專利名稱：基于電導檢測的阻垢劑性能快速自動評價裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用檢測儀表和計算機構成的用于水處理劑的阻垢性能的快速自動評價裝置。
背景技術：
目前評定水處理劑的阻垢性能的方法主要有靜態阻垢法、鼓泡法、極限碳酸鹽硬度法、pH位移法、電導法和換熱面污垢熱阻動態模擬法等。國內常用的主要為靜態阻垢法、鼓泡法和換熱面污垢熱阻動態模擬法。經驗表明，靜態阻垢法存在檢測時間長、操作繁瑣、重復性差等缺點；鼓泡法試驗所需的時間也較長(通常在6小時以上)，對試驗設備及其穩定性(如空氣流量等)要求高，因而也是一種耗時費力的方法；換熱面污垢熱阻動態模擬法，雖然能夠模擬管式換熱器的實際工作條件，其評定結果能夠準確地符合實際工藝過程，但檢測時間通常長達10天以上，而且設備價格較高。1998年，Drela、Falewicz和Kuczkowska首先于提出了電導法，它是在用Na2CO3溶液滴定CaCl2溶液的過程中，分別測定添加阻垢劑的CaCl2溶液和不加阻垢劑的CaCl2溶液中(污)垢(成)分物質離子的過飽和度來評定阻垢劑的阻垢性能的一種手工實驗方法。為敘述方便，以下將其簡稱為手工電導法。國內的一些研究人員用該法對多種阻垢劑進行了手工滴定，并通過與評定阻垢劑性能的我國現行國家標準所用鼓泡法應用情況進行了比較，發現手工電導法的檢測、評定時間比鼓泡法所用的時間少，只需30～40分鐘，相對標準偏差也比鼓泡法小，鼓泡法為0.06，電導法為0.01，且操作也比鼓泡法簡便，因而電導法是一種值得推廣的水處理劑的阻垢性能評定方法，然而手工滴定，人為影響的因素多，重復性差，仍然費時、費力，結果的準確性、可靠性不理想。

發明內容
本發明的目的在于提供一種基于計算機應用技術和利用溶液電導率測量的技術進行水處理劑阻垢性能的自動評價裝置，使之全部評定過程實現自動化。
手工電導法的基本原理是碳酸鹽、磷酸鹽及氫氧化鋅等垢的形成是由過飽和度、成核作用、晶體生長三個相互作用的因素導致的，阻垢劑可以影響每一個過程。成核是沉淀的第一步，成核速率主要受過飽和度(S)的影響。雖然成核作用在過飽和度S＞1的任何條件下都是可能的，但是只有當S超過了某個特定值時，結晶速率才會驟然增大，此值稱為臨界過飽和度。低于臨界值時，成核速率幾乎為零。大多數化合物在水溶液中結晶的臨界過飽和度很大，可達102～103。
下面以評定某阻垢劑對碳酸鹽垢的阻垢效果為例，說明手工電導法的具體工作過程。滴定劑溶液為Na2CO3，母液為CaCl2溶液，其中除Ca2+、Cl-外，還含有少量的H+、OH-及水分子和阻垢劑，調節滴定速度和攪拌速度，并保持測定池溶液溫度恒定。在滴定初期，由于溶液中的[CO32-]很少，兩者濃度乘積遠小于該溫度下CaCO3的溶度積Ksp，此時不會產生CaCO3析出、沉淀，溶液中總離子數增加，因而離子濃度增大，導致溶液的電導率逐漸增大。隨著Na2CO3溶液的繼續滴加，[CO32-]的濃度逐漸增大，達到飽和后的過飽和度也不斷增加。當過飽和度逐漸增大到某一數值時，CaCO3結晶速率會驟然增大，迅速析出、沉淀，將這一過飽和度稱為臨界點。由于溶液中離子濃度的大幅度減小，測定池溶液電導率顯著下降。根據不同阻垢劑各濃度下溶液電導率發生突降時消耗的Na2CO3溶液的容積(或稱滴定液用量)，可求得CaCO3的臨界過飽和度；根據繪制的CaCO3臨界過飽和度與各阻垢劑濃度之間的關系曲線，可以評價各阻垢劑性能優劣，并從成本和性能兩方面考慮，找到該阻垢劑的最優使用濃度。
