黃 歆,羅益民

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

工業(yè)循環(huán)水飽和指數(shù)測(cè)量?jī)x的研制

黃 歆,羅益民*

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

主要介紹了一種實(shí)時(shí)測(cè)量飽和指數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案,以C8051F021單片機(jī)為主控制器,連接測(cè)色盒和測(cè)色電路的方式測(cè)量總堿度,同時(shí)測(cè)量出循環(huán)水pH、鈣離子濃度,再進(jìn)一步計(jì)算得出飽和指數(shù),便于對(duì)循環(huán)水加藥和排污控制。采用算術(shù)均值濾波法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理使pH值、鈣離子濃度、總堿度測(cè)量誤差減小。采用了GPRS的通訊方式將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),具有較強(qiáng)的工業(yè)價(jià)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?qū)崿F(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(zhì)好壞的一個(gè)重要綜合指標(biāo)是飽和指數(shù),必須嚴(yán)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(fèi)。

傳統(tǒng)的計(jì)算飽和指數(shù)的方法,是用人工取樣,先計(jì)算循環(huán)水總堿度再進(jìn)一步求出飽和指數(shù),不僅效率低、精確度不高、且不能實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)。在分析傳統(tǒng)的測(cè)量方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合智能控制芯片,設(shè)計(jì)了飽和指數(shù)測(cè)量?jī)x,告別傳統(tǒng)測(cè)量方式,使其更加自動(dòng)化,準(zhǔn)確性高,效率高,亦可實(shí)時(shí)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),極大地降低了人力和物力成本。飽和指數(shù)測(cè)量?jī)x中包含pH的測(cè)量,循環(huán)水的鈣離子濃度測(cè)量和總堿度的測(cè)量,計(jì)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(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。

1 飽和指數(shù)測(cè)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(jié)垢;L.S.I=0為不腐蝕不結(jié)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(gè)未知量:pH,p[Ca2+],p[ALK]t,其中pH可以用pH儀來(lái)測(cè)量,鈣離子濃度可以用測(cè)鈣儀來(lái)測(cè)量,總堿度用鹽酸滴定法來(lái)測(cè)量。

1.2 飽和指數(shù)測(cè)量原理框架

整個(gè)系統(tǒng)的控制核心是C80F021單片機(jī),被測(cè)水樣通過(guò)蠕動(dòng)泵經(jīng)水樣泵驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)入測(cè)色盒,指示劑通過(guò)滴定泵1驅(qū)動(dòng)電路把鹽酸試劑加入測(cè)色盒,通過(guò)pH儀、測(cè)鈣儀、滴定泵2驅(qū)動(dòng)電路來(lái)采集pH、鈣離子、鹽酸體積,脈沖計(jì)數(shù)電路記錄滴定滴數(shù),將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送并顯示在儀表上,4 mA～20 mA變送電路將數(shù)據(jù)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(lái)對(duì)被測(cè)水樣的加藥及排污處理,如圖1所示。

圖1 飽和指數(shù)測(cè)量原理框架

2 飽和指數(shù)測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)

飽和指數(shù)數(shù)測(cè)量?jī)x主要由微處理控制器、存儲(chǔ)器模塊、傳感器模塊、LCD、鍵盤(pán)、報(bào)警、RS485通訊模塊、GPRS模塊等組成,如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)

主控制器是用C8051F021單片機(jī)。集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU,采用CIP-51內(nèi)核,具有較高的指令執(zhí)行效率,峰值可達(dá)25 MI/S,包括8輸入的12位片內(nèi)ADC和兩個(gè)12位片內(nèi)DAC。這樣可以有效的減少外圍配件。而且擴(kuò)展口多,易于擴(kuò)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(cè)量?jī)x中采用8MHz的晶振。

2.1 滴定法測(cè)量總堿度

在待測(cè)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至剛好出現(xiàn)黃色為終點(diǎn),記錄下鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量V4[2]。

水樣中總堿度按式(3)計(jì)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(shí)所耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積[3](mL);M為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度(mol/L);Vw為水樣體積(mL);100.08為CaCo3的摩爾質(zhì)量(g/mol)。

