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譚有廣，楊俊偉，劉佳魯

1  前言

    在乳品、飲料、啤酒及食品加工行業(yè)，為了達(dá)到食品衛(wèi)生要求，對(duì)生產(chǎn)線上的各種反應(yīng)罐、器皿和生產(chǎn)管線必須進(jìn)行嚴(yán)格、定時(shí)、定期的清洗。清洗的一般程序是：酸洗―堿洗―水洗。其中，酸洗和堿洗都是用含有一定量（約1%^_~3%）的酸溶液、堿溶液清洗用過(guò)的器皿和生產(chǎn)管線，以去除其中的各種油類(lèi)、脂類(lèi)等污垢，防止管線及器皿產(chǎn)生細(xì)菌，保證產(chǎn)品達(dá)到食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行上述酸洗和堿洗的過(guò)程中，有兩個(gè)問(wèn)題必須保證，一是清洗溶液要保證一定的酸、堿濃度，滿足清洗要求，二是廢棄溶液排放時(shí)的酸、堿濃度要達(dá)到最低，以滿足環(huán)保要求。因此，要滿足上述控制要求，就必須要有一個(gè)關(guān)鍵的在線檢測(cè)元件―酸、堿濃度計(jì)。

    在線檢測(cè)液體的酸、堿濃度，目前常用的方法都是以檢測(cè)液體電導(dǎo)率的方式，因?yàn)樗岷蛪A的化學(xué)成分決定了液體的酸、堿濃度和其電導(dǎo)率成正比，因此通過(guò)檢測(cè)液體的電導(dǎo)率即可確定其液體的酸、堿濃度。目前，國(guó)內(nèi)的酸堿濃度計(jì)都是接觸式，即以電極的形式和被測(cè)液體接觸以測(cè)其電導(dǎo)率，以此來(lái)確定液體的酸、堿濃度。但是，這種方法有一個(gè)最致命的缺點(diǎn)就是電極容易被污染，嚴(yán)重影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性及使用壽命，尤其在食品行業(yè)，情況最為嚴(yán)重。

2  非接觸式酸、堿濃度計(jì)的測(cè)量原理

    本文提出一種非接觸式酸、堿濃度計(jì), 其原理是利用電磁感應(yīng)測(cè)量電導(dǎo)率，結(jié)構(gòu)如圖1所示。L1和L2是兩個(gè)相互絕緣的環(huán)形電感線圈，將其固化在一起，孔是聯(lián)通的。如果將上述結(jié)構(gòu)的兩線圈放置于被測(cè)液體，則被測(cè)液體必然穿過(guò)兩線圈的聯(lián)通孔，由于被測(cè)的酸、堿溶液是電介質(zhì)，是導(dǎo)電的，因此，可把液體看作是如圖2所示的模擬導(dǎo)體，此模擬導(dǎo)體穿過(guò)環(huán)形線圈L1和L2, 于是形成如圖2所示的測(cè)量等效電路。在等效電路中，模擬導(dǎo)體是被測(cè)液體，是導(dǎo)電的，于是可看作是具有一定電阻的單匝線圈，此時(shí)，如果在L1線圈通以一個(gè)等幅的交流信號(hào)，由于模擬導(dǎo)體穿過(guò)L1磁環(huán)，則在模擬導(dǎo)體內(nèi)必然有感應(yīng)電流，同時(shí)模擬導(dǎo)體也穿過(guò)L2線圈磁環(huán)，于是在L2線圈內(nèi)必然感應(yīng)出輸出信號(hào)。當(dāng)在L1內(nèi)的輸入信號(hào)的幅度確定后，輸出信號(hào)的大小將隨著模擬導(dǎo)體內(nèi)的電流的大小而變化。由于模擬導(dǎo)體是被測(cè)液體，其電導(dǎo)率與被測(cè)液體的酸、堿濃度成正比，因此通過(guò)檢測(cè)L2輸出信號(hào)的大小，即可測(cè)出模擬導(dǎo)體內(nèi)電流的大小，于是即測(cè)出了模擬導(dǎo)體的電導(dǎo)率―被測(cè)液體的酸、堿濃度。

