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譚有廣，楊俊偉，劉佳魯

1  前言

    在乳品、飲料、啤酒及食品加工行業，為了達到食品衛生要求，對生產線上的各種反應罐、器皿和生產管線必須進行嚴格、定時、定期的清洗。清洗的一般程序是：酸洗―堿洗―水洗。其中，酸洗和堿洗都是用含有一定量（約1%^_~3%）的酸溶液、堿溶液清洗用過的器皿和生產管線，以去除其中的各種油類、脂類等污垢，防止管線及器皿產生細菌，保證產品達到食品衛生標準。在進行上述酸洗和堿洗的過程中，有兩個問題必須保證，一是清洗溶液要保證一定的酸、堿濃度，滿足清洗要求，二是廢棄溶液排放時的酸、堿濃度要達到最低，以滿足環保要求。因此，要滿足上述控制要求，就必須要有一個關鍵的在線檢測元件―酸、堿濃度計。

    在線檢測液體的酸、堿濃度，目前常用的方法都是以檢測液體電導率的方式，因為酸和堿的化學成分決定了液體的酸、堿濃度和其電導率成正比，因此通過檢測液體的電導率即可確定其液體的酸、堿濃度。目前，國內的酸堿濃度計都是接觸式，即以電極的形式和被測液體接觸以測其電導率，以此來確定液體的酸、堿濃度。但是，這種方法有一個最致命的缺點就是電極容易被污染，嚴重影響了測量的準確性及使用壽命，尤其在食品行業，情況最為嚴重。

2  非接觸式酸、堿濃度計的測量原理

    本文提出一種非接觸式酸、堿濃度計, 其原理是利用電磁感應測量電導率，結構如圖1所示。L1和L2是兩個相互絕緣的環形電感線圈，將其固化在一起，孔是聯通的。如果將上述結構的兩線圈放置于被測液體，則被測液體必然穿過兩線圈的聯通孔，由于被測的酸、堿溶液是電介質，是導電的，因此，可把液體看作是如圖2所示的模擬導體，此模擬導體穿過環形線圈L1和L2, 于是形成如圖2所示的測量等效電路。在等效電路中，模擬導體是被測液體，是導電的，于是可看作是具有一定電阻的單匝線圈，此時，如果在L1線圈通以一個等幅的交流信號，由于模擬導體穿過L1磁環，則在模擬導體內必然有感應電流，同時模擬導體也穿過L2線圈磁環，于是在L2線圈內必然感應出輸出信號。當在L1內的輸入信號的幅度確定后，輸出信號的大小將隨著模擬導體內的電流的大小而變化。由于模擬導體是被測液體，其電導率與被測液體的酸、堿濃度成正比，因此通過檢測L2輸出信號的大小，即可測出模擬導體內電流的大小，于是即測出了模擬導體的電導率―被測液體的酸、堿濃度。

3  測量電路

    根據上述測量原理，設計出如圖3所示測量電路結構框圖，測量電路由三部分組成：振蕩與激勵電路、放大與輸出電路和溫度補償電路。實際完整的電路工作原理如圖4所示。

(1)  振蕩與激勵電路
    振蕩與激勵電路是給濃度檢測探頭L1線圈提供一個穩定的激勵信號，以使當探頭插入被測液體后，能夠在探頭L2線圈得到一個與被測液體電導率成正比的酸、堿濃度信號。為了保證輸出信號的精度，激勵信號的幅度和頻率必須相對穩定，尤其是幅度。因此，在電路圖4中，振蕩與激勵電路由以下元件組成：三極管T1，電阻R6、R2、R3，電容C1、C2、C3和功率放大器U01。其中，T1、R6、R2、R3和C1、C2、C3組成了電容移相式振蕩器。為了使振幅穩定，振蕩電路的電源采用二級穩壓，即電源經過V1三端穩壓電源后又經過ZD3、R7組成的基準穩壓，以減少電源對振蕩幅度的影響。振蕩輸出經R5、C7和RP1送給U01功率放大器作幅度放大后，將放大后的激勵信號加在探頭的L1線圈上，以形成一個振幅穩定的激勵信號。

(2)  放大與輸出電路
    由于在L1線圈上已經加上了一個穩定的交流激勵信號，于是當由L1、L2組成的探頭插入被測液體時，根據前述的電磁感應原理，在L2線圈必然產生一個與被測液體的酸、堿濃度成正比的濃度信號，該信號經D1檢波，變成直流信號后，送給U02和U03進行比例放大、T2倒相，再經由U04和T4、T5組成的電壓/電流轉換器，使輸出變為4~20mA標準電流信號，以便于與計算或二次儀表接口。

