硫酸浓度分析仪/ＵＳＣ-Ⅱ超声波93%硫酸浓度分析仪

 

93%硫酸是化工生产及医药生产的重要原料。在硫酸生产系统中作为干燥酸，直接影响着进入转化器的SO₂气体的含水指标。因此选择一种准确、可靠、连续测量93%硫酸浓度的在线检测仪表，将能够降低生产成本，延长催化剂寿命，提高产品质量。

ＵＳＣ-Ⅱ超声波93%硫酸浓度分析仪是我院“八.五”期间自主研发的一种新型非接触式硫酸浓度在线分析仪。它克服了干吸工序腐蚀性强、干扰强等问题，它与沸点法、比重法、谐振法相比有着无可比拟的优点。多年来，经过众多用户的实际使用表明该仪表是目前测量93%硫酸浓度的最佳选择。

特别是近年来，我们对该仪表进行了不断改进，使得整体仪表在技术上有了很大的提高。在测量上采用了单片机前置的方法，提高了测量的稳定性；在数据传输上采用了抗干扰性能更加优越的RS-485接口，使得数据传输的可靠性与传统的单线数据传输相比有了本质的提高。

一、工作原理

本仪器是根据超声波在介质中的传播速度与介质浓度之间存在很好相关性的原理构成。通过测量超声波在介质中的传播速度，实现测量介质浓度的目的。在一距离（L）固定的容器里，超声换能器产生的超声波，经发射面-被测介质-反射面的路径传播，如果传播所需的时间为t，则可得出声速。见图1。声速度还与被测溶液的温度有关。即： 

式中：v-声速； t-溶液温度； C-溶液浓度。超声波的发射、接收采用收发合用型超声换能器。                     

 

                                                   

 

被测介质入口

图1

根据文献提供的数据，曲线及实验室测试的浓度声时数据表明，硫酸浓度每变化1%，将引起19米/秒的声速变化，显然灵敏度是高的。由实验数据，进行多项回归：=A₀+A₁(v-v0)+A₂(v-v0)+A₃(t-t0)+A₄(t-t0)+A₅(v-v0)*(t-t0)

这样，当测得声速和温度后，就可以计算出浓度值。

二、主要技术参数

1、测 量  范 围：  91%～95%硫酸           2、温度补偿范围：  40℃±30℃

3、精 度  测 量：  ≤±5% F.S             4、输 出  信 号：  4～20mADC

5、负 载  电 阻：   0～800Ω              6、环 境  温 度：  -10℃～45℃

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

 

三、仪器特点

1、仪器现场部份为全封闭管道安装式。结构简单、性能可靠，不受测量介质的腐蚀，大大提高了仪表的使用寿命，维护量小。

2、通过光隔实现了输入、输出的隔离，消除了诸如大电流跳动所引起的的干扰，并能克服高共模电压，大大地提高了仪表抗干扰能力。

3、选用具有较强数据和逻辑处理能力，应用广泛的MCS-51单片机，组成小型计算机系统，进行数据回归，输出信号4～20mA DC，简化了仪器线路，提高了仪器的测量精度。

4、采样电路置于检测器里，采用了单片机前置的方法，温度和声时的检测由前置单片机独立完成，温度测量采用全数字式温度传感器(DS1820)，大大提高了测量的准确性和稳定性；采样板与信号处理器之间使用RS-485串行数据传送，大大提高了数据传输的抗干扰能力和数据传输距离。

四、仪器结构

该仪器由检测器、信号处理器两部分组成（见图2）。

 

                              

    

 

 

1.检测器结

检测器为流通式检测器。（其结构见图3a和图3b）

            

       

 

检测器由采样板、换能器、测温管等组成。

换能器是实现声时—电转换的主要部件，通常是采用压电陶瓷材料制做换能器，压电陶瓷是一种具有压电效应和逆压电效应的陶瓷材料。当它受力作用时，会产生电信号，反之当它受到电场作用时，会产生应力和应变，利用压电陶瓷的这个特性，人为地对它施加一个脉冲电压，使其产生超声振动（即超声波的发射），当超声波反射波返回到达压电陶瓷上时，由于声压的作用，它会产生脉冲电势。这样实现了电—声、声—电的转换。采样板作用是进行温度、声时采样，采样板上带CPU控制各部件工作，并将数据转换成串行信号传送给信号处理器。其框图见图4测温管为一不锈钢保护管，内装温度传感器DS1820。          

 

由CPU发出的声时触发信号，经整形后，触发发射电路，激发压电陶瓷晶片，使其发生振荡，产生超声波，超声波从换能器发出，经溶液到反射面，反射回来的回波被晶片接收，经放大整形后，送脉宽转换电路，得到与浓度、温度有关的脉冲宽度，经计数电路后，再转换成串行数据，传送给信号处理器。

温度测量采用一线式的通信方式，温度传感器DS1820占用CPU的一根IO口，组成的温度测量通路。它可以实现1/16℃的测量精度，且不需要进行任何校准工作。

2、信号处理器结构

信号处理器是根据检测器传送过来的声时及温度信号，计算出硫酸浓度，分别送显示和输出，其框图见图6。

 

