陳戈華, 楊 杰

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

0 引 言

硅酸根離子檢測(cè)技術(shù)及測(cè)量精確度一直是現(xiàn)代工業(yè)的重要研究課題，其中，實(shí)驗(yàn)室硅酸根離子濃度檢測(cè)更是重點(diǎn)。早期采用鹽酸反復(fù)蒸干脫水的方法來測(cè)量硅酸根的含量，后來改用動(dòng)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(cè)方法，雖然準(zhǔn)確度相對(duì)較高，但操作程序相當(dāng)繁瑣，測(cè)量誤差也較大[1]。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的興起，檢測(cè)技術(shù)也進(jìn)一步更新，目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室硅酸根離子濃度檢測(cè)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(cè)量，這樣的做法耗費(fèi)了大量的時(shí)間，人工成本高，自動(dòng)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(tái)依據(jù)光電比色分析原理[2]，以STM32F103C8T6單片機(jī)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(yùn)用多通道水樣同時(shí)定量定時(shí)測(cè)量，在添加藥劑方面，采用ST梯形直線滑臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱滑軌式)設(shè)計(jì)，依次對(duì)六路檢測(cè)池口進(jìn)行注入水樣，以及自動(dòng)添加藥劑，同時(shí)進(jìn)行攪拌，使其充分反應(yīng)測(cè)量，保證了測(cè)量精度，也減少了大量的時(shí)間成本[4]。

1 工作原理

多通道硅酸根高精度自動(dòng)分析儀整體由4部分組成：光電檢測(cè)、化學(xué)水樣流路、電路控制以及儀器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]。測(cè)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(hào)變成電信號(hào)，在透射過程中，部分光被顯色液吸收，使光強(qiáng)度發(fā)生變化，硅光電池隨光強(qiáng)度的變化而產(chǎn)生微弱的電流[14]。理論研究證實(shí)，此電流的大小與被測(cè)水樣中的硅酸根含量呈線性變化[13]。

2 硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 控制機(jī)構(gòu)部分

以STM32F103C8T6單片機(jī)作為處理器，搭配AD7705、OP07芯片組成整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，主要功能是對(duì)硅光電池傳來的信號(hào)進(jìn)行放大、采樣和(16位)數(shù)模轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并傳送給顯示部分顯示[11]。同時(shí)單片機(jī)按時(shí)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(cè)量。

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

運(yùn)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(yùn)放元件A4和外圍電路一起組成減法電路。而運(yùn)放元件A3構(gòu)成跟隨器電路，D1是硅光電池，單片機(jī)的采樣參考電壓為0～2.5 V，如果由運(yùn)放元件A1輸出所得到的電壓信號(hào)小于2.5 V時(shí)，則單片機(jī)進(jìn)行AD采樣，獲取信號(hào)值。如果A1輸出所得到的電壓大于2.5 V時(shí)，則單片機(jī)進(jìn)行PWM信號(hào)輸出，同時(shí)PWM電壓信號(hào)輸入A3減法電路中，并計(jì)算出PWM電壓信號(hào)值與A1輸出電壓信號(hào)值之差，再經(jīng)A5放大電路將信號(hào)放大，此時(shí)單片機(jī)再對(duì)A5輸出電壓信號(hào)進(jìn)行采樣[6]。

2.2 觸摸組態(tài)屏顯示部分

采用手機(jī)觸摸屏模式，同時(shí)顯示器選用IPS全視角、觸摸組態(tài)屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)溝通零障礙，提供人機(jī)交互界面，與控制機(jī)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(shí)時(shí)與控制系統(tǒng)相連接，確保系統(tǒng)的時(shí)鐘長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)輔助控制機(jī)構(gòu)利用E2PROM對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行斷電保護(hù)，實(shí)時(shí)傳達(dá)上位機(jī)的命令，并執(zhí)行相應(yīng)的電路控制。

2.3 外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分

外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分如圖4所示。

外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)元件主要由4個(gè)SMC電磁閥、1個(gè)清洗泵、1個(gè)定容泵、1個(gè)排廢閥、一套ST梯形直線滑臺(tái)模組(滑軌)、含6個(gè)檢測(cè)口的檢測(cè)池，以及6套準(zhǔn)光系統(tǒng)和6套硅光電池、6個(gè)電磁攪拌器組成，主要功能是在控制機(jī)構(gòu)中STM32單片機(jī)的命令下，首先對(duì)檢測(cè)池的6個(gè)通道進(jìn)行攪拌清洗，然后在各個(gè)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(jì)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(gè)方面：

1)多通道測(cè)量。目前在實(shí)驗(yàn)室中，檢測(cè)硅酸根含量的儀器均是單通道測(cè)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(cè)量6路水樣，全部測(cè)完大概需要90 min，從數(shù)據(jù)上看，測(cè)量時(shí)間是很長(zhǎng)的。因此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)手動(dòng)加入水樣后，水樣會(huì)順著導(dǎo)管流入檢測(cè)通道中，待其穩(wěn)定定容后，6個(gè)檢測(cè)通道同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，也可以通過顯示部分進(jìn)行設(shè)置，對(duì)任意6個(gè)檢測(cè)通道中的一個(gè)或幾個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量?？梢钥闯觯@樣設(shè)計(jì)的目的是為實(shí)驗(yàn)人員在檢測(cè)時(shí)減少時(shí)間成本，提高檢測(cè)效率。