本發明的技術方案是為實現上述目標，首先將手工電導法“分別測定添加阻垢劑的CaCl2溶液和不加阻垢劑的CaCl2溶液中(污)垢(成)分物質離子的過飽和度來評定阻垢劑的阻垢效果”的作法改為“分別測定添加阻垢劑的CaCl2溶液和不加阻垢劑的CaCl2溶液在滴定過程中，它們的電導率隨滴定液容積而變化的曲線(稱之為電導率-滴定液容積的變化關系曲線)出現突降點(也稱拐點，嚴格說來，應是曲線的極大值點)時所對應的滴定液容積的差異來評定阻垢劑的阻垢效果”，并按后者設計了一套自動實現評定阻垢劑阻垢性能的檢測裝置。
一種基于電導檢測的阻垢劑性能快速自動評價裝置，包括滴定劑容器、輸液管、恒流加藥泵、電導率電極、保溫層、磁力攪拌器拖動的攪拌轉子、電加熱棒、溫度傳感器、測定池，其特征在于A、滴定劑容器內的滴定劑Na2CO3經輸液管，由恒流加藥泵送入盛有母液CaCL2和阻垢劑的測定池；B、測定池內設有電導率電極、磁力攪拌器的攪拌器轉子、溫度傳感器、電加熱棒，測定池外部設有保溫層；C、測定池內盛有CaCL2和待評定的阻垢劑，常壓下操作，溶液內溫度恒定，控制在某一個設定數值，如25±0.2℃；D、計算機系統包括有工控機、數據采集卡、輸出卡、顯示器、操作鍵盤及配套軟件；E、計算機系統采用硬、軟件結合的辦法，令采樣間隔與恒流加藥泵轉速相匹配的方法，設定、控制、記錄恒流加藥泵流出的滴定劑量；F、由電導率電極和計算機系統組成電導率自動檢測系統；連續檢測測定池溶液的電導率隨滴定液加入容積量的增加而變化的數值，電導率、滴定液用量經數據采集卡送入工控機，由配套軟件進行數據處理，實時顯示在計算機顯示屏幕上，縱軸為電導率，橫軸為滴定液容積量，隨著滴定的進行，逐漸在電導率——滴定液容積量平面上形成一連續曲線，操作過程中，隨滴定劑Na2CO3進入量增加，電導率增加，曲線上升，當滴定劑Na2CO3進入量達到某一特定值，即達到過飽和度的臨界點時，電導率值突然下降，曲線出現拐點，計算機系統記錄的對應滴定劑容積，即Na2CO3的加入量，可用作相同條件下的不同阻垢劑的阻垢性能評價；由電導率電極、計算機系統、恒流加藥泵工作電源設備構成自動控制系統，當電導率突然下降，曲線出現拐點時，可以自動停止恒流加藥泵供電，停止加藥過程；由電導率電極、計算機系統、磁力攪拌器工作電源設備構成自動控制系統，當電導率突然下降，曲線出現拐點，可以自動停止磁力攪拌器的供電，攪拌轉子停止工作；由溫度傳感器、計算機系統、電加熱棒構成測定池內溶液溫度自動控制系統，若液體溫度低于某一設定值，如24.8℃，供電，電加熱棒工作，加熱，當溫度升至某一設定值，如25.2℃時，切斷電源，電加熱棒不工作；所述的溫度傳感器，采用晶體二極管作傳感器元件，置于金屬管中，金屬管一端封死，另一端有引出線，管內填充導熱系數大的銅或鋁的金屬粉；采用差分放大電路，對溫度傳感元件信號進行調理，以適合計算機采集，令其溫度在0～50℃變化范圍內，有放大器對應輸出電壓在0-5V變化范圍內，信號進入計算機系統。
本裝置為環保型，在減少化學試劑對環境污染及能源消耗方面，都將會帶來明顯的經濟、社會效益，設備具有功能完備、準確度高、重復性好、技術先進、評定快捷、操作簡便、市場廣闊等特點，是對傳統阻垢劑性能評定手段的改進和創新，是阻垢劑性能的手工鼓泡法評定設備的換代產品。它可用于電力、石油、化工、冶金、建材、供熱、輕工等眾多行業使用的水處理劑阻垢性能的快速自動評定，特別適用于針對碳酸鹽垢、磷酸鹽垢及氫氧化鋅的阻垢劑。屬于評定水處理劑阻垢性能的方法及裝置的創新。