①计算机组成  

信号处理器以ATMEL 89C52为CPU，X5045P E²PROM为数据存贮器，四位键盘为“切换”、“确认”、“增加”、“减少”，四位LED显示用来显示浓度和温度等工作状态。

②信号接收、处理    

信号处理器接收信号检测器以串行数据方式送来的温度和声时数据，并对其进行计算和处理，然后送四位LED显示。

③输出电路     由计算机输出浓度对应的脉宽信号，经光隔后，通过脉宽-电

流转换器，输出4～20mA电流信号。

④报警电路     当温度或声时采样数据异常时，计算机输出信号触发达林顿

管、驱动继电器，输出报警信号。

五、仪器安装、使用及调试

（一）仪器的安装

整套仪器分为现场的检测器安装和控制室信号处理器安装两部分进行。

1、检测器的安装

流通式检测器的外形参见图3a，直接安装在采样管路上，其安装示意图见图11。

安装流通式检测器的采样管道尽量采用耐酸材料制做，例如铸铁管和不锈钢管等。其酸采样口应位于待测酸管的侧面或管上部（待测管必须充满酸）以防酸泥堵塞。待测酸管和采样管之间配接，采用三通及大小头加以解决，由待测酸管取样阀出口至检测器入口的采样管线其水平长度应大于1.5米。检测器及配管的高度，应以便于安装和检修为原则，而且要充分考虑防止酸烫伤的安全事故，一般取1米高度左右。

在检测器出口安装不锈钢阀门6，这时进口酸阀门3应尽量开大，出口酸阀门6尽量关小，并以此阀们调采样酸流量，以回酸能连续流出、不断流为好，以取得更好的测量效果。

采样管路和检测器配合法兰，参见图3b及图11安装材料说明。

建议在检测器出口回酸管的端部和循环槽平台之间加装漏斗装置，其目的便于了解和控制采样酸量。加装的漏斗装置以能观察到出酸量而无酸溅出为宜，其材质应耐腐蚀。

2、信号处理器的外形、开孔及安装

信号处理器可安装于现场防护箱内，也可直接安装在控制室仪表盘上。

①信号处理器的外形及表盘开孔尺寸见图12

信号处理器外形尺寸：长X宽X高=360x96x144mm

信号处理器在仪表盘上开孔尺寸：90⁺¹x138⁺¹mm

②信号处理器安装在现场时，应加防护箱，距离检测器远近应以便于维护和接线调校方便及离腐蚀源较远的地方为宜。

③信号处理器应安装在无强磁干扰场所。整套仪表之间的外部接线见图13，

④信号处理器电源的地(7#号端子)必须良好接地(接地电阻≤4Ω)。信号电缆的一端与信号处理器的7#端子相连。

 

 

注： （1）图中标示的“检测器出口流量控制阀”必须安装；

（2）仪表正常使用时，“排污截止阀”必须关闭。

 

 

 

（二）仪器的使用

① 开机      仪器安装正确后，关闭检测器下部排污阀，缓缓开启取样阀，使检测器的测量槽内充满酸，流量不宜过大，如仪器第一次使用，或大修停机较长时间，检测器探头在酸中需充分钝化，这需等待一小时左右。然后再接通仪器电源，仪器即显示温度值，过几秒后自动跳转到浓度显示。同时信号处理器输出对应酸浓信号。

② 按键说明  信号处理器面板有四只按键，分别为“切换”键、“确认”键、“增加”键和“减少”键，其中“切换”键为显示切换，每按一下“切换”键显示窗口将由酸浓显示转换为温度显示，或由温度显示转换为酸浓显示。 “确认”键有二个作用，分别为修改确认和进入调试状态。“增加”键和“减少”键在仪表调试状态使用 。

③ 维护说明  仪器因工艺停车，长时间（10天以上）无采样酸流动情况下，应将流通式检测器的铸铝防护罩连同换能器、采样器一起从测量槽中拆除保养，待再使用时按要求重新安装接线。

 

（三）调试

①    按住“确认”键10秒左右，仪器将进入调试状态。

②    按“切换”键，仪器将交替显示“P- -0”~~ P- -9”及其相对应的参数，其所代表的参数如下表所示：

 

 

 

    浓度校正      当仪器交替显示‘P- -0’和浓度值时，按“增加”键或“减少”键，可实现浓度校正。

③    温度校正      当仪器交替显示‘P- -1’和温度值时。（温度无需校正）

④    输出电流零点  当仪器交替显示‘P- -2’和‘o- 04’时，按“增加”键或“减少”键，可实现输出电流零点校正（4mA）。

⑤    输出电流量程  当仪器交替显示‘P- -3’和‘o- 20’浓度值时，按“增加”键或“减少”键，可实现输出电流量程校正（20mA）。

⑥    下限报警设定  当仪器交替显示‘P- -4’和下限报警值时，按“增加”键或“减少”键，可实现下限报警设定。

⑦    上限报警设定  当仪器交替显示‘P- -5’和上限报警值时，按“增加”键或“减少”键，可实现上限报警设定。

⑧    其余参数用户不要修改，以免影响仪器的正常测量。

⑨    修改结束后，按“确认”键退出修改。

⑩    X5045P存储器数初始化，在仪表送电前同时按下“增加”键和“减少”键。然后送电，这时仪表指示“EEEE”。大约10秒钟后仪表关电后重新开电即可。初始化后仪表中已存储的数据将被全部清除，仪表需要进行重新标定后，方能正常使用。