3  測(cè)量電路

    根據(jù)上述測(cè)量原理，設(shè)計(jì)出如圖3所示測(cè)量電路結(jié)構(gòu)框圖，測(cè)量電路由三部分組成：振蕩與激勵(lì)電路、放大與輸出電路和溫度補(bǔ)償電路。實(shí)際完整的電路工作原理如圖4所示。

(1)  振蕩與激勵(lì)電路
    振蕩與激勵(lì)電路是給濃度檢測(cè)探頭L1線圈提供一個(gè)穩(wěn)定的激勵(lì)信號(hào)，以使當(dāng)探頭插入被測(cè)液體后，能夠在探頭L2線圈得到一個(gè)與被測(cè)液體電導(dǎo)率成正比的酸、堿濃度信號(hào)。為了保證輸出信號(hào)的精度，激勵(lì)信號(hào)的幅度和頻率必須相對(duì)穩(wěn)定，尤其是幅度。因此，在電路圖4中，振蕩與激勵(lì)電路由以下元件組成：三極管T1，電阻R6、R2、R3，電容C1、C2、C3和功率放大器U01。其中，T1、R6、R2、R3和C1、C2、C3組成了電容移相式振蕩器。為了使振幅穩(wěn)定，振蕩電路的電源采用二級(jí)穩(wěn)壓，即電源經(jīng)過(guò)V1三端穩(wěn)壓電源后又經(jīng)過(guò)ZD3、R7組成的基準(zhǔn)穩(wěn)壓，以減少電源對(duì)振蕩幅度的影響。振蕩輸出經(jīng)R5、C7和RP1送給U01功率放大器作幅度放大后，將放大后的激勵(lì)信號(hào)加在探頭的L1線圈上，以形成一個(gè)振幅穩(wěn)定的激勵(lì)信號(hào)。

(2)  放大與輸出電路
    由于在L1線圈上已經(jīng)加上了一個(gè)穩(wěn)定的交流激勵(lì)信號(hào)，于是當(dāng)由L1、L2組成的探頭插入被測(cè)液體時(shí)，根據(jù)前述的電磁感應(yīng)原理，在L2線圈必然產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)液體的酸、堿濃度成正比的濃度信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D1檢波，變成直流信號(hào)后，送給U02和U03進(jìn)行比例放大、T2倒相，再經(jīng)由U04和T4、T5組成的電壓/電流轉(zhuǎn)換器，使輸出變?yōu)?~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，以便于與計(jì)算或二次儀表接口。

(3)  溫度補(bǔ)償電路
    根據(jù)前述酸、堿濃度測(cè)量原理，測(cè)量被測(cè)液體的酸、堿濃度，是通過(guò)測(cè)量被測(cè)液體的電導(dǎo)率，而被測(cè)液體的電導(dǎo)率受溫度影響極大。實(shí)驗(yàn)證明：同一被測(cè)液體，溫度每增加10℃，其電導(dǎo)率增加約2%。因此，要消除溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響，必須加溫度補(bǔ)償電路。

    本測(cè)量電路的溫度補(bǔ)償電路前端由P_t100、R16、R17、R18和RP6組成測(cè)量電橋。其中RP6為調(diào)零電位器。U05為電橋輸出放大器，將放大后的輸出信號(hào)輸出分成兩路，一路經(jīng)R26、RP8送給U03作溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償比例的大小由RP8決定。另一路送給U06和T3，再經(jīng)過(guò)U07、T6、T7組成的電壓/電流轉(zhuǎn)換器，將輸出變?yōu)?~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，作為溫度信號(hào)輸出。因此溫度補(bǔ)償電路除了作溫度補(bǔ)償外，同時(shí)也作為溫度測(cè)量輸出信號(hào)。

