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          硫酸濃度分析儀|USC-Ⅱ超聲波93%硫酸濃度分析儀

          文字:[大][中][小] 2015-4-13  瀏覽次數:3139



           

          93%硫酸是化工生產及醫藥生產的重要原料。在硫酸生產系統中作為干燥酸,直接影響著進入轉化器的SO2氣體的含水指標。因此選擇一種準確、可靠、連續測量93%硫酸濃度的在線檢測儀表,將能夠降低生產成本,延長催化劑壽命,提高產品質量。

          USC-Ⅱ超聲波93%硫酸濃度分析儀是我院“八.五”期間自主研發的一種新型非接觸式硫酸濃度在線分析儀。它克服了干吸工序腐蝕性強、干擾強等問題,它與沸點法、比重法、諧振法相比有著無可比擬的優點。多年來,經過眾多用戶的實際使用表明該儀表是目前測量93%硫酸濃度的選擇。

          特別是近年來,我們對該儀表進行了不斷改進,使得整體儀表在技術上有了很大的提高。在測量上采用了單片機前置的方法,提高了測量的穩定性;在數據傳輸上采用了抗干擾性能更加優越的RS-485接口,使得數據傳輸的可靠性與傳統的單線數據傳輸相比有了本質的提高。

          一、工作原理

          本儀器是根據超聲波在介質中的傳播速度與介質濃度之間存在很好相關性的原理構成。通過測量超聲波在介質中的傳播速度,實現測量介質濃度的目的。在一距離(L)固定的容器里,超聲換能器產生的超聲波,經發射面-被測介質-反射面的路徑傳播,如果傳播所需的時間為t,則可得出聲速。見圖1。聲速度還與被測溶液的溫度有關。即: 

          式中:v-聲速; t-溶液溫度; C-溶液濃度。超聲波的發射、接收采用收發合用型超聲換能器。                     

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          被測介質入口

          圖1

          根據文獻提供的數據,曲線及實驗室測試的濃度聲時數據表明,硫酸濃度每變化1%,將引起19米/秒的聲速變化,顯然靈敏度是高的。由實驗數據,進行多項回歸:=A0+A1(v-v0)+A2(v-v0)+A3(t-t0)+A4(t-t0)+A5(v-v0)*(t-t0)

          這樣,當測得聲速和溫度后,就可以計算出濃度值。

          二、主要技術參數

          1、測 量  范 圍:  91%~95%硫酸           2、溫度補償范圍:  40℃±30℃

          3、精 度  測 量:  ≤±5% F.S             4、輸 出  信 號:  4~20mADC

          5、負 載  電 阻:   0~800Ω              6、環 境  溫 度:  -10℃~45℃

          7、供 電  電 壓:  220±10%V AC           8、功 率  消 耗:  <30W

           

          三、儀器特點

          1、儀器現場部份為全封閉管道安裝式。結構簡單、性能可靠,不受測量介質的腐蝕,大大提高了儀表的使用壽命,維護量小。

          2、通過光隔實現了輸入、輸出的隔離,消除了諸如大電流跳動所引起的的干擾,并能克服高共模電壓,大大地提高了儀表抗干擾能力。

          3、選用具有較強數據和邏輯處理能力,應用廣泛的MCS-51單片機,組成小型計算機系統,進行數據回歸,輸出信號4~20mA DC,簡化了儀器線路,提高了儀器的測量精度。

          4、采樣電路置于檢測器里,采用了單片機前置的方法,溫度和聲時的檢測由前置單片機獨立完成,溫度測量采用全數字式溫度傳感器(DS1820),大大提高了測量的準確性和穩定性;采樣板與信號處理器之間使用RS-485串行數據傳送,大大提高了數據傳輸的抗干擾能力和數據傳輸距離。

          四、儀器結構

          該儀器由檢測器、信號處理器兩部分組成(見圖2)。

           

                                        2

              

           

           

          1.檢測器結

          檢測器為流通式檢測器。(其結構見圖3a和圖3b)

                      

                 3

           

