陈 怡 李 平 梅基强
(南京化学工业集团公司,南京,210035)
摘要 介绍电磁式电导浓度仪的仪表结构、原理及在酸碱浓度测量中的应用情况
关键词: 电磁感应 激磁线圈 感应线圈 浓度测量
1 前 言
电磁式电导测量方法就是利用电磁感应的方法来测量溶液电导,因感应元件不直接与溶液接触,因而不存在污损和极化现象,故适合工业在线测量。
2 仪表结构
电磁式电导浓度仪基本结构如图1。它是由两个部份组成:①温度测量;②电导测量。温度测量由一个微型铂电阻和相应测量电路组成。电导测量是由两个紧靠的线圈和相应电路构成。铂电阻和线圈一体化封装在一个塑料体内,塑封体中间有一中心孔,塑料材质可根据被测介质不同采用不同类型工程材料,例聚四氟乙烯,环氧树脂等。这些材料几乎可以适用于任何一种酸、碱,以及高温(<200℃)、高压(<1MPa)环境。近年来由于计算机技术发展,使电导、温度、浓度三者之间计算变得非常准确和容易。目前电磁式电导浓度仪已广泛应用于表1所列多种生产过程
中。
3 原 理
电磁式电导测量实质是通过电磁感应方法测量溶液回路导电能力,如图2所示。封装在塑料体内两个紧靠环形线圈通过中心导管内溶液构成测量回路。其中一个线圈为激磁线圈,另一个为感应线圈。若激磁与感应线圈均为n匝,溶液电阻为R0,溶液电感为L0,激磁线圈电阻为r,则信号传输电路如图3所示。若互感系数为K,激磁信号为Vi,频率为φ,输出电压V0,检测器阻抗为无穷大。则输入、输出方程如下:
在恒幅、恒频激磁信号下则有V0∝1/R,也即检测器检测电压V0反比于溶液回路电阻。根据溶液电导定义
其中S:电导;A:电导系数
由此可知①检测电压V0正比于溶液电导并由此可检测溶液电导。
②提高激励信号频率有利于信号增益。温度测量由微型铂电阻与相应电路构成。为了保证仪器测量精度,对不同被测介质有不同温度精度要求,一般要求有0.1℃分辨和精度以保证最终浓度精度能达到5%。
4 测量模型
溶液测量模型包括两个部分,电导—温度—浓度计算关系模型和温度测量预测模型。
4.1 电导一温度一浓度计算关系模型
电导—温度—浓度关系模型是指电导—温度—浓度三者之间的计算公式。一般电化学提供的电导—温度—浓度三者关系是以数据形式提供。为了计算方便需将其回归成方程。由于数据非线性(H2SO4电导曲线见图4),低阶二元方程很难精确描述,因而也可以考虑采用分区回归以克服非线性,一般应保证回归精度达1%。
电导数据还有一个极值问题,即溶液随浓度变化其电导呈极大值。因而在浓度测量时应避免极值区域。
4.2 温度测量预测模型
浓度计算时另一个问题是电导与温度响应速度不同步。在浓度计算中温度对浓度的影响一般比电导对浓度影响大,以28%～36%HCI为例。温度测量范围为0～50℃,电导范围0.4169～1.0276(Ω -1 cm -1),每变化一个百分比温度(0.5℃)引起浓度平均变化为0.75%HCl,而每变化一个百分比电导(60Ω -1 cm -1)引起浓度平均变化为0.45%HCl,因而对温度测量精度一般要达到0.1℃,在静态时铂电阻一般可以达到。在动态时由仪表结构因素和测温元件自身滞后因素一般滞后误差较大。以南化研究院WDD-Ⅲ型传感器为例,其动态过程如图5,其滞后时间约为600秒。在动态过程中温度测量误差引起浓度误差远远大于仪表允许5%误差。为了克服这一缺陷,可对传感器传热过程进行模型推导、测量。再利用模型来预估实际溶液温度以缩短滞后过程
传感器外型比较简单,一般可以认为是一种理想平壁动态传热过程如图6。溶液温度为t1,铂电阻温度为t2,塑料外壳导热系数为λ,塑料外壳和铂电阻热容量为Cp,则通过外壁传递热量为:
由于热传递导致塑料外壳及铂电阻温升热量为:
也即溶液实际温度t1可通过铂电阻测得温度和其微分来预测。以南化院WDD-Ⅲ传感器为例铂电阻t2滞后为600秒。通过预测计算,t1动态过程滞后为120秒,缩短滞后约为80%。这就大大提高了仪表在工艺过程不稳定时动态测量精度。
5 应 用
仪器主要应用于酸碱等强腐蚀介质浓度测量,而且能够抗污染、抗干扰(不受油污、藻类、悬浮物、泥浆等非导电物质的影响),在传感器封装材料选择和外形设计时,解决了传感器极化问题,因而在使用中容易维护。目前已批量生产,广泛用于浓硫酸(96%～99%)、盐酸(28%～36%)、盐水(280～350g/l)等腐蚀介质的浓度在线测量,并长期使用。