圖1是本發明系統構成示意圖。
圖2是某一實施例中電導率——滴定劑容積量之間變化關系曲線圖。
圖3是本發明系統軟件簡要框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作出進一步的詳細描述。
本發明應用計算機圖形處理技術，建立滴定過程中電導率隨滴定液容積而變化的數學模型，進而提高檢驗測量的可靠性和準確性。這是本發明相對于手工電導法的創新點之一；其二，采用硬、軟件相結合的辦法，令采樣間隔與蠕動泵轉速相匹配的方法，來提高滴定精度或分辨率，以進一步提高拐點位置的確定精度。
其三，采用半導體溫度傳感元件，熱響應快、溫度調節方便，采用直流電加熱棒，減小了加熱器的熱慣性，將測定池內溶液溫度波動幅度控制在±0.2℃以內，這對提高電導率測量精度有重要意義。
第四，利用本發明的快速自動評定裝置，能夠校驗測定池系統表面(包括容器壁面和電導電極5、電加熱棒8、攪拌轉子11、溫度傳感器9表面等)沉積物(積垢)對電導率測量精度的影響。校驗結果表明積垢可造成電導率—滴定液容積變化關系曲線出現拐點時所消耗的滴定液容積的波動范圍較大每次實驗前，均按要求對測定池系統表面進行嚴格清洗，則多次實驗拐點所消耗的滴定液容積的波動范圍≤0.2ml；而在多次校驗實驗中外不對測定池系統表面進行清洗(第一次除外)，則各次實驗拐點所消耗的滴定液容積的波動范圍最大可達0.8ml，且各次實驗所消耗的滴定液容積的波動范圍目前尚未發現有明顯的規律性。校驗實驗可為本裝置增加自檢測定池系統表面殘留結晶核對評定結果定量影響的功能指明了方向。
如圖1所示，有滴定劑容器1、輸液管3、恒流加藥泵4、電導率電極5、保溫層6、磁力攪拌器7拖動的攪拌轉子11、電加熱棒8、溫度傳感器9、測定池10。
A、滴定劑容器1內的滴定劑Na2CO3經輸液管3，由恒流加藥泵4送入盛有母液CaCL2和阻垢劑的測定池10；B、測定池10內設有電導率電極5、磁力攪拌器7的攪拌器轉子11、溫度傳感器9、電加熱棒8，測定池10外部設有保溫層6；C、測定池10內盛有CaCL2和待評定的阻垢劑，常壓下操作，溶液內溫度恒定，控制在某一個設定數值，25±0.2℃；D、計算機系統2包括有工控機、數據采集卡、輸出卡、顯示器、操作鍵盤及配套軟件；E、計算機系統2采用硬、軟件結合的辦法，令采樣間隔與恒流加藥泵4轉速相匹配的方法，設定、控制、記錄恒流加藥泵流出的滴定劑量；F、由電導率電極5和計算機系統2組成電導率自動檢測系統；連續檢測測定池溶液的電導率隨滴定液加入容積量的增加而變化的數值，電導率、滴定液用量經數據采集卡送入工控機，由配套軟件進行數據處理，實時顯示在計算機顯示屏幕上，縱軸為電導率，橫軸為滴定液容積量，隨著滴定的進行，逐漸在電導率——滴定液容積量平面上形成一連續曲線，操作過程中，隨滴定劑Na2CO3進入量增加，電導率增加，曲線上升，當滴定劑Na2CO3進入量達到某一特定值，即達到過飽和度的臨界點時，電導率值突然下降，曲線出現拐點，計算機系統2記錄的對應滴定劑容積，即Na2CO3的加入量，可用作相同條件下的不同阻垢劑的阻垢性能評價。