多通道硅酸根高精度自動分析

陳戈華, 楊 杰

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

硅酸根離子檢測技術(shù)及測量精確度一直是現(xiàn)代工業(yè)的重要研究課題，其中，實驗室硅酸根離子濃度檢測更是重點。早期采用鹽酸反復(fù)蒸干脫水的方法來測量硅酸根的含量，后來改用動物膠凝聚法，以及季銨鹽沉淀劑的沉淀方法等純化學(xué)檢測方法，雖然準(zhǔn)確度相對較高，但操作程序相當(dāng)繁瑣，測量誤差也較大[1]。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的興起，檢測技術(shù)也進(jìn)一步更新，目前，國內(nèi)外實驗室硅酸根離子濃度檢測方式均采用人工取水樣、人為的單通道進(jìn)行添加藥劑，搖勻，等待反應(yīng)充分后進(jìn)行測量，這樣的做法耗費了大量的時間，人工成本高，自動化程度與精度偏低且存在較大誤差，為了解決以上問題，研制出了多通道硅酸根高精度分析儀[2]。此儀器是一臺依據(jù)光電比色分析原理[2]，以STM32F103C8T6單片機系統(tǒng)為核心的智能分析儀，在結(jié)構(gòu)與功能方面創(chuàng)新性地運用多通道水樣同時定量定時測量，在添加藥劑方面，采用ST梯形直線滑臺(以下簡稱滑軌式)設(shè)計，依次對六路檢測池口進(jìn)行注入水樣，以及自動添加藥劑，同時進(jìn)行攪拌，使其充分反應(yīng)測量，保證了測量精度，也減少了大量的時間成本[4]。

1 工作原理

多通道硅酸根高精度自動分析儀整體由4部分組成：光電檢測、化學(xué)水樣流路、電路控制以及儀器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計[10]。測量系統(tǒng)的基本原理是采用硅鉬藍(lán)度法，在一定的酸性條件下，水樣中硅酸根離子與鉬酸銨藥劑充分反應(yīng)生成硅鉬黃，再加入硫酸亞鐵溶液后發(fā)生還原反應(yīng)生成硅鉬藍(lán)，反應(yīng)充分穩(wěn)定后，光源經(jīng)過準(zhǔn)光系統(tǒng)及濾光片變成平行的單色光束，如圖1所示。

該光束透過顯色液體照射到硅光電池接收面上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換將光信號變成電信號，在透射過程中，部分光被顯色液吸收，使光強度發(fā)生變化，硅光電池隨光強度的變化而產(chǎn)生微弱的電流[14]。理論研究證實，此電流的大小與被測水樣中的硅酸根含量呈線性變化[13]。

2 硬件設(shè)計

多通道硅酸根高精度自動分析儀的硬件結(jié)構(gòu)分為三部分：控制機構(gòu)、觸摸組態(tài)屏顯示和外圍執(zhí)行機構(gòu)，如圖2所示。

2.1 控制機構(gòu)部分

以STM32F103C8T6單片機作為處理器，搭配AD7705、OP07芯片組成整個控制系統(tǒng)的核心部分，主要功能是對硅光電池傳來的信號進(jìn)行放大、采樣和(16位)數(shù)模轉(zhuǎn)換，由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并傳送給顯示部分顯示[11]。同時單片機按時序控制外圍元件的光耦開關(guān)、標(biāo)樣泵、電磁閥、繼電器等，從而完成測量。

硅光電池的信號處理電路也是硬件電路設(shè)計關(guān)鍵所在，如圖3所示。

運放元件A1、A2、A5及其外圍電路一起構(gòu)成了負(fù)反饋放大電路[15]；運放元件A4和外圍電路一起組成減法電路。而運放元件A3構(gòu)成跟隨器電路，D1是硅光電池，單片機的采樣參考電壓為0～2.5 V，如果由運放元件A1輸出所得到的電壓信號小于2.5 V時，則單片機進(jìn)行AD采樣，獲取信號值。如果A1輸出所得到的電壓大于2.5 V時，則單片機進(jìn)行PWM信號輸出，同時PWM電壓信號輸入A3減法電路中，并計算出PWM電壓信號值與A1輸出電壓信號值之差，再經(jīng)A5放大電路將信號放大，此時單片機再對A5輸出電壓信號進(jìn)行采樣[6]。

2.2 觸摸組態(tài)屏顯示部分

采用手機觸摸屏模式，同時顯示器選用IPS全視角、觸摸組態(tài)屏，實現(xiàn)人機溝通零障礙，提供人機交互界面，與控制機構(gòu)部分通過UART進(jìn)行通信，采用RS-485通信協(xié)議的格式進(jìn)行傳輸，并解析相關(guān)信息。實時與控制系統(tǒng)相連接，確保系統(tǒng)的時鐘長期穩(wěn)定運行，同時輔助控制機構(gòu)利用E2PROM對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行斷電保護(hù)，實時傳達(dá)上位機的命令，并執(zhí)行相應(yīng)的電路控制。

