林琳 張婷

摘 要：本文首先介紹虛擬儀器技術(shù)及其在試驗仿真方面的發(fā)展概況，然后論述了pH計的測定原理、pNa的測定原理、硅和磷離子的測定原理、濁度的測定原理和電導(dǎo)率的測定原理。其間根據(jù)各測量要求選擇相應(yīng)的傳感器，對由傳感器輸出的信號進行轉(zhuǎn)換，并通過LabVIEW對所測數(shù)據(jù)進行處理。本研究包含了基于虛擬儀器平臺的實現(xiàn)方法。本文設(shè)計的電廠化學水質(zhì)參數(shù)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，對試驗環(huán)境沒有特殊要求。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;電廠化學試驗;綜合分析裝置

中圖分類號：TQ534;TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）32-0124-03

Abstract： This paper first introduced the virtual instrument technology and its development in experimental simulation， and then discussed the measurement principle of pH meter， the measurement principle of pNa， the measurement principle of silicon and phosphorus ions， the measurement principle of turbidity and the measurement principle of conductivity. In the meantime， the corresponding sensor was selected according to the measurement requirements， the signal output by the sensor was converted， and the measured data was processed through LabVIEW. This research included implementation methods based on virtual instrument platform. The power plant chemical water quality parameter measurement system designed in this paper was simple in structure， easy to operate， and had no special requirements for the test environment.

Keywords： virtual instrument;power plant chemical test;comprehensive analysis device

20世紀60年代以來，電廠化學分析手段不斷發(fā)生變化，新的分析技術(shù)和新型分析儀器被引入現(xiàn)代化電廠生產(chǎn)的化學監(jiān)督工作中，使之發(fā)生耳目一新的變化。電廠化學儀表主要應(yīng)用在水處理系統(tǒng)，而現(xiàn)場參數(shù)采集的準確性是水處理過程中最重要的環(huán)節(jié)，因此本文研究了電廠化學分析綜合試驗裝置，特別是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

當前，大型機組的水汽循環(huán)系統(tǒng)都設(shè)有化學監(jiān)控的采樣點，各采樣點要檢測的化學參數(shù)不一樣，因此不同采樣點需要設(shè)置不同的采樣儀表。比如，在高壓加熱器疏水出口，為監(jiān)測加熱器是否被腐蝕，要測定化學水樣的濁度;在發(fā)電機冷卻水入口，為監(jiān)測水質(zhì)污染，要測定化學水樣的電導(dǎo)率。在循環(huán)冷卻水入口，為監(jiān)控硫酸或鹽酸的添加量，需要測定水樣的pH等。

目前，電廠的化學分析儀器系統(tǒng)分散，操作復(fù)雜，客觀條件要求高，不利于提高工作效率。最常見的分立式化學分析儀器有電導(dǎo)儀、pH計、濁度儀、pNa計、溫度計和壓力計等。在水蒸氣循環(huán)系統(tǒng)中，化學監(jiān)測儀表負責監(jiān)測水蒸氣質(zhì)量、化學添加劑用量、污染源、設(shè)備運行狀況和腐蝕速率等，并對給水、凝結(jié)水、爐水、蒸汽進行監(jiān)測。冷卻水的水質(zhì)必須保持良好，防止結(jié)垢和鹽的形成，減緩系統(tǒng)中金屬部件的腐蝕，使得系統(tǒng)安全運行，延長熱力設(shè)備的檢修周期和使用壽命。

2 分析方向

針對電廠化學分析儀器系統(tǒng)分散、操作復(fù)雜的現(xiàn)狀，本文設(shè)計了電廠化學分析綜合試驗裝置，其可完成pH、pNa、濁度、電導(dǎo)率以及硅和磷離子含量等多個水質(zhì)參數(shù)的綜合測量。其間需要解決的主要問題如下：電廠化學分析綜合試驗裝置的總體設(shè)計;pH、pNa、濁度、電導(dǎo)率等參數(shù)測量裝置的傳感器選擇及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計;pH、pNa、濁度、電導(dǎo)率等參數(shù)測量程序的編制。其中，程序設(shè)計部分采用的開發(fā)平臺是由美國NI公司的LabVIEW軟件，采用圖形化的編程方式完成測量程序的編制[1]。

3 虛擬儀器——LabVIEW語言

目前有兩類虛擬儀器軟件開發(fā)工具。一是文本編輯語言，如Visual C++，Visual Basic，LabWindows/CVI。二是圖形編輯語言，如LabVIEW、HPVEE。本文采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺。LabVIEW程序也被稱為虛擬儀器程序，簡稱VI。LabVIEW采用基于流程圖的圖形化編程方式，因此也被稱為G語言。LabVIEW語言的基本特點如下。

3.1 圖形儀器編程環(huán)境

LabVIEW使用“所見即所得”的G語言可視化技術(shù)，允許用戶針對測量、監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔煌I(lǐng)域和行業(yè)構(gòu)建具有個性特點的人機界面。

