专利名称：循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种监测仪器，尤其是用于工业循环冷却水水质稳定剂在线自动监测装置。
背景技术：
在钢厂、电厂的工业循环冷却水系统中，钙、镁离子浓縮造成用水设备或水处理设备表 面结垢，降低传热效率，甚至堵塞管道，于是各种水质稳定剂得到广泛使用。为保持缓蚀、 阻垢的持续效果，需保持循环水中水质稳定剂的含量在一定范围。若浓度不足，则不能发挥 水处理剂的作用；若浓度过高，则造成浪费，且给循环水系统带来负面影响。因而如何快速、 准确地测定水质稳定剂的浓度至关重要。
在实际生产过程中，由于水质稳定剂通常含磷，故多数单位采用人工采样检测水样的总 磷含量、人工添加水质稳定剂的方法，此法费时费力，且获得数据之时大大滞后于实际，不 能做到实时控制水质稳定剂浓度。虽然总磷含量测定分析仪已经投入商业使用，如美国哈希 公司的Phosphax E Sigma总磷在线分析仪，在高温、高压下，其采用酸性过硫酸钾快速消 解法，测定一个样用时10min左右，其检测原理仍然与手工分析方法相同，需要加入多种药 剂，仪器维护量大，测样周期长，不适应在循环水系统中使用。
国外的水处理公司在监测方面的技术相对先进，已开发了一些在线监测与控制仪器，并 在实际生产中使用。美国Nalco公司于20世纪90年代初开发了一种名为TRASAR技术， 其测定方法是在水质稳定剂的有效成分上链接荧光基团，利用在线荧光检测器检测其荧光强 度，以实时控制水质稳定剂含量。我国引进此项技术的单位很少，主要原因是这种水质稳定 剂的价格昂贵。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种可实现对工业循环冷却水中水质稳定剂含量的在线检测和 实时控制的循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪。
本发明设有左入射光源和右入射光源、流通池、信号过滤聚焦装置、信号转换装置、信 号处理显示装置、计算机、RS232串行接口和加料泵；信号过滤聚焦装置设有聚焦透镜和窄 带滤光片，信号转换装置设有光电转换器和信号前置放大器，信号处理显示装置设有控制处 理器、显示屏和键盘；左入射光源和右入射光源设于流通池的两侧，聚焦透镜位于流通池的下方，窄带滤光片设于聚焦透镜的下方，窄带滤光片的滤出光束经光电转换器转换后的电信 号输出端接控制处理器的1/0 口，显示屏的输入端接控制处理器的1/0 口，键盘的输出端接 控制处理器I/O 口 ，控制处理器的I/O 口通过RS232串行接口接计算机的RS232串行接口 ， 加料泵与控制处理器的I/O 口连接。
左入射光源和右入射光源可以采用高亮度单色发光二极管、加滤光片的卤素灯或激光光 源。流通池可为石英玻璃管。显示屏可采用液晶显示屏。
本发明另可设置RS232串行接口，外接打印机等设备，以便对检测的数据进行保存与 打印等，还可实现对仪器发出定时启动检测的控制。
位于流通池两侧的左入射光源和右入射光源激发流经流通池的循环水中的荧光示踪剂 特征基团，信号过滤聚焦装置对所产生的荧光信号进行光聚焦和过滤，信号转换装置将采集 的光信号转换成电流信号，并将该电流信号进行放大处理后得到相应频率值的脉冲信号；控 制处理器对频率脉冲信号进行处理和发出相应的控制信号，仪器参数通过键盘输入，设定的 参数和处理结果在显示屏显示。
本发明基于荧光示踪技术，对仪器关键模块的性能进行了优化，实现了对荧光微弱信号 的高精度稳定检测，保证了仪器性能的可靠性。因采用了荧光示踪技术，间接地对循环冷却 水中水质稳定剂含量在线监测和适时控制，其与己投入商业使用的总磷含量测定分析仪相比 较，仪器的设计上更简单，测样的周期更短。因而非常适用于工业中对循环冷却水系统的水 质稳定剂浓度的的监测和控制。其具有如下特点
