基于透光率法评定阻垢剂性能的测量装置

摘要

本发明涉及一种基于透光率法评定阻垢剂性能的测量装置，设有暗室、滴定液容器、恒流加药泵、磁力搅拌器、电加热棒、测定池，滴定剂容器内Na2CO3经恒流加药泵送入测定池，测定池内有CaCl2和被测阻垢剂；利用光电传感器及其转换电路作成变送器、计算机和配套软件实现透光率自动检测系统，加药量、磁力搅拌、溶液温度自动调节系统；开始时，溶液的透光率保持不变，当滴定剂加入量达到某一数值，透光率值突然下降，计算机记录对应滴定液体积，以此用来进行相同条件下的不同阻垢剂阻垢性能评价。这种装置准确率高、重复性好、评定快捷、操作方便，可用于电力、石油、化工、冶金、建材、供热、轻工等行业使用的水处理剂阻垢性能快速自动评价。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置，更具体地说涉及一种利用检测溶液透光率评定水处理用阻垢剂性能的测量装置。

背景技术

目前评定水处理用阻垢剂性能的方法主要有静态阻垢法、鼓泡法、极限碳酸盐硬度法、pH位移法、电导法和换热面污垢热阻动态模拟法等。国内常用的主要为静态阻垢法、鼓泡法和换热面污垢热阻动态模拟法。经验表明，静态阻垢法存在检测时间长、操作繁琐、重复性差等缺点；鼓泡法试验所需的时间也较长(通常在6小时以上)，对试验设备及其稳定性(如空气流量等)要求高，而也是一种耗时费力的方法；电导法虽然评定快捷，但评定实验中电导率信号变化较弱，易受温度等因素的影响，造成评定结果的不确定性；换热面污垢热阻动态模拟法，能够模拟管式换热器的实际工作条件，其评定结果能够准确地符合实际工艺过程，但是检测时间通常要在10天以上，干扰因素多，而且设备价格高，限制了它的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于透光率法评定阻垢剂性能的测量装置。

透光率法评定阻垢剂性能的基本原理：

根据比耳-朗伯定律，当有一束一定波长的光透过溶液时，由于一部分光被溶液中的吸光粒子吸收，光的透过强度减弱。有色物质的浓度越大或溶液越混浊，液层越厚，即物质的吸光粒子越多，则被吸收的光越多，透过的光越弱。

碳酸盐、磷酸盐及氢氧化锌等形成垢的过程是由过饱和度、成核作用、晶体生长三个相互作用的因素导致的，阻垢剂可以影响每一个过程。成核是沉淀的第一步，成核速率主要受过饱和度(S)的影响。虽然成核作用在过饱和度S＞1的任何条件下都是可能的，但是只有当S超过了某个特定值时，结晶速率才会骤然增大，此值称为临界过饱和度。低于临界值时，成核速率几乎为零。大多数化合物在水溶液中结晶的临界过饱和度很大，可达10²～10³。

本评定方法利用Na₂CO₃溶液滴定CaCl₂溶液，滴定开始前，母液中除Ca²⁺、Cl^-外，还含有少量的H⁺、OH^-及水分子和阻垢剂，调节滴定速度和搅拌速度，并保持测定池溶液温度恒定。在滴定初期，由于溶液中的[CO₃^2-]很少，两者浓度乘积远小于该温度下CaCO₃的溶度积K_sp，此时不会产生CaCO₃析出、沉淀，此阶段，溶液的透光率保持恒定。随着Na₂CO₃溶液的继续滴加，[CO₃^2-]的浓度逐渐增大，达到饱和后的过饱和度也不断增加。当过饱和度逐渐增大到某一数值时，CaCO₃结晶速率会骤然增大，迅速析出、沉淀，将这一过饱和度称为临界点。由于有析出、沉淀，溶液的透光率骤然下降。根据不同阻垢剂同浓度下溶液的透光率曲线拐点对应的滴定液体积(体积越大阻垢性能越好)，可以评价各阻垢剂性能优劣，并从成本和性能两方面考虑，找到该阻垢剂的最优使用浓度。

采用分光光度法来测定溶液的透光率以评定阻垢剂的阻垢性能，该方法具有准确、快捷、操作简单等优点。透光率T计算公式如下：

T＝_IT/I₀    (1)

式中I_T为透射光光强，I₀为入射光光强。

电信号与入射光及透射光的关系推导如下：传感器的接收光强I_r经光电传感器转换和模拟放大器，转换成电压信号为：

V_r＝k(I_r+I_a)    (2)

