软水器出水硬度在线自动检测仪的开发

原海林 伍孝荣（温州市润新机械制造有限公司 温州 325029）

软水器出水硬度在线自动检测仪的开发

原海林 伍孝荣
（温州市润新机械制造有限公司 温州 325029）

本文介绍了基于EDTA络合滴定法原理开发的软水器出水硬度在线自动检测仪的设计原理、结构特点及可靠性等，其采用润新公司多年来具有自主知识产权的成熟可靠的端面密封结构，针对特定水硬度进行定性检测分析，有助于硬度在线自动检测系统实现预警的功能，具有简便易行、可靠、经济的显著优势。

锅炉 水硬度 在线自动检测 端面密封 定性检测

1 技术背景

离子交换软化处理是工业锅炉最常用的水处理方法，根据国家标准GB/T 1576—2008 《工业锅炉水质》的规定：采用锅外水处理的蒸汽锅炉给水硬度≤0.03mmol/L，热水锅炉给水硬度≤0.6mmol/L，及时检测和严格控制软水器出水硬度是防止锅炉结垢的重要环节，对于确保锅炉安全运行和节能降耗具有重要意义。

目前我国绝大多数工业锅炉软水处理的硬度检测

2 原理设计

检测仪基于络合滴定法原理，设置有检测流道清洗、试剂定量滴取、水样定量取样、试剂和水样混合、混合水样颜色分析等工序，根据软水器出水硬度控制要求，

采用人工取样检测，不仅操作比较繁琐，运行成本高，而且往往不能及时发现软水器失效，容易造成给水硬度超标，导致锅炉水质不合格。近年来虽然市场也有在售国外进口的水硬度在线检测仪，但因价格高昂，难以普及应用。温州润新机械有限公司于2009年开始自主研发软水器出水硬度在线自动检测仪，并获得国家专利（ZL200920202172.1），经过多年的改进和推广应用，已成为一款成熟可靠，经济实惠的水硬度在线检测仪，不仅能够实时监测软水器出水硬度，而且可与软水器联动，一旦硬度超标，可输出信号启动再生，确保出水硬度符合标准要求。配制对应硬度检测试剂，置于检测仪试剂瓶中，由单片机自动控制完成检测分析。仪器自动按设置好的间隔时间，按顺序完成检测流道冲洗和试剂定量滴取后，对软水器出水进行定量取样与试剂混合后进行检测分析，当水样硬度低于控制值时，混合溶液呈蓝色；当水样硬度超标时，混合溶液呈红色。由于不同颜色水样对红外光的透光率存在差别性（颜色越深的水样透光率越低），通过设置发光装置发出红外光，由光敏传感器接收红外光透过混合溶液后的光信号，集成电路将光信号转化为电压信号，由此对水样硬度作出是否合格的定性判断。

3 结构设计

如图1所示，水硬度在线自动检测仪由控制阀芯、试剂瓶、混合腔、检测装置、集成电路等组成。控制阀芯由上、下定片和中间动片构成，采用单片机控制微型电动机通过传动机构来带动中间动片旋转，通过动片与上下两个定片形成多个流道来实现所需的冲洗、排空、取试剂、进水样、检测等功能。

图1 在线自动检测仪的构造

4 工作流程设计

为准确检测软水器的出水硬度，在线自动检测仪的一个检测周期设置有七个工步：冲洗A、排空A、进试剂、进水样、检测分析、冲洗B、排空待检。

4.1 工步1——冲洗A

检测启动时，需先将混合腔用运行中的软水器出水清洗，同时排除软水器到检测仪管路内的存水，以防其影响检测结果。液流流向如图2所示，水样从进水口经控制阀芯进入混合腔清洗后，再经控制阀芯从排水口排出。

图2 冲洗A的流向

4.2 工步2——排空A

如图3所示，将工步1冲洗后残留在混合腔里的水排除。

图3 排空的流向

4.3 工步3——进试剂

如图4所示，试剂瓶里的检测试剂在重力作用下，进入控制阀芯的中间动片上的试剂计量孔，并充满，定量滴取试剂。

图4 进试剂

4.4 工步4——进水样

如图5所示，运行中的软水器部分出水从检测仪的进水口进入，经控制阀芯将试剂计量孔里的试剂带入混合腔，并与之混合。混合腔里的空气通过排气阀排出，当混合溶液充满混合腔时排气阀自动关闭并停止进水，完成试剂和水样的定量混合。

