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谭有广，杨俊伟，刘佳鲁

1  前言

    在乳品、饮料、啤酒及食品加工行业，为了达到食品卫生要求，对生产线上的各种反应罐、器皿和生产管线必须进行严格、定时、定期的清洗。清洗的一般程序是：酸洗―碱洗―水洗。其中，酸洗和碱洗都是用含有一定量（约1%^_~3%）的酸溶液、碱溶液清洗用过的器皿和生产管线，以去除其中的各种油类、脂类等污垢，防止管线及器皿产生细菌，保证产品达到食品卫生标准。在进行上述酸洗和碱洗的过程中，有两个问题必须保证，一是清洗溶液要保证一定的酸、碱浓度，满足清洗要求，二是废弃溶液排放时的酸、碱浓度要达到最低，以满足环保要求。因此，要满足上述控制要求，就必须要有一个关键的在线检测元件―酸、碱浓度计。

    在线检测液体的酸、碱浓度，目前常用的方法都是以检测液体电导率的方式，因为酸和碱的化学成分决定了液体的酸、碱浓度和其电导率成正比，因此通过检测液体的电导率即可确定其液体的酸、碱浓度。目前，国内的酸碱浓度计都是接触式，即以电极的形式和被测液体接触以测其电导率，以此来确定液体的酸、碱浓度。但是，这种方法有一个最致命的缺点就是电极容易被污染，严重影响了测量的准确性及使用寿命，尤其在食品行业，情况最为严重。

2  非接触式酸、碱浓度计的测量原理

    本文提出一种非接触式酸、碱浓度计, 其原理是利用电磁感应测量电导率，结构如图1所示。L1和L2是两个相互绝缘的环形电感线圈，将其固化在一起，孔是联通的。如果将上述结构的两线圈放置于被测液体，则被测液体必然穿过两线圈的联通孔，由于被测的酸、碱溶液是电介质，是导电的，因此，可把液体看作是如图2所示的模拟导体，此模拟导体穿过环形线圈L1和L2, 于是形成如图2所示的测量等效电路。在等效电路中，模拟导体是被测液体，是导电的，于是可看作是具有一定电阻的单匝线圈，此时，如果在L1线圈通以一个等幅的交流信号，由于模拟导体穿过L1磁环，则在模拟导体内必然有感应电流，同时模拟导体也穿过L2线圈磁环，于是在L2线圈内必然感应出输出信号。当在L1内的输入信号的幅度确定后，输出信号的大小将随着模拟导体内的电流的大小而变化。由于模拟导体是被测液体，其电导率与被测液体的酸、碱浓度成正比，因此通过检测L2输出信号的大小，即可测出模拟导体内电流的大小，于是即测出了模拟导体的电导率―被测液体的酸、碱浓度。

3  测量电路

    根据上述测量原理，设计出如图3所示测量电路结构框图，测量电路由三部分组成：振荡与激励电路、放大与输出电路和温度补偿电路。实际完整的电路工作原理如图4所示。

(1)  振荡与激励电路
    振荡与激励电路是给浓度检测探头L1线圈提供一个稳定的激励信号，以使当探头插入被测液体后，能够在探头L2线圈得到一个与被测液体电导率成正比的酸、碱浓度信号。为了保证输出信号的精度，激励信号的幅度和频率必须相对稳定，尤其是幅度。因此，在电路图4中，振荡与激励电路由以下元件组成：三极管T1，电阻R6、R2、R3，电容C1、C2、C3和功率放大器U01。其中，T1、R6、R2、R3和C1、C2、C3组成了电容移相式振荡器。为了使振幅稳定，振荡电路的电源采用二级稳压，即电源经过V1三端稳压电源后又经过ZD3、R7组成的基准稳压，以减少电源对振荡幅度的影响。振荡输出经R5、C7和RP1送给U01功率放大器作幅度放大后，将放大后的激励信号加在探头的L1线圈上，以形成一个振幅稳定的激励信号。

(2)  放大与输出电路
    由于在L1线圈上已经加上了一个稳定的交流激励信号，于是当由L1、L2组成的探头插入被测液体时，根据前述的电磁感应原理，在L2线圈必然产生一个与被测液体的酸、碱浓度成正比的浓度信号，该信号经D1检波，变成直流信号后，送给U02和U03进行比例放大、T2倒相，再经由U04和T4、T5组成的电压/电流转换器，使输出变为4~20mA标准电流信号，以便于与计算或二次仪表接口。

