zhuǎn)成為電能。原電池有2個半電池構成，其中一個半電池稱作測量電極，它的電位與特定的離子活度有關；另一個半電池為參比半電池，通常稱作參比電極，它一般與測量溶液相通，并與測量儀表相連。pH電極選用進口電極，測量范圍為0～14，工作溫度0～80 ℃，耐壓為4 bar(1 bar=105Pa)。該電級采用玻璃球泡，增加了球泡面積，可以防止內(nèi)緩沖液中干擾氣泡生成，使測量可靠。長距離的參比擴散途徑，極大地延長了電極在惡劣環(huán)境中的使用壽命[4]。圖4為電位分析法實現(xiàn)在線監(jiān)測和過程監(jiān)控電路。

圖4 pH實時檢測電路

該電路選用INA116放大芯片，INA116是具有超低輸入偏流的FET輸入單片儀表放大器。Difet輸入和特殊的保護技術使得輸入偏流僅有10 fA。內(nèi)部采用通用的三運放設計，連接一個外部電阻，可設定從1～1 000的任意增益值。保護腳緊接著2個輸入，用于驅(qū)動電路和輸入電纜，以保證維持極低的輸入偏流?？筛鶕?jù)電阻R35自行調(diào)整pH值輸入電壓的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)G=1+50K/R35。后置的OP07放大器起到信號調(diào)理作用。

3.3 恒溫加熱控制模塊

加熱控制電路的設計用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，被控對象為水浴加熱熱力鍋，采用對加熱的熱力鍋兩端的電壓通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達到對水溫控制的目的。對電熱絲的通斷和控制采用SSR-40DA固態(tài)繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端TTL電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關，使用時完全可以用NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動。微處理器GPA1.3為高電平時，三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當處理器IO中GPA1.3為低電平時，固態(tài)繼電器關斷，加熱器工作?？刂齐娐穲D如圖5所示。

圖5 加熱控制電路

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)初始化完成以后是全自動智能加藥過程，整個過程實現(xiàn)實時監(jiān)測。主程序包括系統(tǒng)硬件電路初始化，注液泵等液路的排空，然后根據(jù)觸屏中斷選擇pH或者電導率測量項目，由于本文基于pH測定，電導率測量項目未列出。在整個系統(tǒng)初始化完成后，根據(jù)設定好的加藥量，電極驅(qū)動滴加藥劑(0.3 mol/L NaHCO3溶液)，實時監(jiān)測pH改變判斷是否到達滴定終點并動態(tài)曲線化顯示pH。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

為了滿足實時性的需求，該評定儀引入了實時操作系統(tǒng)uCOS-Ⅱ，在STM32F103處理器上移植uCOS-Ⅱ主要有3個文件修改，即OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM和OS_CPU.

當系統(tǒng)開機啟動后，主函數(shù)通過調(diào)用OSInit()函數(shù)，完成各初始變量和數(shù)據(jù)結(jié)構的初始化，堆棧空間的分配；建立任務空閑鍵表OSTCBFreeList，建立事件空閑鍵表OSEventFreeList。創(chuàng)建一個空閑任務OS_TaskIdle，以及始化其他功能[5]。

在uCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)中，用戶任務的編寫是該儀表實現(xiàn)儀表功能的重要部分，根據(jù)程序流程圖中，任務優(yōu)先級由左到右依次降低，上位機通信任務負責判斷上位機命令，傳輸數(shù)據(jù)給上位機。輸入操作負責解析觸控輸入和遙控輸入，數(shù)據(jù)處理完成數(shù)據(jù)讀取、誤差處理和交叉靈敏度處理，顯示任務實現(xiàn)人機交互，輸出任務完成實時打印、報警輸出。

5 實驗分析與結(jié)果驗證

文中以加入反滲透阻垢劑MDC220為例介紹。取CaCl2溶液(0.009 mol/L)和一定劑量的阻垢劑，共150 mL，每次滴加NaHCO3(0.3 mol/L)2 mL，每隔2 min讀取溶液的pH值，直至pH值降低。記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 滴定過程pH數(shù)據(jù)

表1中V1表示加入NaHCO3(0.3 mol/L)溶液的體積，pH表示測得混合溶液中的pH值，如圖7所示。

圖7 溶液pH變化趨勢圖

其中，c1=0.009 mol/L，c2=0.3 mol/L，V1=150 mL，n=13，V2=2 mL，過飽和度S的計算過程如下。

即可確定此阻垢劑下CaCl2溶液的CaCO3過飽和度為403(mol/L)2。同理，用該方法確定不加阻垢劑下CaCl2溶液的CaCO3過飽和度為148(mol/L)2。

6 結(jié)束語

根據(jù)國家電網(wǎng)火電廠用反滲透阻垢劑評定試驗導則，該設計實現(xiàn)了對反滲透阻垢劑性能快速評價功能。實驗證明：該阻垢劑快速評定儀評定速度快，重復性好，對阻垢劑初選具有較好的參考作用。作為一種靜態(tài)評定實驗裝置，該評定儀并不能完全表現(xiàn)阻垢劑的全部性能，對大批量阻垢劑初選，由于自動化程度高，評價用時短，重復性高等，具有很好的應用價值。該評定儀廣泛應用于電力、化工、海水淡化，以及鍋爐補給水等反滲透設備中，具有廣闊的應用前景。

[1] 張小霓,吳文龍,王緒文，等.反滲透阻垢劑性能動態(tài)評定方法的試驗研究.工業(yè)水處理,2012，32(11)：47-50.

[2] 張小霓,吳文龍.反滲透阻垢劑性能評定方法分析探討.工業(yè)水處理,2009,29(11):84-87.

[3] DL 1261—2013 火電廠用反滲透阻垢劑評定試驗導則.

[4] 喻金錢，喻斌.微控制器的開發(fā)與應用.北京：清華大學出版社，2011.

[5] 邵貝貝.嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ.2版.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

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Reverse Osmosis Scale Inhibitor Performance Assessment InstrumentDesign Based on pH

DAI Qi-lin1，TIAN Zeng-guo1，WANG Xian-zhong1，YAN Yun-chang2

(1.Institure of Physical Science and Engjneeroy,Zhenzhou University, Zhengzhou 450001,China;2.Henan Relations Co.，Ltd.，Zhengzhou 450001，China)

In order to overcome the disadvantages of the dynamic evaluation system of reverse osmosis scale inhibitors,such as expensive and time-comsuming，a scheme to evaluate the performance of the scale inhibitor rapidly on the basis of the pH value was described in this paper and the core of main control circuits with STM32F103 microprocessor,smart dosing and drainage circuit,temperature and pH value real-time monitoring circuit,and constant temperature heating control circuit were introduced.To improve the systematic reliability and satisfy the real-time and multi-task scheduling,the uCOS-II operating system was transplanted.It was verified experimentally that the device has the advantages of high precision,good stability,fast response and good reproducibility.

scale inhibitor；STM32F103 microprocessor；pH value；uCOS-Ⅱ

2015-03-30 收修改稿日期：2015-07-15

TP216

A

1002-1841(2015)12-0046-03

代啟林(1988—)，碩士研究生，主要研究領域為智能儀器儀表、信息處理技術、計算機控制技術的研究和應用。 E-mail：as19350@163.com