图5 进水样

4.5 工步5——检测分析

如图6所示，试剂与水样混合均匀并静置一段时间后，发射装置发出红外线光，光透过混合溶液后由接收装置接收光强度，控制电路将光信号转变成电信号并与程序内设定的值分析比较。

图6 检测分析

4.6 工步6——冲洗B

检测结束后，软水器出水再次从检测仪进水口进入，冲洗混合腔后从排水口排出，液流流向与图2相同。

4.7 工步7——排空待检

将工步6冲洗后残留在混合腔里的水从排水口排出，液流流向与图3相同，同时显示当次检测结果，程序处于周期待检位置。

5 智能控制程序设计

全过程由微电脑智能化自动控制，LCD显示检测过程各个工步状态、工步时间倒计时、分析结果、故障信息等。

5.1 两种待检模式设置

模式一：可根据需要直接设定待检时间，可设定待检时间范围0～299min59s。

模式二：通过输入软水器树脂体积、原水硬度、平均每小时用水量等参数，控制程序自动优化待检时间，软水器制水周期初期和后期待检时间短，中期待检时间长，有利于节约试剂。

5.2 信号输出

当检测结果大于设定的硬度上限值时，控制程序发出声光报警，并输出信号控制软水器启动再生。

6 可靠性设计

6.1 控制阀芯设计

采用端面密封结构的控制阀芯设计，简单易行的实现检测过程各个工步的流道通断。

6.2 试剂的精确计量

中间动片采用高硬度、高耐磨的陶瓷材料，在动片上设置有试剂计量孔，通过研磨动片高度和试剂计量孔直径将计量孔容积误差控制在±0.4%。

6.3 混合腔的设计

混合腔用于计量定量水样，混合腔的设计容积适度大于理论计算的定量试剂和定量水样的容积之和。这样设计的目的是适度增加所取水样的量，也就增加了和试剂反应的Ca2+、Mg2+离子量，当软水器出水硬度接近规定硬度上限值时适度提前报警，确保在线定性检测的可靠性,并增加安全系数。例如蒸汽锅炉给水硬度控制上限为0.03mmol/L，在线检测仪在软水器出水硬度为0.025mmol/L时就发出水硬度不合格的预警信号。

6.4 水流信号脉冲器的设计

检测仪配置有脉冲器安装于软水器出水管路上，脉冲器的基本原理是在水流作用下使叶轮转动，壳体上的霍尔元件感应叶轮上的磁铁磁信号而产生脉冲信号在软水器再生或软水箱水满，软水器暂停制水时，出水管路无水流动，脉冲器便无脉冲信号输出，程序控制检测仪停留在待检位置直到接收到脉冲信号，即未收到脉冲信号时，暂停检测。这样既节约试剂，又可防止无水流动导致误检误报。

6.5 试剂瓶的设计

试剂瓶的设计利用了自吸袋的原理，在大气压作用下自动滴取试剂。

6.6 缺试剂报警的设计

在试剂耗完时，检测仪检测到的电信号比蓝色水样和紫红色水样都大，很容易识别。另外根据试验验证一袋试剂的可检测次数，控制程序设定了缺试剂报警，出现缺试剂报警时，用户需及时更换新试剂瓶。

6.7 进水样流道的设计

进水样流道的设计至关重要，需充分考虑试剂粘度、混合腔排气速度的影响，设计不合理会导致试剂混合不充分或进水样不足。进水样流道采取在下定片设计为喷射小孔、上定片为较大孔的流道设计，在混合水样进混合腔时设置有布水器缓冲水流冲击，使混合腔内的空气匀速排出，以保证定量获取水样并与试剂充分混合，确保检测分析准确无误。