1) 操作简单，自动化程度高，可实现对循环冷却水水质稳定剂含量在线检测和实时控 制，节省大量的人力物力。
2) 测量的结果精密度高，仪器的检测下限可达1 mg/L，且可经常对仪器进行定标校正， 保证检测数据的可靠性。
3)经过更换惰性荧光示踪剂、监测仪的光源和滤光片，即可应用于其它任何荧光示踪 剂技术适用的在线监测场合，具有广阔的市场前景和显著的社会经济效益。
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的系统程序流程。
图3为本发明实施例的控制处理器的引脚图。
图4为本发明实施例的信号转换装置和信号处理显示装置电路组成原理图。
图5为本发明实施例的荧光示踪剂浓度与总磷浓度的相关曲线图。在图5中，横坐标为
4总磷浓度(pg/mL)，纵坐标为荧光示踪剂浓度(ng/mL)，其中y=58.553X+68.105， R2=0.969。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
参见图l，本发明设有左入射光源31和右入射光源32、流通池2、信号过滤聚焦装置、 信号转换装置、信号处理显示装置、RS232串行接口 11、加料泵12和计算机13;信号过滤 聚焦装置设有聚焦透镜4和窄带滤光片5，信号转换装置设有光电转换器6和信号前置放大 器7，信号处理显示装置设有控制处理器8、液晶显示屏9和键盘10;左入射光源31和右 入射光源32设于流通池2的两侧，聚焦透镜4位于流通池2的下方，窄带滤光片5设于聚 焦透镜4的下方，窄带滤光片5的滤出光束经光电转换器6转换后的电信号输出端接控制处 理器8的I/O 口 ，液晶显示屏9的输入端接控制处理器8的I/O 口 ，键盘10的输出端接控制 处理器8的I/O 口 ，控制处理器8的I/O 口通过RS232串行接口 11接计算机13的RS232 串行接口，加料泵12与控制处理器8的I/O 口连接。
通过循环冷却水水管的旁通管，将少量循环水样1实时引至流通池2;相向的左入射光 源31和右入射光源32以一定频率脉冲激发循环水中的荧光示踪剂特征基团，产生特定波长 的荧光信号，聚焦透镜4和窄带滤光片5对所产生的荧光信号进行光聚焦和过滤后，信号送 至光电转换器(硅光电二极管)6将微弱的光信号转换成微弱的电流信号；信号前置放大器 7将该电流信号进行放大处理后得到相应频率值的脉冲信号;控制处理器8采集此频率信号， 计算出水中荧光示踪剂浓度，按水质稳定剂和荧光示踪剂投加比例换算出当前水质稳定剂的 浓度值。此数值不仅可以在在线监测仪的液晶显示屏9上显示，还可经RS232串行接口 11， 采用RS232协议送计算机13显示。控制处理器8还可将测得的浓度值与所设的界定值比较， 控制用于加入水质稳定剂的加料泵12的开启和关闭，使水质稳定剂保持在要求的范围内。 键盘IO用于输入仪器参数。
本发明的系统程序流程参见图2。
函数首先完成的是对单片机系统初始化，在液晶显示屏上显示开机界面，然后读取固定 参数，对键盘进行扫描，并做出判断。若按下START键，将进行样品浓度检测；若按下MENU 键，将进行设置界面的切换，包括定标设置、定时间隔设置、界定浓度设置以及显示时间调 整等4个设置界面，可根据具体情况对各个界面的参数进行设置。
控制处理器设有单片机HT46R24、时钟芯片BL5732、 RS232电平转换芯片MAX232N、 串行EPROM AT24C256存储芯片(存储字库及系统固定参数)、大功率NMOS管IRF630 (驱 动加料泵)、定时芯片LM555构成的lkHz的多谐振荡器(驱动入射光源)，以及薄膜按键和液晶模块AM128128的驱动接口电路等。