3.2 豐富的函數(shù)庫

LabVIEW提供了大量的函數(shù)供用戶使用，如底層數(shù)據(jù)采集模塊的控制/驅(qū)動子程序，設(shè)備驅(qū)動子程序，用于數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析和處理的數(shù)學函數(shù)庫以及用于網(wǎng)絡(luò)通信和信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)庫。

3.3 靈活的程序調(diào)試方法

用戶可以通過設(shè)置斷點、單步執(zhí)行等方法調(diào)試源代碼程序。

3.4 開放式開發(fā)平臺

LabVIEW具有強大的外部接口能力，可以實現(xiàn)與外部應(yīng)用軟件、C語言、Windows API、MATLAB和HiQ等編程語言的通信。LabVIEW提供的外部接口包括DDE、CIN、DLL、MATLAB腳本和HiQ腳本等。

3.5 強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能

LabVIEW支持TCP/IP協(xié)議、UDP協(xié)議等，此外，LabVIEW還開發(fā)了DataSocket技術(shù)，大大簡化甚至消除了網(wǎng)絡(luò)通信編程。利用該技術(shù)，用戶可以方便地在Internet上實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)交換。此外，LabVIEW還具有遠程面板訪問技術(shù)，用戶可以直接控制互聯(lián)網(wǎng)遠程服務(wù)器上的VI面板。

4 電廠水質(zhì)分析參數(shù)測量原理

4.1 pH的測量原理

pH電極測量實際上是測量一個自發(fā)電池的平衡電動勢[E][2-3]。將鋅片插入ZnSO4溶液中，將銅片插入CuSO4溶液中，用biskue將兩種溶液分開，使兩種溶液不混溶，但離子可以遷移。用兩根導(dǎo)線分別連接銅片和鋅片，另一端連接到電流表的兩個端子上，如圖1所示。從電流計指針的偏轉(zhuǎn)方向可以看出，電流從銅電極流向鋅電極。同時，鋅片繼續(xù)向溶液中溶解并轉(zhuǎn)變?yōu)閆n2+，溶液中的Cu2+繼續(xù)變成銅并沉淀在銅電極上。有關(guān)化學反應(yīng)如下：

這種裝置把化學能轉(zhuǎn)換成電能。具有此功能的設(shè)備被稱為原電池。該裝置是一種原電池，被稱為銅鋅電池或丹尼爾電池。原電池由兩個電極和連接兩個電極的電解質(zhì)溶液組成。當外部電路未連接時，兩個電極之間的電位差等于原電池的電動勢。正是因為這種電動勢的存在，當外部電路連接時，電流在內(nèi)部和外部電路中流動。

一個原電池是由兩個半電池組成的。由于兩電極的電極電位不同，原電池就有電動勢產(chǎn)生。例如，在銅鋅電池中，鋅和鋅鹽溶液組成一個半電池，銅和銅鹽溶液組成另一個半電池，由于銅極電位高于鋅極電位，就形成電動勢，且銅電極為正極，鋅電極為負極。原電池可以用符號來表示，習慣上負極寫在左邊，正極寫在右邊，即Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu。其中，符號“|”表示固相和液相之間的接界，“‖”表示溶液之間用鹽橋隔開。

如果將某金屬放入該金屬的鹽溶液中，在金屬離子的濃度為1 mol/L且溫度為250 ℃的條件下，由金屬電極和標準氫電極組成的原電池的電動勢被稱為金屬電極的標準電極電位。顯然，它只與金屬類型有關(guān)，而常見的金屬電極電位可以在相關(guān)資料中找到[4-5]。人們可以用能斯特方程描述了標準狀態(tài)下電極電位與溶液中離子活度和溫度的關(guān)系，若電極反應(yīng)為式（3），則電極電位由能斯特方程表示，如式（4）所示。

4.2 pNa測量原理

當鈉離子選擇性電極（pNa電極）與甘汞參比電極同時浸入水溶液后，即組成測量電池。其中，pNa電極的電極電位隨溶液中的鈉離子濃度的變化而變化，用一臺高輸入阻抗的毫伏計測量可獲得同水溶液中的鈉離子濃度相對應(yīng)的電極電位，以pNa值表示：

5 結(jié)論

本文首先論述了虛擬儀器技術(shù)及其在試驗仿真方面的發(fā)展概況，特別是基于虛擬儀器平臺的實現(xiàn)方法，然后分析了pH計、pNa、硅和磷離子、濁度和電導(dǎo)率的測定原理。其間根據(jù)各測量要求選擇相應(yīng)的傳感器，對傳感器輸出的信號進行轉(zhuǎn)換，并通過LabVIEW對所測數(shù)據(jù)進行處理。研究表明，本文設(shè)計的電廠化學水質(zhì)參數(shù)測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)勢，對試驗環(huán)境沒有特殊要求。

參考文獻：

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