流程圖3所示。

圖3 總堿度測(cè)量流程

2.2 測(cè)色電路

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

圖4 測(cè)色盒及測(cè)色電路

圖4中光源經(jīng)過(guò)濾光片消除干擾再再經(jīng)過(guò)聚焦

珊產(chǎn)生單色光,最后連至測(cè)色電路,當(dāng)溶液沒(méi)有達(dá)到黃色比色不成功時(shí),光電池接受器截止,NPN三極管集電極V0輸出為高電平。當(dāng)比色成功后光電池接受器導(dǎo)通,NPN三極管的集電極V0電壓為低電平。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候注意光源要是平行的且必須垂直于被測(cè)溶液,不能出現(xiàn)傾斜等情況,否則會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外還需保證光源為單色光,所以需在光源和被測(cè)溶液加上濾光片。

2.3 測(cè)量輸入電路

C8051F021內(nèi)部有兩個(gè)12位的ADC,其采用了電壓輸入方式,本設(shè)計(jì)中pH儀和測(cè)鈣儀對(duì)外輸出的是4 mA～20 mA而單片機(jī)本身的ADC采集都是采用0～3.3 V。所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了這樣的一種電路:4 mA～20 mA輸入轉(zhuǎn)0～3.3 V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)pH和鈣離子濃度的采集,如圖5所示。

圖5 I/V轉(zhuǎn)換電路輸入電路

2.4 繼電器控制信號(hào)電路

飽和指數(shù)測(cè)量?jī)x共有3路繼電器控制信號(hào),主要用來(lái)控制給排水和加緩蝕劑和阻垢劑,如圖6所示,當(dāng)DO1給出低電平時(shí)候,VCC給出電壓通過(guò)R1使得二極管導(dǎo)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(guò)R1這一路,則不能導(dǎo)通。VCC通過(guò)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(hào)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

飽和指數(shù)測(cè)量?jī)x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(jì)算、參數(shù)設(shè)置、校正、飽和指數(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及顯示飽和指數(shù)的趨勢(shì)圖。開(kāi)機(jī)后,首先運(yùn)行的是初始化程序,從非易失性的鐵電存儲(chǔ)器中讀出系統(tǒng)所需配置的參數(shù),再運(yùn)行處理程序。然后按照鍵值運(yùn)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(yǔ)言編寫(xiě),開(kāi)發(fā)環(huán)境選用silicon Labs的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,它具有基本測(cè)試項(xiàng)目的各項(xiàng)功能,該軟件的主要特點(diǎn)包括:可配置口字體;還具有單步調(diào)試和斷點(diǎn)監(jiān)視的功能,并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.1 初始化子程序

初始化程序主要包括對(duì)ADC、DAC、UART、Timer、I/O、LCD和KEY等一系列設(shè)備進(jìn)行初始化,還對(duì)系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行預(yù)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(shí)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(shí)器0、1、2、3初始化。從k1=IIC_RF(0x7008)開(kāi)始,下面都是讀取存放在Flash里的值。

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)濾波處理

在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有各種干擾所造成的不正常的結(jié)果。因此,要對(duì)測(cè)量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。均值濾波法碰到較大的脈沖干擾會(huì)使求出的平均值遠(yuǎn)離實(shí)際值。而中值濾波法采樣點(diǎn)數(shù)不宜過(guò)大。防脈沖干擾復(fù)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(guò)的采樣值再做算術(shù)平均。在該系統(tǒng)中的具體的方法是:生成一個(gè)大小為50的一維數(shù)組,按一定順序地把采集來(lái)的pH值、鈣離子濃度、總堿度存儲(chǔ)起來(lái),去掉最大和最小值,繼續(xù)讀入兩個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)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(zhǎng)。

GPRS無(wú)線通訊需要配置無(wú)線通信模MG323,MG323是華為公司的GPRS無(wú)線通信模塊。有語(yǔ)音電話、短信和GPRS數(shù)據(jù)通信功能。單片機(jī)通過(guò)AT指令初始化無(wú)線模塊,獲得動(dòng)態(tài)的IP地址,與目的終端連接,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

5 結(jié)束語(yǔ)

飽和指數(shù)在線監(jiān)測(cè)儀,主要由pH儀、鈣離子測(cè)量?jī)x組成、測(cè)色盒、測(cè)色電路。它既可以充當(dāng)pH表、鈣離子表,也可以充當(dāng)飽和指數(shù)測(cè)量?jī)x,用途比較廣泛。告別傳統(tǒng)人工測(cè)量方式,使其自動(dòng)化提高、測(cè)試準(zhǔn)確高、效率高、性能更可靠。同時(shí)增加了無(wú)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(chǎng)pH、鈣離子的測(cè)量,也能滿足飽和指數(shù)的測(cè)量,也可以通過(guò)GPRS將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。并可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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