2.3 外圍執(zhí)行機構(gòu)部分

外圍執(zhí)行機構(gòu)部分如圖4所示。

外圍執(zhí)行機構(gòu)元件主要由4個SMC電磁閥、1個清洗泵、1個定容泵、1個排廢閥、一套ST梯形直線滑臺模組(滑軌)、含6個檢測口的檢測池，以及6套準(zhǔn)光系統(tǒng)和6套硅光電池、6個電磁攪拌器組成，主要功能是在控制機構(gòu)中STM32單片機的命令下，首先對檢測池的6個通道進(jìn)行攪拌清洗，然后在各個通道依次加入水樣，等到通道內(nèi)水樣定容AD采樣獲取完空白值后，滑軌在處理器的控制下依次加入藥劑并開始攪拌，使藥劑與水樣充分反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，再由AD采樣取值，輸出給CPU進(jìn)行計算，并傳送給顯示器，顯示硅酸根濃度值，最后開啟排廢閥，將廢液排除。

創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在兩個方面：

1)多通道測量。目前在實驗室中，檢測硅酸根含量的儀器均是單通道測量，每一路水樣從入水、加藥劑充分反應(yīng)，需要大概15 min左右，如果測量6路水樣，全部測完大概需要90 min，從數(shù)據(jù)上看，測量時間是很長的。因此實驗室內(nèi)手動加入水樣后，水樣會順著導(dǎo)管流入檢測通道中，待其穩(wěn)定定容后，6個檢測通道同時進(jìn)行測量，也可以通過顯示部分進(jìn)行設(shè)置，對任意6個檢測通道中的一個或幾個通道進(jìn)行測量。可以看出，這樣設(shè)計的目的是為實驗人員在檢測時減少時間成本，提高檢測效率。

2)自動化添加藥劑。現(xiàn)在普遍進(jìn)行人員配置優(yōu)化，對于儀器設(shè)備的工作效率需要進(jìn)一步提高，更有效地實施人員的崗位職能，那么儀器的工作時間與工作效率就需要合理優(yōu)化，一般實驗室硅酸根分析儀在進(jìn)行水樣測量加入藥劑時都是人為添加藥劑，搖勻，等待反應(yīng)充分，從而進(jìn)行測量，這樣的做法耗費了大量時間和人工成本的同時也存在較大的誤差，因此,文中采用滑軌式方案，待水樣定容穩(wěn)定后依次對6路檢測池口自動添加藥劑，同時開始攪拌，待充分反應(yīng)后進(jìn)行AD取樣，送單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)計算?；壊捎貌竭M(jìn)電機按軟件程序步數(shù)前進(jìn)，兼有精度高，壽命長，低噪音，運行穩(wěn)定，不干擾化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，可保證測量精度。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

考慮程序應(yīng)簡明清晰、可移植性高與開發(fā)環(huán)境匹配度高等因素，文中選擇C語言與Keil4開發(fā)平臺進(jìn)行編程。此系統(tǒng)程序設(shè)計主要包含兩大部分，即主程序與中斷服務(wù)程序。主程序中涵蓋設(shè)置初值子程序、觸摸組態(tài)屏初始化子程序、解析與傳送上位機命令執(zhí)行操作子程序，以及延時子程序等；中斷服務(wù)程序包含AD模-數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、電壓與濃度計算子程序，以及數(shù)據(jù)顯示子程序等，此程序在對硅酸根濃度超限時會報警提示，做到實時監(jiān)控[3]。其主機的主程序框圖如圖5所示。

下面分別對人機交互界面、多通道選擇測量,以及自動化加藥等部分進(jìn)行闡述。

在初始化完成之后，會對flag1這個狀態(tài)量進(jìn)行判斷，如果有命令傳達(dá)，則進(jìn)行相應(yīng)的界面操作，如調(diào)整頁面布局、進(jìn)入?yún)?shù)的調(diào)整界面、調(diào)試外圍元件的功能是否完好等。人機交互界面特別采用武漢中顯科技有限公司的觸摸組態(tài)屏，同時該公司配套的VGUS開發(fā)工具具有性能強、開發(fā)方便簡單、支持脫機下載、音視頻播放等功能，滿足儀器的需要[18]。

在程序的多通道選擇方面，設(shè)置一個狀態(tài)變量flag2來判斷是6個通道全部測量，還是其中的部分通道需要測量，以及計算出6個檢測口相互之間的距離，設(shè)置步進(jìn)電機的步長，準(zhǔn)確移動到確定的檢測口，進(jìn)行加藥測量[5]。

在自動化加藥方面，運用連通器原理和SMC電磁閥[17]，配合滑軌式的方案，在準(zhǔn)確的函數(shù)控制下進(jìn)行有序定量的加入藥劑，充分反應(yīng)后，進(jìn)行AD采樣測量，確定吸光度A，準(zhǔn)確計算硅酸根離子的含量[7]。其中關(guān)于吸光度計算運用比爾定律，

式中：K----吸光系數(shù);

