CN100427937C - 高浓度酸的浓度在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高浓度酸的浓度在线测量方法，其步骤为：1、用无源传感器电极对测量高浓度酸，得到溶液电导率；2、测得的溶液电导率可等效为电阻RT，根据振荡输出可变频率的原理公式：得到与浓度对应频率值；3、根据酸浓度与频率值关系曲线，将频率值转变成酸浓度值显示和相应输出；该方法适用于浓度在95%以上的酸溶液。本发明方法，高酸浓度与频率的转换频率电导法，电导率变化范围宽。转换电路振荡频率在几百赫兹到几千赫兹左右，减小了非线性，也使得在测量中影响测量精度的多种误差减小，测量精度提高。采用本方法制造高浓度酸在线测量仪外围器件少，结构简单，操作方便，成本低、可靠稳定、且精度高。

Description

高浓度酸的浓度在线测量方法

技术领域

本发明涉及高浓度酸的浓度在线测量方法，属于成分分析检测领域。具体说，是一种高浓度酸的浓度在线测量方法。

背景技术

对于工业生产中95％以上的高浓度酸的测量，由于使用传统的直流、交流电导法等测量方法时，其电导率的变化范围窄、非线性严重，且酸的腐蚀性强，国内分析仪器生产厂家缺乏方法简单、制造成本低的高浓度酸浓度在线测量方法，使得高浓度酸生产厂家无法选型得到高浓度酸测量仪。因此，目前高浓度酸生产厂家大多在分析室进行测量浓度，测量方法主要是用“比重”法测量，其测定结果滞后，影响因素多，无法连续控制生产，不利于高酸生产企业产品的质量和产量控制。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术存在的缺陷，提供一种高浓度酸的浓度在线测量方法，为设计制造出简单易用、成本低廉、反应迅速准确的高浓度酸在线测量仪提供实用的测量方法与原理电路。

本发明的发明原理

本发明采用频率电导法转换高浓度酸的浓度，也就是用在一定范围内变化的频率作激励源来测电导率，这一频率又随电导率的变化而变化，将高浓度酸浓度的电导率转换成频率电量。根据电化学原理，酸离子浓度不同导致溶液电导率变化，由铂金电极测出的电导率，当电极常数一定、温度一定时，酸浓度与电导率在一定范围内具有单值的非线性对应关系，因此在一定浓度范围内可以将浓度变化表述为电导率的变化，再通过有一对电极与运算放大器、若干电阻电容组成整个转换电路，将电导率转换为频率的变化，从而能很方便的测量出频率数值，该频率值通过单片机系统的非线性等处理既可得到相应的酸浓度显示或信号输出。其测量电路原理框图如图1。在测量电路原理框图中，模块1是铂金电极对，在电路中电导率可等效为一电阻RT，电阻RT随酸浓度变化而非线性单值变化。该铂金电极对作为转换电路的一部分，图1中模块1电极对与模块2中运算放大器、若干电阻电容构成正弦可变振荡器，这一正弦可变振荡器作为浓度与频率的转换电路的核心，浓度与频率的转换电路原理图如图2。其振荡输出可变频率的原理公式： $f\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{R_1{R}_T{C}_1{C}_2}},$ 其中R₁、R_T为电阻值，C₁、C₂为电容值。由式中看出C1、C2、R1为定值时，R_T与频率f具有单值的非线性对应关系。可见，在一定范围内，酸浓度与RT电阻值、RT电阻值与频率值之间的关系，最终得到了在本发明方法的电路中，酸浓度在高浓度范围内变化时，频率变化约在几百赫兹之间的单值非线性对应关系。对于频率信号我们可以便捷地送到单片机系统，经过软件非线性处理来显示浓度值和对应的输出关系。

高浓度酸的浓度在线测量方法，其步骤如下：

1、用无源传感器电极对测量高浓度酸，得到溶液电导率；

2、测得的溶液电导率可等效为电阻RT，RT接正弦可变振荡器中运算放大器正输入端与地之间，根据振荡输出可变频率的原理公式：

$f\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{R_1{R}_T{C}_1{C}_2}}$

其中：C₁、C₂为定值电容

R₁为定值电阻

R_T为随浓度变化的电阻值

得到与浓度对应频率值；

3、根据预先采集的经验数据，用曲线拟合的数学方法得到酸浓度与频率值关系曲线(经验公式)；将得到的频率值直接送单片机(或计算机)系统运算处理，将频率值转变成酸浓度值显示和相应输出。

该方法适用于浓度在95％以上的酸溶液。

本发明高浓度酸的浓度在线测量方法，高酸浓度与频率的转换采用特殊的频率电导法，电导率变化范围宽。转换电路振荡频率在几百赫兹到几千赫兹左右，减小了非线性，也使得在测量中影响测量精度的多种误差减小，测量精度提高。