(3)  溫度補償電路
    根據前述酸、堿濃度測量原理，測量被測液體的酸、堿濃度，是通過測量被測液體的電導率，而被測液體的電導率受溫度影響極大。實驗證明：同一被測液體，溫度每增加10℃，其電導率增加約2%。因此，要消除溫度對電導率的影響，必須加溫度補償電路。

    本測量電路的溫度補償電路前端由P_t100、R16、R17、R18和RP6組成測量電橋。其中RP6為調零電位器。U05為電橋輸出放大器，將放大后的輸出信號輸出分成兩路，一路經R26、RP8送給U03作溫度補償，補償比例的大小由RP8決定。另一路送給U06和T3，再經過U07、T6、T7組成的電壓/電流轉換器，將輸出變為4~20mA標準電流信號，作為溫度信號輸出。因此溫度補償電路除了作溫度補償外，同時也作為溫度測量輸出信號。

圖4  酸、堿濃度計電路原理圖

4  電路參數及實驗數據

(1)  電路參數
    本電路的檢測探頭由L1和L2組成，L1和L2鐵心為φ30mm鐵氧體磁環，L1、L2匝數均為100匝，線徑為φ0.21mm。根據電路測量原理，本測量電路的L1線圈的激勵信號的頻率，是直接影響二次輸出信號響應的線性度及精度的一個最重要因素。通過大量實驗表明，在上述電路結構參數下，當激勵信號的頻率為2MHz時，二次感應信號的線性度、靈敏度和精度最佳，見(2)實驗數據。因此，本電路激勵信號頻率確定為2MHz，激勵信號放大器U01為LM386。溫度探頭為P_t100，采用耐酸、堿性能比較好的1Cr18Ni9Tia不銹鋼封裝，封裝后的P_t100與L1和L2線圈采用耐酸、堿尼龍封裝在一起，整體探頭封裝后的結構形式如圖5所示。

(2)  實驗數據
    電路實驗分為兩部分：一部分是酸、堿濃度的檢測實驗，包括精度和線性度。另一部分是溫度補償實驗。

    ①  酸、堿濃度實驗
    本濃度計檢測范圍定為：0.1%_~5.0%，因此濃度檢測實驗樣本分別為百分比為：0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0（%）的硫酸溶液7份，容量各為300mL，并將其置于容量各為500mL的玻璃杯內。為了給輸出濃度信號定標，首先將濃度探頭置于0.1%濃度樣本內，調節圖4中的RP1使其濃度輸出信號為4mA。然后再將探頭放入5.0%樣本內，調節RP2使濃度信號輸出為20mA（滿標）。隨后再將探頭放入其余的濃度樣本，其實驗數據如表1所示。

表1  酸濃度檢測數據

    通過酸濃度檢測實驗，實驗數據表明其線性度和精度可控制在3%的范圍內。堿的濃度測試和上述測試結果相當，檢測實驗結果這里省略。

    ②  溫度補償實驗

    為了能確定不同濃度在一定溫度范圍內的補償效果，試驗濃度分別取：0.5%、2.0%和4.0%三個樣本各為300mL，測試樣本液體分別放入三個500mL玻璃燒杯內加熱，得出檢測實驗數據如表2所示。

5  結論

    本文利用模擬導體的概念，提出的非接觸式酸堿濃度計測量原理，由于被測介質與電路實現了完全的水―電隔離，避免了酸、堿等強腐蝕性溶液對電極的腐蝕、污染和極化效應，使電路的可靠性和壽命得到了極大提高。通過本文提出的電路原理和實驗數據可以看出，該濃度計測量線性度、精度和溫度補償特性完全可以滿足在線5.0級測量精度要求。由于該儀表輸出兩路4~20mA標準信號，可同時監測被測液體的酸、堿濃度和溫度，可接二次儀表讀取濃度和溫度信號，也可接計算機遠傳監視或與自動調節裝置配合進行自動控制。本儀表已在乳品行業CIP清洗設備上試用一年多，性能穩定，溫度補償特性良好，完全可以取代目前國內正在使用的同類產品。本儀表也可應用于電力、化工、冶金、食品、制藥等行業中對各種HCl、H₂SO4、NaOH、NaCl等強電解質的濃度進行高精度、連續的監測與自動控制。