单片机的输入输出控制(如图3所示)如下端口 1， 2， 27， 28为键盘的行-输入控制 信号线，端口3， 4， 5, 6为键盘的列输入控制信号线，键盘为4X4行列式键盘输入控制， 系统上电复位后，就开始调用键盘扫描子程序对4X4行列式键盘的输入端口进行扫描，单 片机中PB4 PB7端口作为键盘的行输入端口， PA0 PA3端口作为键盘的列输入端口。若 有按键按下，则延时10ms进行再次扫描；若仍然有键按下，则调用按键査询子程序进行査 询，进行相应处理。端口7， 8， 9， 10， 12， 13为液晶显示屏的输出控制信号线，液晶显示 屏为FSTN，点阵格式为128X128。单片机各端口对应于液晶显示屏的引脚，端口7对应的 是液晶显示屏的S6B0741控制器片选端，端口 8对应的是液晶显示屏的背景使能端，端口9 对应的是液晶显示屏的S6B0741控制器复位信号端，端口 IO对应的是液晶显示屏的串口数 据信号端，端口 12对应的是液晶显示屏的指令与数据选择信号端，端口 13对应的是液晶显 示屏的串口时钟信号端。仪器启动后，从存储器EPROM AT24C256中调用己存储好的字 显示在液晶显示屏上。端口 25， 26连接电平转换芯片MAX232N的T2IN和R20UT引脚， 采用USART的异步发送模式进行数据的传输。端口 18为前置放大器模块输出的频率信号 线，端口 24为加料泵输出控制信号线。
参见图4，硅光电二极管将接到的荧光信号转换成微弱的电流信号，该电流信号经过一 个由运放CA3140构成的积分放大电路进行前置放大，该放大器的RC取值使其频率带宽达 4.976kHz，远宽于lkHz的荧光信号带宽。放大了的荧光信号经过电容C4之后，其中的直流噪 声干扰信号将被滤除，波形整体下移，然后再由放大器AD706进行检波，只保留正向电平。 由截止频率为6Hz的二阶有源积分低通滤波器进一步滤除高频段的噪声后，荧光信号由lkHz 交变信号变为直流信号，该信号经过AD650的V/F转换器后变成相应频率值的脉冲信号。
以下给出本发明的使用示例
向循环冷却水动态模拟装置中加入250 L钢厂循环水补充水，作为系统的循环冷却水。 按每升水中含250吗的荧光示踪剂和50 mg水质稳定剂的比例，即荧光示踪剂浓度与水质稳 定剂浓度为1:200，投加试剂，运行装置。
在使用本发明对水样进行测定前，需先对仪器进行定标校正工作，根据水样中荧光示踪 剂浓度值，配制涵盖该点浓度值的上、下标液，为减小测定误差，上、下标液的浓度值间的 差值不宜过大， 一般将下标液的浓度值设置为水样浓度值的一半；上标液的浓度值设置为2 倍的水样浓度值。如本次动态模拟实验初始浓度为250 ng/mL，所配置的上、下定标溶液浓 度值分别为100 ng/mL和500 ng/mL。接通电源后，液晶显示屏进入开机界面，按"MENU"键进入第一个设置界面，按"ENTER" 键确认，对该界面进行操作，此时将出现"*"选择指针，按"ENTER"键选择"定标下限"， 再按"CLR"键清除原来所保存的定标浓度值，输入所需定标下限溶液浓度值100ng/mL。 点击"ENTER"键确定后，再按"START"键，仪器进入定标操作，界面显示为"定标下 限100ng/mL"，约一 min后退出该显示界面，结束下标液定标操作。按以上操作，对仪器 进行上标液定标操作。
在第一个设置界面内，对界定浓度值和定时间隔进行设定。设定好各参数后，退出至开 机界面，按"START"键，便切换到样品检测界面，对当前的水样中荧光示踪剂浓度进行检 测。每秒钟刷新一次当前所检测到的浓度值，3min后，对最后10组数据求平均值，作为最后 测定结果。
每2h测定一次水样，24 h连续在线监测荧光示踪剂浓度；在自动监测仪分析的同时， 取水样进行总磷常规化学分析。甜期实验表明，荧光示踪剂的稳定性和抗干扰能力优良，除 受杀生剂影响使强度有所衰减外，其它物质对其无任何影响。故实验进行一段时间后，按照 工厂日常运行的剂量投加氧化性杀生剂和非氧化性杀生剂，分别观察它们对荧光示踪剂的影 响。实验持续时长6天，共获得72个数据点。
