一种新型在线钠表研制

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  摘要:针对于目前在线钠表碱化方式所存在的缺点,设计了一种程控碱化装置,并以此为基础研制了一款新型钠表。该钠表能够实现对酸性较强待测液的充份碱化、碱化剂含量监测、零点定期修正等功能。在流路的设计上,增加了电极激活装置,可定期对钝化的电极进行活化。改变了传统的按键和LED屏模式,采用触控屏作为在线钠表的人机交互界面,增加了钠表的可操作性和功能的丰富性。经实验和现场运行表明:该仪器具有自动化程度高、维护量小、运行成本低等特点,能够很好的实现对锅炉水钠离子含量的在线监测,具有广阔的市场前景。
  关键词:钠离子;碱化;在线测量
  引言
  发电厂热力系统中钠离子浓度是监测电厂蒸汽品质、鉴别凝汽器的泄露和监督阳离子交换器参数的重要指标,因此在线钠表也是电厂在线化学仪表中较测为重要的仪表。如果蒸汽中的钠离子浓度长期超标,会导致汽轮机出现均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳以及以上情况组合而成的复杂故障[1]。从而使汽轮机中的某些关键部件损坏,导致停机,造成较大的经济损失。因此能够及时、准确的监控电厂蒸汽中的钠离子含量,对电厂安全、稳定、经济的运行有着重要的价值。
  1原理及标定方法
  1.1测量原理
  在线钠表的工作原理是原电池法[2]。由钠离子选择性电极和参比电极与待测液构成原电池,其中:参比电极电位应不随待测液钠离子浓度的变化而改变,为指示电极的电位提供参考点,在线钠表一般选用甘汞电极作为参比电极;钠电极是一种玻璃电极,电极外层的钠铝硅玻璃膜对钠离子具有敏感作用[3],电极电位可以随着待测液中钠离子浓度的变化而发生改变,其电极电位与钠离子浓度关系符合能斯特方程:
  (1)
  式中:E—原电池电位,mV;
  E0—等电势的电极电位,不随温度变化;
  R—理想气体常数;
  F—法拉第常数;
  n—得失电子数,对于钠离子n=1;
  T—待测液绝对温度,K;
  c—钠离子的有效浓度(离子活度),mol/L;
  ciso—电位E不随温度变化时的钠离子浓度,mol/L;
  s—电极斜率。
  1.2标定方法
  为了保证测量结果的准确,需要对在线钠表进行标定,仪器采用两点已知添加法进行标定[4]。在进行标定之前,流通池样水中的钠含量cs是未知的。首先测出流通池样水的电极电位,并记录为Es。然后将一定体积的100μg/L的钠标准溶液添加到流通池并搅拌,使标样与样水充分混合,此时样水中的钠离子浓度发生了改变,并记该改变量为dc1。当测量信号达到稳定后,新的电极电位E1自动被测量并且储存起来。排废清洗后,按上述步骤添加一定体积的1000μg/L标准溶液并搅拌完全,记录相应的改变量dc2、电极电位E2。最后可以得到含有三个未知量的方程组:式2、式3和式4,联立这三个方程,即可解得E0和s,并将它们存入单片机。
  (2)
  (3)
  (4)
  钠表在使用过程中会出现零点偏移现象,而导致测量微钠离子浓度时出现较大的误差。目前在实际操作中,测量人员解决这种问题的主要办法是对钠表进行重新标定,來修正钠表的斜率和零点。这么做不仅浪费时间,还会浪费标液。实际上,在短时间内钠表响应斜率的改变是非常微弱的,影响测量精度的主要问题是零点的偏移。因此在对钠表响应曲线进行修正时,可使用钠表原有标定斜率,而只对零点进行修正。为了使修正后的零点更准确,在修正过程中应尽量使用低浓度钠标液进行修正,从而减少响应斜率的干扰。但配置标液所用的超纯水中,通常会有一些底钠残留,而导致在实际操作中低浓度的钠标液无法准确的配置。基于以上原因,该款仪器在程序设计上,使用标准添加法对钠表零点进行定期修正。
  与两点标定相同,在进行零点修正时首先要测出流通池中样水电极电位并记录。然后由计量泵向流通池内注入1ml的1000μg/L钠标准液,再向流通池注入99ml的样水,并记录稳定后的电位。由于斜率已知,只需将相应测量数据带人式2、3,即可求解出修正后的曲线零点。
  2流路及硬件电路设计
  2.1仪器的分析流路