由電導率電極5、計算機系統2、恒流加藥泵4工作電源設備構成自動控制系統，當電導率突然下降，曲線出現拐點時，可以自動停止恒流加藥泵4供電，停止加藥過程；由電導率電極5、計算機系統2、磁力攪拌器7工作電源設備構成自動控制系統，當電導率突然下降，曲線出現拐點，可以自動停止磁力攪拌器7的供電，攪拌轉子11停止工作；由溫度傳感器9、計算機系統2、電加熱棒8構成測定池10內工作液溫度自動控制系統，若液體溫度低于某一設定值，如24.8℃，供電，電加熱棒8工作，加熱，當溫度升至某一設定值，25.2℃時，切斷電源，電加熱棒8不工作；所述的溫度傳感器9，采用晶體二極管作傳感器元件，置于金屬管中，金屬管一端封死，另一端有引出線，管內填充導熱系數大的銅或鋁的金屬粉；采用差分放大電路，對溫度傳感元件信號進行調理，以適合計算機采集，令其溫度在0～50℃變化范圍內，有放大器對應輸出電壓在0-5V變化范圍內，信號進入計算機系統2。
如圖1所示，恒流加藥泵4、經輸液管3將滴定劑從滴定劑容器1送至滴定池10，恒流加藥泵4的轉速(即加藥流量)利用計算機系統2控制，測定池10外設保溫套6，測定池10內設電加熱棒8，溫度傳感器9放置在測定池10中，溫度傳感器9、計算機系統2、電加熱棒8形成溫度閉環控制系統。在恒定溫度、恒定流速下滴定液緩慢加入測定池10內，與母液和阻垢劑溶液反應，利用磁力攪拌器7帶動攪拌轉子11攪拌，以加快滴定液和母液的反應，并保持恒定溫度，攪拌速度可用計算機控制，利用電導率電極5在計算機控制下測量溶液中的電導率變化，當電導率出現拐點時，軟件自動停止恒流加藥泵加藥，自動停止攪拌，自動記錄滴定劑加入量的數據。
恒流加藥泵4也可稱自動滴定裝置，可以是市售蠕動泵(流動注射儀)，也可以是自制的液位滴定設備，其中的溶液流動連續可調，并將蠕動泵轉速或液位滴定設備的滴數以電訊號經數據采集卡送入計算機，進行數據處理、分析，在屏幕上顯示電導率——滴定液容積的變化關系曲線，如圖2，自動滴定裝置一端接滴定劑容器，另一端接母液容器，以實現把滴定劑連續加入母液中，并利用磁力攪拌裝置連續攪拌，以使測定池溶液的溫度和各離子濃度盡快達到均勻。磁力攪拌裝置是市售設備，它利用電動機的旋轉磁場轉動測定池溶液中的磁棒，實現測定池溶液的參數均勻。攪拌速度的調節，可通過電位器調整攪拌子電機輸入電壓來實現。溫度傳感器感應測定池溶液溫度，計算機通過預設程序控制直流加熱棒，以確保測定池溶液溫度恒定。
自動滴定裝置中的蠕動泵，通過計算機按選定的蠕動泵轉速來確定采樣間隔，蠕動泵轉速和采樣間隔的對應定量關系，是根據大量實驗數據確定的如，蠕動泵轉速為2.7秒/轉時，數據采集速度則應為2.7秒/個。經驗表明，這種采用硬件、軟件相結合的方法來使采樣間隔與蠕動泵轉速相匹配可以提高滴定的精密度，以進一步提高拐點位置確定的精準度。
利用計算機圖形處理技術確定電導率——滴定液容積關系曲線突降點十分方便，本裝置的應用軟件采用下述實時算法進行編制。
根據對十幾種阻垢劑阻垢性能測定曲線的分析，本發明將拐點定義為測定池溶液中即將出現而尚未出現碳酸鈣析出、沉淀時所消耗的滴定劑(碳酸鈉)溶液的容積。該拐點在電導率-滴定液容積關系曲線圖形中的特征表現為所在測量圖形線段(相鄰的幾個測量點以直線相連)的斜率由前一段的大于零而變成零，即此線段的斜率線呈水平狀態，其后一段的斜率則突然變為小于零。基于此，本發明建立了實時預測拐點的算法如下首先，對測量值進行濾波，以濾除異常值及噪音干擾；其次，從測量起始點開始，連續5個測量值擬合為一條直線，如(A1、A2、A3、A4、A5)擬合直線斜率為Z1(A2、A3、A4、A5、A6)擬合直線斜率為Z2(A3、A4、A5、A6、A7)擬合直線斜率為Z3·