比较两方法的数据，得荧光示踪剂浓度与总磷浓度之间的线性相关曲线，其线性拟合方 程为y=58.553x+298.11(n=72,R2=0.969),其中y为荧光示踪剂浓度(ng/mL)， x为总磷 浓度(pg/mL)。如图5的荧光示踪剂浓度与总磷浓度的相关曲线表明，在杀生剂等干扰物 质存在的条件下，荧光示踪剂浓度与总磷浓度之间仍然有很好的相关性，完全可以通过监测 荧光示踪剂浓度，间接监测水处理药剂浓度。
权利要求
1.循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪，其特征在于设有左入射光源和右入射光源、流通池、信号过滤聚焦装置、信号转换装置、信号处理显示装置、计算机、RS232串行接口和加料泵；信号过滤聚焦装置设有聚焦透镜和窄带滤光片，信号转换装置设有光电转换器和信号前置放大器，信号处理显示装置设有控制处理器、显示屏和键盘；左入射光源和右入射光源设于流通池的两侧，聚焦透镜位于流通池的下方，窄带滤光片设于聚焦透镜的下方，窄带滤光片的滤出光束经光电转换器转换后的电信号输出端接控制处理器的I/O口，显示屏的输入端接控制处理器的I/O口，键盘的输出端接控制处理器I/O口，控制处理器的I/O口通过RS232串行接口接计算机的RS232串行接口，加料泵与控制处理器的I/O口连接。
2. 如权利要求1所述的循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪，其特征在于左入射光 源和右入射光源为高亮度单色发光二极管、加滤光片的卤素灯或激光光源。
3. 如权利要求1所述的循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪，其特征在于流通池为 石英玻璃管。
4. 如权利要求1所述的循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪，其特征在于显示屏为 液晶显示屏。
5. 如权利要求1所述的循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪，其特征在于控制处理 器设有HT46R24单片机、时钟芯片BL5732、 RS232电平转换芯片MAX232N、串行EPROM AT24C256存储芯片、大功率NMOS管IRF630、定时芯片LM555构成的lkHz的多谐振荡 器，以及薄膜按键和液晶模块AM128128的驱动接口电路。
全文摘要
循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪，涉及一种监测仪器。提供一种可实现对工业循环冷却水中水质稳定剂含量的在线检测和实时控制的循环冷却水水质稳定剂在线自动监测仪。包括入射光源、流通池、信号过滤聚焦装置、信号转换装置和信号处理显示装置；位于流通池两侧的入射光源激发流经流通池的循环水中的荧光示踪剂特征基团，信号过滤聚焦装置对所产生的荧光信号进行光聚焦和过滤，信号转换装置将采集的光信号转换成电流信号，并将该电流信号进行放大处理后得到相应频率值的脉冲信号；信号处理显示装置对频率脉冲信号进行处理和发出相应的控制信号，以及输入设定的参数和显示处理结果。其灵敏度、准确度高，可实现循环水药剂的自动添加、连续检测。
文档编号G01N33/18GK101303303SQ20081007130
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者庆 付, 刘锡尧, 臻 章, 袁东星, 郝玉凤, 陈进顺, 剑 马 申请人:厦门大学;上海久安水质稳定剂厂