由于本发明方法的测量与处理电路集成度高，智能化功能强，采用本方法制造高浓度酸在线测量仪外围器件少，结构简单，操作方便，成本低。而且测量与处理电路对电极互换的一致性要求低，可靠稳定。

因为本发明高浓度酸的浓度在线测量方法中被测浓度产生可变的频率信号，而频率信号测量可以直接给出数字量输出，根据本方法制造的测量仪器无需使用基于电压的模数转换器。可变的频率信号具有宽的动态范围，特别是CPU芯片系统使用3V的低电压供电时，承受较大的干扰电压明显。所以，采用可变振荡器与无源传感器结合对整个测量仪抗干扰性能的提高有益。

本发明原理只要参数稍做修改就可应用于其他电导率的测量应用场合，应用范围广。

附图说明

图1、为酸浓度与频率转换电路(正弦可变振荡器)原理框图；

图2、为酸浓度与频率转换电路(正弦可变振荡器)原理图；

酸浓度与频率转换电路原理图是一种正弦可变振荡器，其中有一对铂金电导电极可等效为一电阻RT，运算放大器选用HA-OP07，双12V供电，C1、C2、R1选用高精度电容，并与RT决定振荡频率，R3、R4参数的选择考虑振荡幅值大小，保证电路正常工作。

图3、为浓硝酸测量电路中浓度与等效电阻的关系曲线图；

图4、为浓硝酸测量电极对等效电阻与频率的关系曲线图；

图5、为浓硝酸测量浓度与频率关系曲线图。

图6、为浓流酸测量电路中浓度与等效电阻的关系曲线图；

图7、为浓流酸测量电极对等效电阻与频率的关系曲线图；

图8、为浓流酸测量浓度与频率关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：1、高浓度(97.5％-99.5％)硝酸在线浓度测量。

在实际的高浓度硝酸浓度在线测量仪应用中，采用的无源传感器是涂上铂黑层的铂金电极对，铂金电极对可等效为一电阻RT，在电路中浓度与等效电阻的关系曲线，如图3。铂金电极对与HA-OP07运算放大器、若干电阻电容构成正弦可变振荡器，电极对等效电阻与频率的关系曲线如图4，运算放大器供电电源为正负12V，输出信号频率300-1100Hz，蜂值约为10V，经限幅后送往单片机频率测量端口。在电路中，还使用了WR3、C0补偿电阻与电容，WR3与RT串联，C0与C2并联，增强了转换电路的精度以及铂金电极对与测量仪的互换性，硝酸浓度与频率关系曲线如图6。

将得到的频率值直接送单片机系统运算处理，将频率值转变成酸浓度值显示和相应输出。由于高酸浓度与得到的频率值之间为具有单值非线性对应关系，因此在方法中采集了大量经验数据，用曲线拟合的数学方法得到浓度与频率值关系曲线，按该关系曲线的浓度值范围平均分成200个点，其输入频率值与浓度显示值有对应的数据，单片机系统通过数据查表方式实现浓度值的显示与相应的信号输出。

2、高浓度(95.5％-99.5％)硫酸在线浓度测量。

在实际的高浓度硫酸浓度在线测量仪应用中，整机电路与高浓度硝酸在线测量仪基本相同，只增加了溶液的温度测量电路，以补偿测得的电导率。当温度为(20℃)时，电路中浓度与等效电阻的关系曲线，如图6，电极对等效电阻与频率的关系曲线，如图7，硝酸浓度与频率关系曲线如图9，输出信号频率1300-2000Hz，该频率值送单片机系统运算处理时，根据实际温度，补偿频率值。按图8关系曲线的浓度值范围平均分成400个点，其输入频率值与浓度显示值数据对应，单片机系统用温度补偿后的频率值通过数据查表方式实现浓度值的显示与相应的信号输出。

Claims (1)

1、一种高浓度酸的浓度在线测量方法，其步骤如下：

a、用无源传感器电极对测量高浓度酸，得到溶液电导率；

b、测得的溶液电导率可等效为电阻RT，RT接正弦可变振荡器中运算放大器正输入端与地之间，根据振荡输出可变频率的原理公式：

$f\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{R_1{R}_T{C}_1{C}_2}}$

其中：C₁、C₂为定值电容

R₁为定值电阻

R_T为随浓度变化的电阻值

得到与浓度对应频率值；

c、根据预先采集的经验数据，用曲线拟合的数学方法得到酸浓度与频率值关系曲线；将得到的频率值直接送单片机系统运算处理，将频率值转变成酸浓度值显示和相应输出；

该方法适用于浓度在95％以上的酸溶液。

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