圖4  酸、堿濃度計(jì)電路原理圖

4  電路參數(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)  電路參數(shù)
    本電路的檢測(cè)探頭由L1和L2組成，L1和L2鐵心為φ30mm鐵氧體磁環(huán)，L1、L2匝數(shù)均為100匝，線徑為φ0.21mm。根據(jù)電路測(cè)量原理，本測(cè)量電路的L1線圈的激勵(lì)信號(hào)的頻率，是直接影響二次輸出信號(hào)響應(yīng)的線性度及精度的一個(gè)最重要因素。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，在上述電路結(jié)構(gòu)參數(shù)下，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率為2MHz時(shí)，二次感應(yīng)信號(hào)的線性度、靈敏度和精度最佳，見(jiàn)(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，本電路激勵(lì)信號(hào)頻率確定為2MHz，激勵(lì)信號(hào)放大器U01為L(zhǎng)M386。溫度探頭為P_t100，采用耐酸、堿性能比較好的1Cr18Ni9Tia不銹鋼封裝，封裝后的P_t100與L1和L2線圈采用耐酸、堿尼龍封裝在一起，整體探頭封裝后的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

(2)  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    電路實(shí)驗(yàn)分為兩部分：一部分是酸、堿濃度的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，包括精度和線性度。另一部分是溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。

    ①  酸、堿濃度實(shí)驗(yàn)
    本濃度計(jì)檢測(cè)范圍定為：0.1%_~5.0%，因此濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣本分別為百分比為：0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0（%）的硫酸溶液7份，容量各為300mL，并將其置于容量各為500mL的玻璃杯內(nèi)。為了給輸出濃度信號(hào)定標(biāo)，首先將濃度探頭置于0.1%濃度樣本內(nèi)，調(diào)節(jié)圖4中的RP1使其濃度輸出信號(hào)為4mA。然后再將探頭放入5.0%樣本內(nèi)，調(diào)節(jié)RP2使?jié)舛刃盘?hào)輸出為20mA（滿標(biāo)）。隨后再將探頭放入其余的濃度樣本，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1  酸濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)

    通過(guò)酸濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其線性度和精度可控制在3%的范圍內(nèi)。堿的濃度測(cè)試和上述測(cè)試結(jié)果相當(dāng)，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果這里省略。

    ②  溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

    為了能確定不同濃度在一定溫度范圍內(nèi)的補(bǔ)償效果，試驗(yàn)濃度分別取：0.5%、2.0%和4.0%三個(gè)樣本各為300mL，測(cè)試樣本液體分別放入三個(gè)500mL玻璃燒杯內(nèi)加熱，得出檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

5  結(jié)論

    本文利用模擬導(dǎo)體的概念，提出的非接觸式酸堿濃度計(jì)測(cè)量原理，由于被測(cè)介質(zhì)與電路實(shí)現(xiàn)了完全的水―電隔離，避免了酸、堿等強(qiáng)腐蝕性溶液對(duì)電極的腐蝕、污染和極化效應(yīng)，使電路的可靠性和壽命得到了極大提高。通過(guò)本文提出的電路原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該濃度計(jì)測(cè)量線性度、精度和溫度補(bǔ)償特性完全可以滿足在線5.0級(jí)測(cè)量精度要求。由于該儀表輸出兩路4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可同時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)液體的酸、堿濃度和溫度，可接二次儀表讀取濃度和溫度信號(hào)，也可接計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)傳監(jiān)視或與自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置配合進(jìn)行自動(dòng)控制。本儀表已在乳品行業(yè)CIP清洗設(shè)備上試用一年多，性能穩(wěn)定，溫度補(bǔ)償特性良好，完全可以取代目前國(guó)內(nèi)正在使用的同類(lèi)產(chǎn)品。本儀表也可應(yīng)用于電力、化工、冶金、食品、制藥等行業(yè)中對(duì)各種HCl、H₂SO4、NaOH、NaCl等強(qiáng)電解質(zhì)的濃度進(jìn)行高精度、連續(xù)的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。