六、常见故障及排除方法

仪器出现故障时可按以下顺序检查

1仪器通电检查

顺序	现象	原因	排除方法
1.	显示器不亮，仪器不工作	电源没有接好,仪表后部插头松动	检查供电电源是否正常,抽出仪器芯,重新插好插座

2 检查仪器显示温度是否符合要求。

检查指仪器温度显示与实际被测介质温度之间的关系。实际被测介质温度可以用玻璃温度计测量；温度传感器DS1820是全数字化产品，所以仪器温度显示无需调校

3超声接收信号是否正常

超声接收信号是否正常决定了仪表能否正常工作，如发现浓度无指示或指示异常，可进入仪表调试状态，按以下顺序检查

顺序	现象	原因	排除方法
1	浓度指示异常，在P—7状态下回波数少于三个	①  硫酸没有充满测量槽或没有酸流过测量槽, ②  换能器接线没有接好,或换能器和反射板故障 ③  没有按照要求安装检测器. ④  检测器线路板故障 ⑤  现场检测器与信号处理器之间的串行数据通信线有问题	①关小出口阀，全开进口阀，调出口阀有合理酸流量 ②将换能器连线重新接好,并检查换能器和反射板 ③按照要求安装检测器. ④检查检测器线路板故障或与生产厂家联系 ⑤检查现场检测器与信号处理器之间的接线
2	浓度指示跳动，P—7状态下回波数大于三个，P-6指示跳动，	被测介质中有气泡	开大进口阀，进一步关小出口阀
3	浓度指示异常，P—7状态下回波数大于三个，P-6指示异常	数据存储器内数据不正常	①重新对X5045存储器数初始化 ②在P-6状态下，通过面板操作进行调整 ③与生产厂家联系
4	显示浓度与实际不符，有一定差距	仪器有误差	在P-0状态下，通过面板操作进行调整
5	温度和浓度数据均没有	①检测器与信号处理器之间通信线没接好 ②现场干扰大 ③线路板故障	①检查检测器与信号处理器之间通信线 ②将屏蔽层接地 ③与生产厂家联系

 

4 没有电流输出

顺序	现象	原因	排除方法
1	没有输出信号	①外联仪表故障或外联接线有问题 ②输出电路OP07损坏	①检查外联仪表或外联接线 ②更换OP07功放

5 仪器走死线指仪器输出不随酸浓变化而变化

顺序	现象	原因	排除方法
1	仪器走死线，输出电流不变化	①被测酸不流动 ②输出电路OP07损坏 ③软件或硬件故障	①调节放酸量，保证取样槽中有酸流动 ②更换OP07功放，或与厂家联系 ③重新送电或与生产厂家联系

七、仪器的成套

整套仪器包括：⑴信号处理器一台（包括安装托架一付）；

⑵检测器一台

⑶说明书一份

⑷测量槽一个              

八、本仪器在水中的特性

 

由于硫酸在作为标准物质标定本仪器时有一定的危险性，可以用蒸馏水代替硫酸对本仪器的以下某些性能进行标定。

在用水代替硫酸进行试验时，可用一个烧杯装入适量的蒸馏水，将分析仪倒插入烧杯中，如图所示。  

注：蒸馏水要充满烧杯，在传感器与蒸馏水之间不能有空隙。

P—1：温度校正 

水的温度与仪器在此状态下的指示温度一致，这是对仪器温度信道的检测，如仪器指示与水的实际温度不一致，可按P—1的调整方法调整。水的实际温度可用玻璃温度计测量。

P—6：声速校正

不同温度下超声波在水中传播速度是不一样的，不同温度下超声波在水中传播速度如表所示，如仪器在此状态下的指示值与表格的数据不一至，可以按P—6的调整方法调整，使其指示值与表格的数据一至。此项调整可替代仪器在硫酸介质中的量程调整。

超声波在蒸馏水中传播速度

温度	20	25	30	35	40	45	50	55
声速	1482.7	1497.0	1509.4	1519.7	1529.2	1536.4	1542.9	1547.2

P—7：超声波接受回波个数

由于传感器及电子线路对温度的敏感性，当仪器在不同环境温度时，其可以接受到的反射回波数是不一样的，环境温度越高，反射回波数越少。在常温下一般要求反射回波数大于3个，如发现小于3个，须对放大电路或传感器进行适当调整，也可以与生产厂家联系。