(3)  温度补偿电路
    根据前述酸、碱浓度测量原理，测量被测液体的酸、碱浓度，是通过测量被测液体的电导率，而被测液体的电导率受温度影响极大。实验证明：同一被测液体，温度每增加10℃，其电导率增加约2%。因此，要消除温度对电导率的影响，必须加温度补偿电路。

    本测量电路的温度补偿电路前端由P_t100、R16、R17、R18和RP6组成测量电桥。其中RP6为调零电位器。U05为电桥输出放大器，将放大后的输出信号输出分成两路，一路经R26、RP8送给U03作温度补偿，补偿比例的大小由RP8决定。另一路送给U06和T3，再经过U07、T6、T7组成的电压/电流转换器，将输出变为4~20mA标准电流信号，作为温度信号输出。因此温度补偿电路除了作温度补偿外，同时也作为温度测量输出信号。

图4  酸、碱浓度计电路原理图

4  电路参数及实验数据

(1)  电路参数
    本电路的检测探头由L1和L2组成，L1和L2铁心为φ30mm铁氧体磁环，L1、L2匝数均为100匝，线径为φ0.21mm。根据电路测量原理，本测量电路的L1线圈的激励信号的频率，是直接影响二次输出信号响应的线性度及精度的一个最重要因素。通过大量实验表明，在上述电路结构参数下，当激励信号的频率为2MHz时，二次感应信号的线性度、灵敏度和精度最佳，见(2)实验数据。因此，本电路激励信号频率确定为2MHz，激励信号放大器U01为LM386。温度探头为P_t100，采用耐酸、碱性能比较好的1Cr18Ni9Tia不锈钢封装，封装后的P_t100与L1和L2线圈采用耐酸、碱尼龙封装在一起，整体探头封装后的结构形式如图5所示。

(2)  实验数据
    电路实验分为两部分：一部分是酸、碱浓度的检测实验，包括精度和线性度。另一部分是温度补偿实验。

    ①  酸、碱浓度实验
    本浓度计检测范围定为：0.1%_~5.0%，因此浓度检测实验样本分别为百分比为：0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0（%）的硫酸溶液7份，容量各为300mL，并将其置于容量各为500mL的玻璃杯内。为了给输出浓度信号定标，首先将浓度探头置于0.1%浓度样本内，调节图4中的RP1使其浓度输出信号为4mA。然后再将探头放入5.0%样本内，调节RP2使浓度信号输出为20mA（满标）。随后再将探头放入其余的浓度样本，其实验数据如表1所示。

表1  酸浓度检测数据

    通过酸浓度检测实验，实验数据表明其线性度和精度可控制在3%的范围内。碱的浓度测试和上述测试结果相当，检测实验结果这里省略。

    ②  温度补偿实验

    为了能确定不同浓度在一定温度范围内的补偿效果，试验浓度分别取：0.5%、2.0%和4.0%三个样本各为300mL，测试样本液体分别放入三个500mL玻璃烧杯内加热，得出检测实验数据如表2所示。

5  结论

    本文利用模拟导体的概念，提出的非接触式酸碱浓度计测量原理，由于被测介质与电路实现了完全的水―电隔离，避免了酸、碱等强腐蚀性溶液对电极的腐蚀、污染和极化效应，使电路的可靠性和寿命得到了极大提高。通过本文提出的电路原理和实验数据可以看出，该浓度计测量线性度、精度和温度补偿特性完全可以满足在线5.0级测量精度要求。由于该仪表输出两路4~20mA标准信号，可同时监测被测液体的酸、碱浓度和温度，可接二次仪表读取浓度和温度信号，也可接计算机远传监视或与自动调节装置配合进行自动控制。本仪表已在乳品行业CIP清洗设备上试用一年多，性能稳定，温度补偿特性良好，完全可以取代目前国内正在使用的同类产品。本仪表也可应用于电力、化工、冶金、食品、制药等行业中对各种HCl、H₂SO4、NaOH、NaCl等强电解质的浓度进行高精度、连续的监测与自动控制。