式中k为转换系数；I_r为接受光强，I_a为暗电流光强。

由(2)可得：I_T＝V_T/k-I_a，I₀＝V₀/k-I_a

光强与转换电压成线性关系’因此，透光率T为：

T＝I_T/I₀＝(V_T/k-I_a)/(V₀/k-I_a)    (3)

上式中，k、I_a和V₀为常数，通过采集V_r值可实时计算出滴定过程中透光率T。

本发明的技术方案是：首先把上述的透光率信号通过光电转换器转换为电压信号，再输出电流信号，并基于此设计了自动检测装置。

一种基于透光率法评定阻垢剂性能的测量装置，设有：滴定液容器、计算机系统、滴定管、恒流加药泵、稳压光源、磁力搅拌器、保温套、光电转换调理电路、磁力转子、电加热棒、暗室、温度传感器、测定池；

A、滴定液容器内的滴定液Na₂CO₃经恒流加药泵送入盛有母液CaCL₂和阻垢剂的测定池；

B、测定池内设有磁力搅拌器的磁力转子、温度传感器、电加热棒，测定池外部设有保温层；

C、测定池内盛有CaCL₂和待评定的阻垢剂，常压下操作，溶液内温度恒定，控制在某一个设定范围，如24.8℃～25.2℃；

D、计算机系统包括有工控机、数据采集卡、输出卡、显示器、操作键盘鼠标及配套软件；

E、计算机系统采用硬、软件结合的办法，令采样间隔与恒流加药泵转速相匹配的方法，设定、控制、记录恒流加药泵流出的滴定剂量；

F、由光电传感器及其转换电路作成变送器和计算机系统组成了透光率自动检测系统，连续检测测定池溶液的透光率随滴定时间增加而变化的数值，由透过光转化的电信号经数据采集卡送入工控机，由配套软件进行数据处理，实时显示在计算机显示屏幕上，纵轴为透光率，横轴为滴定液体积，随着滴定的进行，逐渐在透光率——滴定液体积平面上形成一连续曲线，操作过程中，一开始由于没有析出、沉淀，曲线保持恒定值，当滴定液Na₂CO₃滴加量达到某一数值，即达到过饱和度的临界点时，透光率值突然下降，曲线出现拐点，拐点对应的滴定液体积，可用作相同条件下的不同阻垢剂的阻垢性能评价；由光电传感器及其转换电路作成变送器、计算机系统、恒流加药泵工作电源设备构成的自动控制系统，当透光率突然下降，曲线出现拐点时，可以自动停止恒流加药泵供电，停止加药过程；计算机系统、磁力搅拌器工作电源设备构成自动控制系统，当透光率突然下降，曲线出现拐点，可以自动停止磁力搅拌器的供电，磁力转子停止工作；由温度传感器、计算机系统、电加热棒构成测定池内溶液温度自动控制系统，若液体温度低于某一设定值，如24.8℃，供电，电加热棒工作，加热，当温度升至某一设定值，如25.2℃时，切断电源，电加热棒不工作；所述的光电传感器输出信号比较微弱，经差分放大电路调理放大，作成变送器，以适合计算机采集。所述的温度传感器，采用差分放大电路，对温度传感元件信号进行调理，以适合计算机采集，令其温度在0～50℃变化范围内，有放大器对应输出电流在4-20mA变化范围内，信号进入计算机系统。不言而喻，稳压光源与测定池、测定池与光电传感器间，不可对外泄光，不可有外加光源干扰，测定池置于暗室内。

本装置为环保型，在减少化学试剂对环境污染及能源消耗方面，都将会带来明显的经济、社会效益，设备具有功能完备、准确度高、重复性好、技术先进、评定快捷、操作简便、市场广阔等特点，是对传统阻垢剂性能评定手段的改进和创新，是阻垢剂性能的手工鼓泡法评定设备的换代产品。它可用于电力、石油、化工、冶金、建材、供热、轻工等众多行业使用的水处理剂阻垢性能的快速自动评定，特别适用于针对碳酸盐垢、磷酸盐垢及氢氧化锌的阻垢剂。属于评定水处理剂阻垢性能的方法及装置的创新。

附图说明

图1是本发明系统构成示意图。

图2是某一实施例中透光率——滴定液体积之间变化关系曲线图。

图3是本发明系统软件功能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步的详细描述。

本发明通过对Na₂CO₃溶液滴定CaCl₂溶液过程中母液透光率的检测，绘制透光率-滴定液体积测量曲线，根据透光率测量曲线出现拐点对应的滴定液体积来评定阻垢剂的阻垢性能，这是本发明主要原理依据；