··(Ai、Ai+1、Ai+2、Ai+3、Ai+4)擬合直線斜率為Zi經對十幾種阻垢劑阻垢性能測定曲線的分析，本發明給出了一個斜率閾值Zi-Zi+1Zi≤+0.5%]]>本發明采用的高靈敏度、高精度的(±0.01℃)溫度傳感器9，利用通用晶體二極管作為一次溫度傳感元件(通用晶體二極管正向阻值隨溫度升高而降低)，放置在金屬管中，金屬管一端密封，并在間隙中填充導熱系數大的金屬粉末以盡量減小二極管壁面與金屬管壁面的接觸熱阻，提高感溫的靈敏度。采用差分放大電路，使溫度在0～50℃變化范圍對應于輸出電壓0～5V變化范圍。
本發明采用的恒溫加熱方案，有直流電加熱棒8，其熱慣性小，溫度控制精度高，將測定池溶液溫度波動幅度控制在±0.2℃以下，抑制溫度對電導率——滴定液容積關系曲線突降點的影響。
鑒于測定池10內溶液濃度對電導率的重要影響，要擬定母液和滴定液的統一用量指標，以便于數據的比較分析。氯化鈣溶液的制備如稱取的制1.400克無水氯化鈣溶于1升超純水中配制成標準母液；碳酸鈉溶液制備如稱取14.000克無水碳酸鈉溶于1升超純水中配制成標準滴定液，所述的超純水為除鹽水。
本評價裝置具體操作過程如下按上述標準配制滴定液和母液，分別裝入滴定劑容器1和測定池中10中，并在測定池10內一次性加入一定濃度的待評定阻垢劑，再把溫度傳感器9、電導電極5、電加熱棒8置入測定池10內溶液中。調整攪拌速度及溫度，待溫度達到某一設定值，如25±0.2℃并恒定后，把恒流加藥泵泵管出口置入母液容器中，調整恒流加藥泵轉速，亦即恒定滴定劑流量。啟動恒流加藥泵即開始評定程序。連續采集電導率和同期的滴定液用量數據，顯示屏出現電導率——滴定液容積關系曲線，待曲線出現電導率突降點，根據出現電導率突變點時的滴定液用量即可評定阻垢劑的阻垢性能。
圖2中給出一曲線圖，某一濃度為的滴定劑通過恒流加藥泵4加入測定池10溶液中，由磁力攪拌器7連續攪拌，測定池10內溶液溫度控制在25±0.2℃，此曲線溶液的電導率隨滴定劑加入量的變化而變化的記錄，從圖中可見，初始階段，電導率值小，隨著滴定劑不斷加入，滴定劑量增加，電導率也增加，曲線上升，當滴定劑注入容積接近達到1.45ml，電導率值達到最大，2.78ms/cm，達到臨界過飽和度，再加入滴定劑，電導率突然下降，曲線出現拐點，所用滴定劑為Na2CO3，測定池10內母液為CaCL2。
重復性是評價裝置的一個重要性能指標，它表征指示值的分散情況，影響本裝置重復性的主要因素，包括電導率檢測是否準確，溫度傳感器的精確度，滴定劑母液制備是否符合要求，溶液恒溫控制系統工作是否穩定，控制點是否準確，波動范圍大小，本裝置對同一阻垢劑試樣試驗，濃度為10ppm的磷基羧酸共聚物阻垢劑，母液為1.4g/lCaCl2，滴定劑為14g/lNa2CO3，經過六次檢測，出現拐點是所消耗的滴定劑體積分別為8.50ml、8.43ml、8.45ml、8.28ml、8.41ml、8.45ml。
圖3是本發明的系統軟件簡要框圖，其功能總體分為藥劑管理、設定、數據分析、滴定分析、退出系統5個部分；藥劑管理包括各種數據記錄；設定包括滴定劑加入的流速標定，測定池內溶液溫度標定；數據分析包括，曲線比較、綜合信息；曲線比較包括清除曲線、調整曲線；打開數據庫；綜合信息包括阻垢劑名稱、用量，滴定劑用量和拐點電導率；滴定分析內容較多，包括攪拌控制、恒溫加熱、恒流加藥泵4，即蠕動泵加藥、滴定實驗和保存數據等。
權利要求