  在线钠表进行测量时,会受到H+、K+等离子的干扰,造成测量值高于实际值。钠电极对上述离子的选择性大小为:H+ > Na+ > K+。钠电极对K+的选择性比对Na+ 的选择性小,在安装电极时一般将参比电极安装到钠电极的下方,这样就可以避免参比电极中饱和KCl溶液的渗出对测量结果造成影响[5]。但钠电极对H+的选择性比对Na+还要大,且由于水解作用,水中含有许多H+。因此为了避免待测液中H+对测量的干扰,需要对待测液进行碱化,以减少待测液中H+浓度,碱化后的溶液Na+浓度要高于H+浓度1000倍以上。电厂锅炉水中Na+含量一般在pNa4~pNa7之间,所以为确保钠离子浓度计测量的准确性,应使用碱化剂调节待测液pH大于10.5。目前,市场上的在线钠表大多数采用二异丙胺溶液作为钠表的碱化剂。
  在线钠表的碱化方式主要有两种:抽气式加碱法和气透加碱法。抽气式加碱法是利用负压原理进行的,在水样进入流通池之前,流过溢流杯,由于溢流杯和流通池的高度差而在反应管中产生负压,这样就可以把具挥发性的碱化试剂蒸汽吸人反应管,并在反应管中形成均匀的气泡,两者充分混合后进入流通池。气透加碱法是将扩散管浸入碱化剂中,被测水样从扩散管的一端引入,从另一端流出,接至在线钠表的流通池。由于碱化剂能透过扩散管壁不断地渗入管内溶解在待测液中,使待测液碱化。
  上述两种碱化方式对高纯水具有良好的碱化效果,但对阳床出口水样却存在着碱化不足的问题。因为原水中的阳离子被基本去除后,水样中只有阴离子存在而呈现较大的酸性。根据原水含盐量的不同,出口水样的pH值一般都在3以下,部分原水含盐量高的地区,出口水样的pH值甚至会低于2,因此对阳床出口水钠离子监测中普遍存在碱化困难、碱化剂消耗量大的问题。为此,我们设计了一种新型的碱化装置,可实现对酸性较强的待测液的充分碱化。仪器的分析流路如图1所示。   图1 仪器分析流路
  1—溢流杯;2—进样水管;3—溢流管;4—标样1;5—参比液;6—二次表;7—标样2;8—活化液;9—计量泵;10—电磁阀(进样阀、碱化阀、活化阀、排废阀);11—钠电极;12—pH复合电极;13—温度电极;14—空气泵;15—流通池;16—虹吸管;17—磁力搅拌器;18—碱化试剂
  测量时,待测水样经管路2进入溢流杯1,多余的水样经溢流管3排走。进样阀10打开,待测水样经进样阀10进入流通池,对流通池进行3次清洗以防止交叉污染,然后再将待测水样注入流通池。在测量前需对待测水样进行碱化,碱化时首先打开加碱阀10,由空气泵14向装有70%二异丙胺溶液的试剂瓶中鼓入空气,空气携带碱化试剂经由加碱阀10进入到流通池中对样水进行碱化,待pH电极测得水样pH值达到所设定的pH值时(一般为10.5),关闭空气泵14和碱化阀10,停止加碱。在上述加碱过程中,磁力搅拌器17不断搅拌待测液,使其碱化均匀。碱化结束后关闭磁力搅拌器17,钠电极开始测量。待电极电位稳定后(电极电位波动在1mv以内),记录当前电位和温度电极所测温度,由此计算出温度补偿后的钠离子浓度,并在二次表上显示。
  图1中由加碱阀10、空气泵14和碱化剂18组成的加碱装置由程序进行控制,控制如下:步骤1:应用系统中的pH电极测出电极杯中未碱化水样的pH值,记录为pH0,再通过pH0计算出当前水样中氢离子的浓度,记录为c0;步骤2:打开碱化电磁阀,然后由空气泵向碱化瓶中泵入空气对电极杯中的水样进行碱化,当达到提前设定的基本加碱时间Tmin后,关闭空气泵和碱化电磁阀;步骤3:再次应用系统中的pH电极测出电极杯中初次碱化水样的pH值,记录为pH1,再通过pH1计算出当前水样中氢离子的浓度,记录为c1;步骤4:需要通过式(5)计算出Te,按照步骤2所述加碱步骤向电极杯中加碱Te时间;步骤5:应用pH电极测量步骤4中碱化后的水样,记录为pHe,再通过pHe计算出当前水样中氢离子的浓度,并记录为ce,并判断pHe是否达到设定值pHs(对应氢离子浓度cs),若达到则结束加碱过程,若不满足则重复步骤2~5。上述每一步骤中所测得的pH值,如果大于设定值pHs,则结束加碱过程。
  (5)
  上述过程中所提到的基本加碱时间Tmin是为了控制加碱量所设置的一个参考值,以便能有效的控制加碱的效果和节约碱化试剂。Tmin设定值的大小与碱化试剂浓度有关,浓度越高设定值应越小。程序还可通过初次碱化后的水样pH值变化的大小来判定碱化试剂含量是否充足,这样就可以实现对系统中碱化试剂的监测,以防止因碱化试剂更换不及时而引起的测量不准。
  在仪器流路的设计上,除了对加碱方式进行了改进,还增加了由活化液8、活化阀10组成的电极活化装置和由电解液5构成的电解液恒压注入装置,可实现对电极的定期自动活化和电解液的恒压补充,减少了人工操作,增加了仪器的自动化程度。
  2.2仪器的硬件电路设计
  仪器的硬件设计框图如图2所示。
  图2 仪器硬件电路