本发明应用计算机图形处理技术，建立滴定过程中透光率随滴定液体积而变化的数学模型，进而提高检验测量的可靠性和准确性。这是本发明的创新点之一；

利用本发明的快速自动评定装置，还可以测定污垢的诱导期。

如图1所示，滴定液容器1、计算机系统2、滴定管3、恒流加药泵4、稳压光源5、磁力搅拌器6、保温套7、光电传感器及其转换电路作成变送器8、磁力转子9、电加热棒10、暗室11、温度传感器12、测定池13；

A、滴定剂容器1内的滴定剂Na₂CO₃经滴定管3，由恒流加药泵4送入盛有母液CaCL₂和阻垢剂的测定池13；

B、测定池13内设有磁力搅拌器6的磁力转子9、温度传感器12、电加热棒10，测定池13外部设有保温套7；

C、测定池13内盛有CaCL₂和待评定的阻垢剂，常压下操作，溶液内温度恒定，控制在某一个设定范围，如24.8℃～25.2℃；

D、计算机系统2包括有工控机、数据采集卡、输出卡、显示器、操作键盘及配套软件；

E、计算机系统2采用硬、软件结合的办法，令采样间隔与恒流加药泵4转速相匹配的方法，设定、控制、记录恒流加药泵流出的滴定剂量；

F、由光电传感器及其转换电路作成变送器8和计算机系统2组成透光率自动检测系统；连续检测测定池溶液的透光率随滴定液体积增加而变化的数值，透光率经数据采集卡送入工控机，由配套软件进行数据处理，实时显示在计算机显示屏幕上，纵轴为透光率，横轴为滴定液体积，随着滴定的进行，逐渐在透光率——滴定液体积平面上形成一连续曲线，操作过程中，在初始阶段，溶液的透光率保持不变，当滴定剂Na₂CO₃进入量达到某一特定值，即达到过饱和度的临界点时，透光率值突然下降，曲线出现拐点，计算机系统2记录的对应滴定液体积，可用作相同条件下的不同阻垢剂的阻垢性能评价。由光电传感器及其转换电路作成变送器8、计算机系统2、恒流加药泵4工作电源设备构成自动控制系统，当透光率突然下降，曲线出现拐点时，可以自动停止恒流加药泵4供电，停止加药过程；计算机系统2、磁力搅拌器6工作电源设备构成自动控制系统，当透光率突然下降，曲线出现拐点，可以自动停止磁力搅拌器6的供电，磁力转子9停止工作；由温度传感器12、计算机系统2、电加热棒10构成测定池13内工作液温度自动控制系统，若液体温度低于某一设定值，如24.8℃，供电，电加热棒10工作，加热，当温度升至某一设定值，25.2℃时，切断电源，电加热棒10不工作；所述的温度传感器12，采用差分放大电路，对温度传感元件信号进行调理，以适合计算机采集，令其温度在0～50℃变化范围内，有放大器对应输出电压在0-5V变化范围内，信号进入计算机系统2。

如图1所示，恒流加药泵4、经滴定管3将滴定液从滴定液容器1送至测定池13，恒流加药泵4的转速(即加药流量)利用计算机系统2控制，测定池13外设保温套7，测定池13内设电加热棒10，温度传感器12放置在测定池13中，温度传感器12、计算机系统2、电加热棒10形成温度闭环控制系统。在恒定温度、恒定流速下滴定液缓慢加入测定池13内，与母液和阻垢剂溶液反应，利用磁力搅拌器6带动磁力转子9搅拌，以加快滴定液和母液的反应，并保持恒定温度，搅拌速度可用计算机控制，利用在计算机控制下测量溶液中的透光率的变化，当透光率出现拐点时，软件自动停止恒流加药泵加药，自动停止搅拌，自动记录滴定液体积。恒流加药泵4也可称自动滴定装置，可以是市售蠕动泵(流动注射仪)，也可以是自制的液位滴定设备，其中的溶液流动连续可调，并将蠕动泵转速或液位滴定设备的滴数以电讯号经数据采集卡送入计算机，进行数据处理、分析，在屏幕上显示透光率——滴定液体积的变化关系曲线，如图2。自动滴定装置一端接滴定剂容器，另一端接母液容器，以实现把滴定剂连续加入母液中，并利用磁力搅拌装置连续搅拌，以使测定池溶液的温度和各离子浓度尽快达到均匀。磁力搅拌装置是市售设备，它利用电动机的旋转磁场转动测定池溶液中的磁力转子，实现测定池溶液的参数均匀。搅拌速度的调节，可通过电位器调整搅拌装置电机输入电压来实现。温度传感器感应测定池溶液温度，计算机通过预设程序控制直流加热棒，以确保测定池溶液温度恒定。