2)自動(dòng)化添加藥劑?，F(xiàn)在普遍進(jìn)行人員配置優(yōu)化，對(duì)于儀器設(shè)備的工作效率需要進(jìn)一步提高，更有效地實(shí)施人員的崗位職能，那么儀器的工作時(shí)間與工作效率就需要合理優(yōu)化，一般實(shí)驗(yàn)室硅酸根分析儀在進(jìn)行水樣測(cè)量加入藥劑時(shí)都是人為添加藥劑，搖勻，等待反應(yīng)充分，從而進(jìn)行測(cè)量，這樣的做法耗費(fèi)了大量時(shí)間和人工成本的同時(shí)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(duì)6路檢測(cè)池口自動(dòng)添加藥劑，同時(shí)開始攪拌，待充分反應(yīng)后進(jìn)行AD取樣，送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算?；壊捎貌竭M(jìn)電機(jī)按軟件程序步數(shù)前進(jìn)，兼有精度高，壽命長(zhǎng)，低噪音，運(yùn)行穩(wěn)定，不干擾化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，可保證測(cè)量精度。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

考慮程序應(yīng)簡(jiǎn)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(tái)進(jìn)行編程。此系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)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(jī)命令執(zhí)行操作子程序，以及延時(shí)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(jì)算子程序，以及數(shù)據(jù)顯示子程序等，此程序在對(duì)硅酸根濃度超限時(shí)會(huì)報(bào)警提示，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]。其主機(jī)的主程序框圖如圖5所示。

下面分別對(duì)人機(jī)交互界面、多通道選擇測(cè)量,以及自動(dòng)化加藥等部分進(jìn)行闡述。

在初始化完成之后，會(huì)對(duì)flag1這個(gè)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(jī)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(shí)該公司配套的VGUS開發(fā)工具具有性能強(qiáng)、開發(fā)方便簡(jiǎn)單、支持脫機(jī)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(gè)狀態(tài)變量flag2來判斷是6個(gè)通道全部測(cè)量，還是其中的部分通道需要測(cè)量，以及計(jì)算出6個(gè)檢測(cè)口相互之間的距離，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)，準(zhǔn)確移動(dòng)到確定的檢測(cè)口，進(jìn)行加藥測(cè)量[5]。

在自動(dòng)化加藥方面，運(yùn)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(cè)量，確定吸光度A，準(zhǔn)確計(jì)算硅酸根離子的含量[7]。其中關(guān)于吸光度計(jì)算運(yùn)用比爾定律，

式中：K----吸光系數(shù);

L----光程長(zhǎng);

c----待測(cè)溶液的濃度。

針對(duì)儀器特點(diǎn)，在運(yùn)行前需用標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)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(diǎn)B[8]。

標(biāo)定計(jì)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(diǎn)吸光度;

C0----倒加藥測(cè)量的濃度;

Cλ----標(biāo)樣的濃度;

K----吸光系數(shù);

L----光程長(zhǎng);

c----待測(cè)溶液的濃度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

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

4.1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

在儀器正常運(yùn)行的條件下，某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)儀器進(jìn)行測(cè)試，量程為0～20×10-9，依次對(duì)6個(gè)通道同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(cè)量重復(fù)性均為±1%FS(滿量程)[16]。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)量實(shí)驗(yàn)

上述重復(fù)性實(shí)驗(yàn)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(cè)量實(shí)驗(yàn)只需進(jìn)行多通道測(cè)量就可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，即每一個(gè)通道加入一種濃度的標(biāo)樣即可。

實(shí)驗(yàn)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(cè)量(量程為0～200×10-9)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)量數(shù)據(jù)

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

4.3 測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選取一般實(shí)驗(yàn)室硅酸根分析儀與多通道硅酸根高精度自動(dòng)分析儀做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠、真實(shí)，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(duì)比[9]，實(shí)驗(yàn)如下：

1)時(shí)間對(duì)比方面。由于一般硅酸根分析儀是單通道測(cè)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(cè)池內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，整個(gè)測(cè)量過程大約需要15 min左右，這還只是一個(gè)通道的水樣，如果是6個(gè)通道都要測(cè)量，共計(jì)約90 min左右。而此儀器可以做到6個(gè)通道水樣同時(shí)測(cè)量，只需要大約15 min左右即可測(cè)出硅酸根的濃度，節(jié)約了5倍的測(cè)量時(shí)間，體現(xiàn)出此儀器的實(shí)用價(jià)值。

2)測(cè)量精度對(duì)比。通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，在測(cè)量精度方面，此儀器測(cè)量數(shù)值的有效位數(shù)可精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，說明此儀器精度比一般實(shí)驗(yàn)室硅酸根儀器精度高，高出1%FS(滿量程)；在測(cè)量0～200×10-9的范圍內(nèi)，相對(duì)誤差更低，可靠性更高。

5 結(jié) 語

綜合運(yùn)用STM32F103C8T6單片機(jī)及其外圍芯片作用在多通道硅酸根高精度自動(dòng)分析儀中，使得此分析儀在功能與結(jié)構(gòu)上都更上一級(jí)，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(cè)。在硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外對(duì)儀表研制的基礎(chǔ)上，對(duì)硅酸根分析儀進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)了硅酸根分析儀功能性，使用觸摸組態(tài)屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)實(shí)時(shí)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(shí)測(cè)量，大大減少了反應(yīng)時(shí)間，為生產(chǎn)效率的提高做出保證。

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