電磁感應式在線濃度計的開發及應用

相 亮

（中國石化集團南京化學工業有限公司，江蘇 南京 210042）

在化工產品生產過程中，濃度通常是重要的控制指標之一。電磁感應式在線濃度計以其穩定性高及抗腐蝕性強的特點在酸、堿、鹽等各類溶液的濃度測量中廣泛應用。筆者通過對溶液的電導率、溫度和濃度三者關系進行研究，開發了基于電磁感應原理的硫酸和硝酸在線濃度計，并在現場推廣應用。

1 溶液電導率特性

對于一般溶液，其濃度與電導率相關，幾種常見物質的溶液在25 ℃時電導率與濃度的關系如圖1所示[1]。

從圖1可以看出，在恒定溫度下，溶液濃度與電導率存在對應關系，通過測量溶液的電導率和溫度，可以計算出溶液的濃度值。

圖1 25 ℃溶液電導率與濃度、溫度關系曲線

2 電導率測量方法

對溶液電導率進行測量的電導率傳感器通常分為電極式和電磁式兩種。相對于傳統電極式傳感器而言，電磁式傳感器具有耐腐蝕、抗污染的優點，在溶液測量中得以更廣泛地應用。

電磁式電導率傳感器對電導率的測量是基于法拉第電磁感應原理，其測量原理見圖2。

圖2 儀器測量原理

由環形磁芯繞制的電磁感應傳感器，放置于被測溶液中，包圍傳感器的溶液通過中心孔形成導電回路。當勵磁線圈的繞組輸入一交流電壓U1時，被測溶液會產生感應電流Ie。由于Ie的作用，檢測線圈繞組有感應電壓U2產生。溶液回路感應電流Ie的大小，由溶液電導率Xe決定。在檢測線圈上可得到隨電導率而變化的感應電壓U2，通過對該電壓采樣處理計算出溶液電導率。

3 電磁感應傳感器的制作

分別對鐵氧體、坡莫合金、硅鋼片等不同磁芯材料進行分析比較得出，鐵氧體磁芯材料具有高磁電性能、磁性能穩定、衰減率低、溫度特性良好等優點，更適用于制作電磁傳感器。濃度計采用兩只鐵氧體材料磁芯，分別纏繞導線制作了勵磁線圈和檢測線圈。勵磁線圈和檢測線圈與溫度傳感元件Pt100構成了電磁傳感器，整體密封于耐腐蝕的氟塑料殼體內。

4 濃度計工作原理

濃度計工作原理如圖3所示。

圖3 濃度計工作原理

濃度計設計了基于NE555振蕩器及二級有源濾波電路組成的激勵電路。通過NE555芯片輸出30 kHz方波振蕩信號，經二級有源濾波電路后轉換為正弦波信號，再通過負反饋電路穩定正弦波幅值為2.5 V，為勵磁線圈提供激勵電壓U1。在被測溶液作用下，檢測線圈上產生的感應電勢U2送至放大轉換電路，進行電壓放大，并轉換為4～20 mA電導電流信號I1。同時，測溫電阻Rt將被測溶液的溫度信號也送至放大器轉換電路，輸出4～20 mA的溫度電流信號I2。檢測器輸出的電流I1和I2同時送至信號處理器，通過計算機電路進行信號采集和溫度補償處理，最終計算出被測溶液濃度并通過液晶顯示屏顯示，同時輸出與被測溶液濃度相對應的電流I0。

5 濃度計技術指標

濃度計主要為解決溶液濃度在線測量問題，其主要技術指標見表1。

表1 濃度計主要技術指標

6 濃度計現場應用

6.1 硫酸裝置現場應用情況

濃度計在某化工廠硫酸裝置進行現場試驗，安裝地點為循環泵出口的管道上，如圖4所示。濃度計利用系統壓力，從工藝管道壓力高點開取樣口，裝配取樣管路與濃度計測量池連接，硫酸溶液經取樣管流經測量池。濃度計傳感器插入測量池浸入被測溶液中，實現對溶液電導率和溫度信號的測量。被測溶液流過測量池后返回溶液槽或者工藝管道，不會造成環境污染。考慮到硫酸的腐蝕性，取樣管及測量池均采用不銹鋼材質或者內襯四氟材料，保證濃度計取樣系統長期穩定工作。

圖4 濃度計安裝示意

濃度計于2020年5月在裝置安裝運行，已連續運行一年多時間。濃度計運行穩定，可有效指導工藝運行。將濃度計在線測量值與人工采樣分析值進行比對，結果見表2。

由表2可見：現場運行數據中硫酸質量濃度的最大相對誤差為-1.67%，該誤差在儀表允許范圍內（2級），表明濃度計測量準確，達到精度要求。

表2 硫酸裝置濃度計在線檢測與人工采樣分析結果比對

6.2 硝酸裝置現場應用情況

濃度計于2020年在某化工企業硝酸裝置進行現場試驗，安裝地點為稀硝酸裝置成品酸輸出管道調節閥兩側，利用調節閥兩側壓差作為動力進行采樣測量。將濃度計在線測量值與人工采樣分析值進行比對，結果見表3。

由表3可見：濃度計在線測量與人工采樣分析結果的最大相對誤差為0.88%，該誤差在儀表允許范圍內（2級），表明濃度計測量準確，達到精度要求。

表3 硝酸裝置濃度計在線檢測與人工采樣分析結果比對

從濃度計在硫酸及硝酸裝置運行情況來看，測量值準確有效，能夠及時反饋工藝運行情況，達到優化工藝、穩定生產的目的。運行過程中沒有出現傳感器腐蝕現象，取樣系統、硬件系統均運行正常，證明濃度計所設計的傳感器、硬件系統、取樣系統穩定可靠，可以保證濃度計的長期穩定運行。

7 結語

目前，電磁感應式在線濃度計已成功推廣至國內眾多化工裝置，在硫酸、鹽酸、硝酸、燒堿等裝置中均有應用，推進了化工生產領域此類儀器國產化的進程。