L----光程長;

c----待測溶液的濃度。

針對儀器特點，在運行前需用標(biāo)準(zhǔn)溶液對其進(jìn)行試驗標(biāo)定，標(biāo)樣溶度一般為50×10-9或100×10-9，標(biāo)定原理是通過解下列聯(lián)立方程求得標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率K和零點B[8]。

標(biāo)定計算公式：

C0=KA0+B,

Cλ=KAλ+B,

B=C0-KA0，

式中：Aλ----標(biāo)樣的吸光度;

A0----倒加藥零點吸光度;

C0----倒加藥測量的濃度;

Cλ----標(biāo)樣的濃度;

K----吸光系數(shù);

L----光程長;

c----待測溶液的濃度。

4 實驗結(jié)果及分析

多通道硅酸根高精度自動分析儀的樣機已經(jīng)研制成功，儀表在安裝調(diào)試后進(jìn)行了大量的實驗，主要針對儀表測量的重復(fù)性實驗、標(biāo)準(zhǔn)溶液的測量誤差實驗、測量時間與精度對比實驗。

4.1 重復(fù)性實驗

在儀器正常運行的條件下，某一個時間點對儀器進(jìn)行測試，量程為0～20×10-9，依次對6個通道同時加入含硅酸根離子水樣5次，從而考察儀器多通道的重復(fù)性，見表1。

表1 重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)

由表1可以看出，無論單通道還是多通道，儀器的測量重復(fù)性均為±1%FS(滿量程)[16]。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液測量實驗

上述重復(fù)性實驗中，數(shù)據(jù)顯示無論單通道還是多通道均滿足±1%FS(滿量程)，因此，標(biāo)準(zhǔn)溶液測量實驗只需進(jìn)行多通道測量就可以滿足實驗要求，即每一個通道加入一種濃度的標(biāo)樣即可。

實驗配制了硅酸根離子含量為10×10-9、25×10-9、50×10-9、100×10-9、150×10-9、200×10-9的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分批次使用儀器進(jìn)行測量(量程為0～200×10-9)，測得實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)溶液測量數(shù)據(jù)

經(jīng)過對表2中的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)溶液的比對可以看出，此儀器的測量誤差為±1%FS(滿量程)。

4.3 測量對比實驗

選取一般實驗室硅酸根分析儀與多通道硅酸根高精度自動分析儀做對比實驗，為實驗數(shù)據(jù)可靠、真實，將環(huán)境溫度、濕度，水樣溫度等因素全部統(tǒng)一，在相同的空間內(nèi)做對比[9]，實驗如下：

1)時間對比方面。由于一般硅酸根分析儀是單通道測量的儀器，人工取水樣，依次加入藥劑，搖勻等待充分反應(yīng)后倒入檢測池內(nèi)進(jìn)行測量，整個測量過程大約需要15 min左右，這還只是一個通道的水樣，如果是6個通道都要測量，共計約90 min左右。而此儀器可以做到6個通道水樣同時測量，只需要大約15 min左右即可測出硅酸根的濃度，節(jié)約了5倍的測量時間，體現(xiàn)出此儀器的實用價值。

2)測量精度對比。通過以上實驗數(shù)據(jù)對比，在測量精度方面，此儀器測量數(shù)值的有效位數(shù)可精確到小數(shù)點后兩位，說明此儀器精度比一般實驗室硅酸根儀器精度高，高出1%FS(滿量程)；在測量0～200×10-9的范圍內(nèi)，相對誤差更低，可靠性更高。

5 結(jié) 語

綜合運用STM32F103C8T6單片機及其外圍芯片作用在多通道硅酸根高精度自動分析儀中，使得此分析儀在功能與結(jié)構(gòu)上都更上一級，該分析儀普遍應(yīng)用在火力發(fā)電廠、生物質(zhì)能發(fā)電廠，以及化工企業(yè)的鍋爐水、汽包水、過熱蒸汽水的硅酸根含量檢測。在硬件設(shè)計與軟件設(shè)計方面考慮到系統(tǒng)抗干擾、穩(wěn)定性以及精準(zhǔn)度等各方面因素。

1)在國內(nèi)外對儀表研制的基礎(chǔ)上，對硅酸根分析儀進(jìn)行改進(jìn)，增強了硅酸根分析儀功能性，使用觸摸組態(tài)屏實現(xiàn)人機實時監(jiān)控，操作更加人性化、系統(tǒng)化、智能化。

2)在結(jié)構(gòu)方面,創(chuàng)新性地提出多通道水樣進(jìn)行同時測量，大大減少了反應(yīng)時間，為生產(chǎn)效率的提高做出保證。

3)在儀表的自動化程度方面,采用滑軌式方案，同時對6路檢測池口進(jìn)行注入水樣，以及自動定時定量添加藥劑，同時進(jìn)行攪拌，充分反應(yīng)并測量，滑軌行進(jìn)緩慢，移動穩(wěn)定，噪音小，不干擾化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，在保證測量精度的同時，也節(jié)省了大量的時間。