  在主控芯片的选择上,选择具有32位ARM7内核的STM32F103微控器。该芯片功能强大,具有128kB闪存、9个通信接口和2个12位高速A/D等多种功能[6]。pH和钠电极的高阻运放选用的是美国BB公司生产的INA116P芯片,其输入内阻达到1015Ω,能够满足测量要求[7]。在测量中,可直接将INA116P芯片放大后的信号输入到STM32F103芯片内的A/D转换器进行转换。选择DS18B20作为仪器的温度传感器,该芯片可直接将温度转化为数字信号,通过I/O口将温度值传给微控器,然后由微控器对pH和钠电极的测量结果进行温度补偿。使用TL5615作为仪器的D/A转换器,提供4路4~20mA电流输出。在人机交互界面上,选择了武汉中显公司生产的SDWe070C06型7寸触控屏。该型号触控屏具有256字节寄存器空间、64K变量存储器空间、支持1G字节存储空间扩展,且具有屏幕亮度调节、U口数据导出等多种功能。最后,经微控器运算后的测量结果通过RS232串口上传至触控屏并显示。
  3实验结果分析
  3.1儀器碱化效果实验
  为了检验上述碱化装置的的碱化效果,使用1mol/L的HCl溶液(分析纯)和超纯水配置了pH1~pH5的缓冲液。向碱化瓶中加入足量的70%二异丙胺溶液,并设定pHs=10.5、Tmin=3s,分别对每种缓冲液进行5次碱化,得到表1。
  从表1可以看出,该碱化装置对pH1~pH3的缓冲液碱化后的pH值均在设定值10.5以上。并且对于表中所有样本,碱化后的pH值与目标pH值最大偏差为0.3,最大平均偏差为0.12。上述分析结果表明:该装置能够很好的实现对待测液的定量碱化和对酸性较强水样的充分碱化。
  3.2标准样品测定
  为了验证钠表对不同钠离子浓度范围溶液的响应情况,在标定后采用标准曲线法,分别作出了钠表在2~10μg/L(pNa6.360~pNa7.065)和20~100μg/L(pNa5.362~pNa6.061)浓度范围内的工作曲线[8],结果如图3所示。
  2~10μg/L范围内响应曲线
  20~100μg/L范围内响应曲线
  从图3可看到,钠离子在2~10μg/L和 20~100μg/L范围内响应曲线的相关系数r分别大于0.998和0.999,均具有良好的线性,可满足电厂用水钠离子测量需要。
  3.3重现性实验
  为了考察仪器测量的稳定性,对仪器的重现性进行了实验。在实验中,对浓度为6.9μg/L的钠标液进行了10次测定,并对这10次测量的结果进行了统计,得到表2。
  从表2可看出仪器测量结果相对标准偏差RSD=0.81%<2%,这说明仪器在测量中具有良好的稳定性。
  4 结论
  经试验和现场运行证明,该仪器能够实现对阳床出口等酸性较强样液的充分碱化,
  具有良好的重现性和能斯特响应范围内。解决了现有在线钠表存在的自动化程度低、维护量大、运行成本高等缺点,能够实现对电厂水、汽中钠离含量的稳定、准确测量,具有广阔的市场和应用前景。
  参考文献:
  [1]李永生,杨莉玲,星成霞.痕量钠离子流动注射离子选择电极分析仪的前期研究[J].仪表技术与传感器,2004(03):24-26.
  [2]承慰才等. 电厂化学仪表[M]. 北京:北京电力出版社,1998. 33-45.
  [3]Anatolii.A.Belyustin. The centenary of glass electrode:from Max Cremer to F. G. K.
  Baucke[J]. Journal of Solid State Electrochemistry,2011,15(1):47-65.
  [4]承慰才,崔晓凤,柴颖.新颖在线痕量钠离子分析仪的研制[J].工业水处理,2007,27(09):70-72.
  [5]潘珺,宋敬霞,刘继峰,汪昆,姚波.发电厂在线钠表测量误差来源分析[J].自动化仪表,2013,34(11):56-58.
  [6]魏光华,赵学亮,李康,张建伟,史云.基于STM32的重金属离子测量仪器的设计与试验[J].传感技术学报,2017,30(12):1828-1833.
  [7]陈戈华,付汉伟.电厂循环冷却水稳定性检测装置的研制[J].工业水处理,2012,32(12):72-75.
  [8]姚小玲,马洪连,陈晓颖.DN-2型钠离子浓度计电极国产化的研制[J].仪表技术与传感器,2003(07):31-33.
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