1.一種基于電導檢測的阻垢劑性能快速自動評價裝置，包括滴定劑容器(1)、輸液管(3)、恒流加藥泵(4)、電導率電極(5)、保溫層(6)、磁力攪拌器(7)拖動的攪拌轉子(11)、電加熱棒(8)、溫度傳感器(9)、測定池(10)，其特征在于A、滴定劑容器(1)內的滴定劑Na2CO3經輸液管(3)，由恒流加藥泵(4)送入盛有母液CaCl2和阻垢劑的測定池(10)；B、測定池(10)內設有電導率電極(5)、磁力攪拌器(7)的攪拌器轉子(11)、溫度傳感器(9)、電加熱棒(8)，測定池(10)外部設有保溫層(6)；C、測定池(10)內盛有CaCL2和待評定的阻垢劑，常壓下操作，溶液內溫度恒定，控制在某一個設定數值，如25±0.2℃；D、計算機系統(2)包括有工控機、數據采集卡、輸出卡、顯示器、操作鍵盤及配套軟件；E、計算機系統(2)采用硬、軟件結合的辦法，令采樣間隔與恒流加藥泵(4)轉速相匹配的方法，設定、控制、記錄恒流加藥泵流出的滴定劑量；F、由電導率電極(5)和計算機系統(2)組成電導率自動檢測系統；連續檢測測定池溶液的電導率隨滴定液加入容積量的增加而變化的數值，電導率、滴定液用量經數據采集卡送入工控機，由配套軟件進行數據處理，實時顯示在計算機顯示屏幕上，縱軸為電導率，橫軸為滴定液容積量，隨著滴定的進行，逐漸在電導率——滴定液容積量平面上形成一連續曲線，操作過程中，隨滴定劑Na2CO3進入量增加，電導率增加，曲線上升，當滴定劑Na2CO3進入量達到某一特定值，即達到過飽和度的臨界點時，電導率值突然下降，曲線出現拐點，計算機系統(2)記錄的對應滴定劑容積，即Na2CO3的加入量，可用作相同條件下的不同阻垢劑的阻垢性能評價。
2.按照權利要求1所述的基于電導檢測的阻垢劑性能快速自動評價裝置，其特征在于，由電導率電極(5)、計算機系統(2)、恒流加藥泵(4)工作電源設備構成自動控制系統，當電導率突然下降，曲線出現拐點時，可以自動停止恒流加藥泵(4)供電，停止加藥過程。
3.按照權利要求1所述的基于電導檢測的阻垢劑性能快速自動評價裝置，其特征在于，由電導率電極(5)、計算機系統(2)、磁力攪拌器(7)工作電源設備構成自動控制系統，當電導率突然下降，曲線出現拐點，可以自動停止磁力攪拌器(7)的供電，攪拌轉子(11)停止工作。
4.按照權利要求1所述的基于電導檢測的阻垢劑性能快速自動評價裝置，其特征在于，由溫度傳感器(9)、計算機系統(2)、電加熱棒(8)構成測定池(10)內工作液溫度自動控制系統，若液體溫度低于某一設定值，如24.8℃，供電，電加熱棒(8)工作，加熱，當溫度升至某一設定值，如25.2℃時，切斷電源，電加熱棒(8)不工作。
5.按照權利要求1或4所述的基于電導檢測的阻垢劑性能快速自動評價裝置，其特征在于，所述的溫度傳感器(9)，采用晶體二極管作傳感器元件，置于金屬管中，金屬管一端封死，另一端有引出線，管內填充導熱系數大的銅或鋁的金屬粉；采用差分放大電路，對溫度傳感元件信號進行調理，以適合計算機采集，如令其溫度在0～50℃變化范圍內，有放大器對應輸出電壓在0-5V變化范圍內，信號進入計算機系統(2)。
全文摘要
本發明涉及一種利用檢測儀表和計算機構成的用于水處理劑阻垢性能快速自動評價裝置，包括滴定劑容器、恒流加藥泵、磁力攪拌器、電加熱棒、測定池，其特征在于，滴定劑容器內Na
文檔編號G01N27/04GK101034078SQ200610016928
公開日2007年9月12日 申請日期2006年6月3日 優先權日2006年6月3日
發明者楊善讓, 趙玉樺, 曹生現, 朱玉章, 孫靈芳, 王恭, 陳立軍, 付玉民 申請人:東北電力大學