自动滴定装置中的蠕动泵，即恒流加药泵，通过计算机按选定的蠕动泵转速来确定采样间隔，蠕动泵转速和采样间隔的对应定量关系，是根据大量实验数据确定的：如，蠕动泵转速为2.7秒/转时，数据采集速度则应为2.7秒/个。经验表明，这种采用硬件、软件相结合的方法来使采样间隔与蠕动泵转速相匹配可以提高滴定的精密度，以进一步提高拐点位置确定的精准度。

本发明采用的高灵敏度、高精度的(±0.01℃)温度传感器12，利用通用晶体二极管作为一次温度传感元件，采用差分放大电路，使温度在0～50℃变化范围对应于输出电流4-20mA变化范围。

本发明采用的恒温加热方案，有直流电加热棒10，其热惯性小，温度控制精度高，将测定池溶液温度波动幅度控制在±0.2℃以下，抑制温度对透光率——滴定液体积关系曲线突降点的影响。

鉴于测定池13内溶液浓度对透光率的重要影响，要拟定母液和滴定液的统一用量指标，以便于数据的比较分析。滴定液：利用除盐水配制14g/L碳酸钠溶液(分析纯)、母液：1.4g/L氯化钙溶液(分析纯)。

本评价装置具体操作过程如下：按上述标准配制滴定液和母液，分别装入滴定液容器1和测定池中13中，并在测定池13内一次性加入一定浓度的待评定阻垢剂，再把温度传感器12、电加热棒10置入测定池13内溶液中。调整搅拌速度及温度，待温度达到某一设定值，如25±0.2℃并恒定后，把恒流加药泵泵管出口置入母液容器中，调整恒流加药泵转速，亦即恒定滴定剂流量。启动恒流加药泵即开始评定程序。连续采集透光率，显示屏出现透光率——滴定液体积关系曲线，待曲线出现透光率突降点，根据出现透光率突变点时的滴定液体积即可评定阻垢剂的阻垢性能。

图2中给出一曲线图，滴定剂通过恒流加药泵4加入测定池13溶液中，由磁力搅拌器6连续搅拌，测定池13内溶液温度控制在25±0.2℃，此曲线溶液的透光率随滴定液体积的变化而变化的记录，从图中可见，初始阶段，透光率恒定，随着滴定剂不断加入，达到临界过饱和度，再加入滴定剂，透光率突然下降，曲线出现拐点，所用滴定液为Na₂CO₃，测定池13内母液为CaCL₂。

重复性是评价装置的一个重要性能指标，它表征指示值的分散情况，影响本装置重复性的主要因素，包括透光率检测是否准确，温度传感器的精确度，滴定剂母液制备是否符合要求，溶液恒温控制系统工作是否稳定，控制点是否准确，波动范围大小，本装置对同一阻垢剂试样试验，浓度为10ppm的磷基羧酸共聚物阻垢剂，母液为1.4g/l CaCl₂，滴定剂为14g/l Na₂CO₃，经过六次检测，出现拐点是所消耗的滴定剂体积分别为：13.50mL、13.52mL、13.48mL、13.49mL、13.32mL、13.51mL。

所述母液配置，氯化钙(分析纯)溶液，可以是0.5g/L、1g/L、3g/L、5g/L、7g/L。

所述滴定液配置，碳酸钠(分析纯)溶液，可以是0.5g/L、1g/L、2g/L、4g/L、6g/L、8g/L、10g/L、12g/L、14g/L。

图3是本发明的系统软件功能图，其功能总体分为药剂管理、设定、数据分析、滴定分析、退出系统5个部分；药剂管理包括各种数据记录；设定包括滴定剂加入的流速标定，测定池内溶液温度标定；数据分析包括，曲线比较、综合信息；曲线比较包括清除曲线、调整曲线；打开数据库；综合信息包括阻垢剂名称、用量、透光率、滴定剂体积；滴定分析内容较多，包括搅拌控制、恒温加热、恒流加药泵4，即蠕动泵加药、滴定实验和保存数据等。