          檢測器由采樣板、換能器、測溫管等組成。

          換能器是實現聲時—電轉換的主要部件,通常是采用壓電陶瓷材料制做換能器,壓電陶瓷是一種具有壓電效應和逆壓電效應的陶瓷材料。當它受力作用時,會產生電信號,反之當它受到電場作用時,會產生應力和應變,利用壓電陶瓷的這個特性,人為地對它施加一個脈沖電壓,使其產生超聲振動(即超聲波的發射),當超聲波反射波返回到達壓電陶瓷上時,由于聲壓的作用,它會產生脈沖電勢。這樣實現了電—聲、聲—電的轉換。采樣板作用是進行溫度、聲時采樣,采樣板上帶CPU控制各部件工作,并將數據轉換成串行信號傳送給信號處理器。其框圖見圖4測溫管為一不銹鋼保護管,內裝溫度傳感器DS1820。          

          4

           

          由CPU發出的聲時觸發信號,經整形后,觸發發射電路,激發壓電陶瓷晶片,使其發生振蕩,產生超聲波,超聲波從換能器發出,經溶液到反射面,反射回來的回波被晶片接收,經放大整形后,送脈寬轉換電路,得到與濃度、溫度有關的脈沖寬度,經計數電路后,再轉換成串行數據,傳送給信號處理器。

          溫度測量采用一線式的通信方式,溫度傳感器DS1820占用CPU的一根IO口,組成的溫度測量通路。它可以實現1/16℃的測量精度,且不需要進行任何校準工作。

          2、信號處理器結構

          信號處理器是根據檢測器傳送過來的聲時及溫度信號,計算出硫酸濃度,分別送顯示和輸出,其框圖見圖6。

           

          6

           

          ①計算機組成  

          信號處理器以ATMEL 89C52為CPU,X5045P E2PROM為數據存貯器,四位鍵盤為“切換”、“確認”、“增加”、“減少”,四位LED顯示用來顯示濃度和溫度等工作狀態。

          ②信號接收、處理    

          信號處理器接收信號檢測器以串行數據方式送來的溫度和聲時數據,并對其進行計算和處理,然后送四位LED顯示。

          ③輸出電路     由計算機輸出濃度對應的脈寬信號,經光隔后,通過脈寬-電

          流轉換器,輸出4~20mA電流信號。

          ④報警電路     當溫度或聲時采樣數據異常時,計算機輸出信號觸發達林頓

          管、驅動繼電器,輸出報警信號。

          五、儀器安裝、使用及調試

          (一)儀器的安裝

          整套儀器分為現場的檢測器安裝和控制室信號處理器安裝兩部分進行。

          1、檢測器的安裝

          流通式檢測器的外形參見圖3a,直接安裝在采樣管路上,其安裝示意圖見圖11。

          安裝流通式檢測器的采樣管道盡量采用耐酸材料制做,例如鑄鐵管和不銹鋼管等。其酸采樣口應位于待測酸管的側面或管上部(待測管必須充滿酸)以防酸泥堵塞。待測酸管和采樣管之間配接,采用三通及大小頭加以解決,由待測酸管取樣閥出口至檢測器入口的采樣管線其水平長度應大于1.5米。檢測器及配管的高度,應以便于安裝和檢修為原則,而且要充分考慮防止酸燙傷的安全事故,一般取1米高度左右。

          在檢測器出口安裝不銹鋼閥門6,這時進口酸閥門3應盡量開大,出口酸閥門6盡量關小,并以此閥們調采樣酸流量,以回酸能連續流出、不斷流為好,以取得更好的測量效果。

          采樣管路和檢測器配合法蘭,參見圖3b及圖11安裝材料說明。

          建議在檢測器出口回酸管的端部和循環槽平臺之間加裝漏斗裝置,其目的便于了解和控制采樣酸量。加裝的漏斗裝置以能觀察到出酸量而無酸濺出為宜,其材質應耐腐蝕。

          2、信號處理器的外形、開孔及安裝

          信號處理器可安裝于現場防護箱內,也可直接安裝在控制室儀表盤上。

          ①信號處理器的外形及表盤開孔尺寸見圖12

          信號處理器外形尺寸:長X寬X高=360x96x144mm

          信號處理器在儀表盤上開孔尺寸:90+1x138+1mm

          ②信號處理器安裝在現場時,應加防護箱,距離檢測器遠近應以便于維護和接線調校方便及離腐蝕源較遠的地方為宜。

          ③信號處理器應安裝在無強磁干擾場所。整套儀表之間的外部接線見圖13,

          ④信號處理器電源的地(7#號端子)必須良好接地(接地電阻≤4Ω)。信號電纜的一端與信號處理器的7#端子相連。

           7

           

          注: (1)圖中標示的“檢測器出口流量控制閥”必須安裝;

          (2)儀表正常使用時,“排污截止閥”必須關閉。



           

           

          8

          9

           

          (二)儀器的使用

          ① 開機      儀器安裝正確后,關閉檢測器下部排污閥,緩緩開啟取樣閥,使檢測器的測量槽內充滿酸,流量不宜過大,如儀器第一次使用,或大修停機較長時間,檢測器探頭在酸中需充分鈍化,這需等待一小時左右。然后再接通儀器電源,儀器即顯示溫度值,過幾秒后自動跳轉到濃度顯示。同時信號處理器輸出對應酸濃信號。

          ② 按鍵說明  信號處理器面板有四只按鍵,分別為“切換”鍵、“確認”鍵、“增加”鍵和“減少”鍵,其中“切換”鍵為顯示切換,每按一下“切換”鍵顯示窗口將由酸濃顯示轉換為溫度顯示,或由溫度顯示轉換為酸濃顯示。 “確認”鍵有二個作用,分別為修改確認和進入調試狀態。“增加”鍵和“減少”鍵在儀表調試狀態使用 。

          ③ 維護說明  儀器因工藝停車,長時間(10天以上)無采樣酸流動情況下,應將流通式檢測器的鑄鋁防護罩連同換能器、采樣器一起從測量槽中拆除保養,待再使用時按要求重新安裝接線。

           

          (三)調試

          ①    按住“確認”鍵10秒左右,儀器將進入調試狀態。

          ②    按“切換”鍵,儀器將交替顯示“P- -0”~~ P- -9”及其相對應的參數,其所代表的參數如下表所示:

           

           

           

          符號

          對應的參數

          正常值

          P- -0

          濃度校正

          91.00---95.00

          P- -1

          溫度校正

          c10.00---c90.00

          P- -2

          輸出電流零點

          o---04

          P- -3

          輸出電流量程

          o---20

          P- -4

          下限報警

          91.00(可調)

          P- -5

          上限報警

          95.00(可調)

          P- -6

          聲速校正

          1380左右

          P- -7

          回波個數

          3---10

          P- -8

          聲時測量值

          9999---5000

          P- -9

          溫度測量值

          常溫下300左右

              濃度校正      當儀器交替顯示‘P- -0’和濃度值時,按“增加”鍵或“減少”鍵,可實現濃度校正。

          ③    溫度校正      當儀器交替顯示‘P- -1’和溫度值時。(溫度無需校正)

          ④    輸出電流零點  當儀器交替顯示‘P- -2’和‘o- 04’時,按“增加”鍵或“減少”鍵,可實現輸出電流零點校正(4mA)。

          ⑤    輸出電流量程  當儀器交替顯示‘P- -3’和‘o- 20’濃度值時,按“增加”鍵或“減少”鍵,可實現輸出電流量程校正(20mA)。

          ⑥    下限報警設定  當儀器交替顯示‘P- -4’和下限報警值時,按“增加”鍵或“減少”鍵,可實現下限報警設定。

          ⑦    上限報警設定  當儀器交替顯示‘P- -5’和上限報警值時,按“增加”鍵或“減少”鍵,可實現上限報警設定。

          ⑧    其余參數用戶不要修改,以免影響儀器的正常測量。

          ⑨    修改結束后,按“確認”鍵退出修改。

          ⑩    X5045P存儲器數初始化,在儀表送電前同時按下“增加”鍵和“減少”鍵。然后送電,這時儀表指示“EEEE”。大約10秒鐘后儀表關電后重新開電即可。初始化后儀表中已存儲的數據將被全部清除,儀表需要進行重新標定后,方能正常使用。

          、常見故障及排除方法

          儀器出現故障時可按以下順序檢查

          1儀器通電檢查

          順序

          現象

          原因

          排除方法

          1.

          顯示器不亮,儀器不工作

          電源沒有接好,儀表后部插頭松動

          檢查供電電源是否正常,抽出儀器芯,重新插好插座

          2 檢查儀器顯示溫度是否符合要求。

          檢查指儀器溫度顯示與實際被測介質溫度之間的關系。實際被測介質溫度可以用玻璃溫度計測量;溫度傳感器DS1820是全數字化產品,所以儀器溫度顯示無需調校

          3超聲接收信號是否正常

          超聲接收信號是否正常決定了儀表能否正常工作,如發現濃度無指示或指示異常,可進入儀表調試狀態,按以下順序檢查

          順序

          現象

          原因

          排除方法

          1

          濃度指示異常,在P—7狀態下回波數少于三個

          ①  硫酸沒有充滿測量槽或沒有酸流過測量槽,

          ②  換能器接線沒有接好,或換能器和反射板故障

          ③  沒有按照要求安裝檢測器.

          ④  檢測器線路板故障

          ⑤  現場檢測器與信號處理器之間的串行數據通信線有問題

          ①關小出口閥,全開進口閥,調出口閥有合理酸流量

          ②將換能器連線重新接好,并檢查換能器和反射板

          ③按照要求安裝檢測器.

          ④檢查檢測器線路板故障或與生產廠家聯系

          ⑤檢查現場檢測器與信號處理器之間的接線

          2

          濃度指示跳動,P—7狀態下回波數大于三個,P-6指示跳動,

          被測介質中有氣泡

          開大進口閥,進一步關小出口閥

          3

          濃度指示異常,P—7狀態下回波數大于三個,P-6指示異常

          數據存儲器內數據不正常

          ①重新對X5045存儲器數初始化

          ②在P-6狀態下,通過面板操作進行調整

          ③與生產廠家聯系

          4

          顯示濃度與實際不符,有一定差距

          儀器有誤差

          在P-0狀態下,通過面板操作進行調整

          5

          溫度和濃度數據均沒有

           

          ①檢測器與信號處理器之間通信線沒接好

          ②現場干擾大

          ③線路板故障

          ①檢查檢測器與信號處理器之間通信線

          ②將屏蔽層接地

          ③與生產廠家聯系

           

          4 沒有電流輸出

          順序

          現象

          原因

          排除方法

          1

          沒有輸出信號

          ①外聯儀表故障或外聯接線有問題

          ②輸出電路OP07損壞

          ①檢查外聯儀表或外聯接線

          ②更換OP07功放

          5 儀器走死線指儀器輸出不隨酸濃變化而變化

          順序

          現象

          原因

          排除方法

          1

          儀器走死線,輸出電流不變化

          ①被測酸不流動

          ②輸出電路OP07損壞

          ③軟件或硬件故障

          ①調節放酸量,保證取樣槽中有酸流動

          ②更換OP07功放,或與廠家聯系

          ③重新送電或與生產廠家聯系

          、儀器的成套

          整套儀器包括:⑴信號處理器一臺(包括安裝托架一付);

          ⑵檢測器一臺

          ⑶說明書一份

          ⑷測量槽一個              

          八、本儀器在水中的特性

          10

           

          由于硫酸在作為標準物質標定本儀器時有一定的危險性,可以用蒸餾水代替硫酸對本儀器的以下某些性能進行標定。

          在用水代替硫酸進行試驗時,可用一個燒杯裝入適量的蒸餾水,將分析儀倒插入燒杯中,如圖所示。  

          注:蒸餾水要充滿燒杯,在傳感器與蒸餾水之間不能有空隙。

          P—1:溫度校正 

          水的溫度與儀器在此狀態下的指示溫度一致,這是對儀器溫度信道的檢測,如儀器指示與水的實際溫度不一致,可按P—1的調整方法調整。水的實際溫度可用玻璃溫度計測量。

          P—6:聲速校正

          不同溫度下超聲波在水中傳播速度是不一樣的,不同溫度下超聲波在水中傳播速度如表所示,如儀器在此狀態下的指示值與表格的數據不一至,可以按P—6的調整方法調整,使其指示值與表格的數據一至。此項調整可替代儀器在硫酸介質中的量程調整。

          超聲波在蒸餾水中傳播速度

          溫度

          20

          25

          30

          35

          40

          45

          50

          55

          聲速

          1482.7

          1497.0

          1509.4

          1519.7

          1529.2

          1536.4

          1542.9

          1547.2

          P—7:超聲波接受回波個數

          由于傳感器及電子線路對溫度的敏感性,當儀器在不同環境溫度時,其可以接受到的反射回波數是不一樣的,環境溫度越高,反射回波數越少。在常溫下一般要求反射回波數大于3個,如發現小于3個,須對放大電路或傳感器進行適當調整,也可以與生產廠家聯系。

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