6.8 控制程序智能保护

1）停（断）电来电后检测装置回到排空待检位置，避免来电后误报。

2）检测启动后，在任一工作过程中，如果检测到5s以上没有水，则此次检测结果无效。

3）检测分析过程中，如果系统检测到试剂用完，停止检测，返回到排空待检工位，并显示“缺试剂”界面，提醒用户及时更换试剂。如未能及时更换，则脉冲器感应到水流10h后，检测装置发出信号强制软水器启动再生，以免软水器失效而导致出水硬度超标。

4）程序智能检测集成电路、电动机、发射装置及接收装置的正常和故障情况。

7 测定范围及准确度

针对锅炉给水硬度常见的两种硬度上限，检测仪提供0.03mmol/L和0.6mmol/L两种报警上限的检测试剂。理论上在已知定量取样水和试剂容积的前提下，只需要改变试剂中的EDTA的含量，就可以实现软水器不同出水硬度上限值的定性分析。

本检测仪所提供的0.03mmol/L和0.6mmol/L两种报警上限的检测试剂，出厂配制时EDTA的含量分别以0.03mmol/L和0.6mmol/L的水硬度作为滴定终点，表1列出了以一台型号为RA-1000B的家用软水机的出水在线检测结果（检测仪采用报警上限值为0.03mmol/L的检测试剂，间隔5min检测一次，人工配制硬度0.03mmol/L的定量水样和试剂终点滴定时的混合溶液置于检测仪检测得到的电压值为0.51V，此值为检测仪出厂设定的上限报警电压值）。

表1 RA-1000B的家用软水机的出水在线检测结果

当软水机出水硬度超标时，检测仪发出DC5V的有源信号传送到软水机的远程控制端口，即时控制软水机启动再生。运行——检测——再生，如此反复进行了50次的在线检测验证，主要技术指标一致性良好，准确度高。

8 应用案例

2011年在河北石家庄某制药厂安装的两台检测仪（见图7），分别用于在线监测两台设计产水量为100t的软水器的出水硬度，软水器出水硬度上限要求≤0.03mmol/L，用户在多个制水周期终点采样人工滴定比对，检测仪检测结果与人工滴定结果吻合，至今两台检测仪均运行正常。

图7 应用案例

用户在前期应用验证，产水量达到100t时人工强制检测仪启动检测，然后每增加10t强制检测一次，同时人工取样滴定出水硬度，验证数据见表2。

表2 每增加10t产水量验证数据

9 结论与展望

据统计数据显示全球的锅炉总量近千万台，锅炉用水硬度检测主要还停留在较为原始的人工滴定分析，本文介绍的水硬度在线自动检测仪，采用润新公司创新开发、取得多国专利，拥有自主知识产权、成熟可靠的端面密封结构的控制阀芯设计和众多智能可靠性设计，简单易行且可靠地实现了水硬度在线自动定性检测分析，经济实用，是国内外中小型企业都用得起的先进产品。通过试验验证和市场推广应用，该检测仪有助于硬度在线自动检测系统实现预警的功能，提高锅炉给水硬度合格率，具有良好的经济效益和社会效益。展望未来，该产品还可以进一步通过互联网加的新概念，实现网络远程监控，促进我国锅炉水处理达到国际先进水平。

[1] 李亚丽，王小锋. 工业用水总硬度在线检测方法探索[J]. 南京晓庄学院学报，2013，03：57-60.

[2] 王文理，李盼盼，王虹. 锅炉水硬度自动检测装置设计[J]. 化工自动化及仪表，2010，11：38-41.

[3] 杨天亮，施书艺，伍孝荣，等. 一种流体在线取样检测设备：中国专利，ZL200920202172.1[P].

Development of Outlet Water Hardness Online Automatic Monitoring Instrument for Softener

Yuan Hailin Wu Xiaorong
(Wenzhou Runxin Manufacturing Machine CO., LTD. Wenzhou 325029)

This article has introduced the design principle, construction features and reliability of Outlet Water Hardness Online Automatic Monitoring Instrument for softener that is developed based on EDTA compleximetry. It adopts hermetic head faces construction, which is Runxin’s matured and reliable intellectual-property for years. This Instrument is used on the species of qualitative detection and analysis for specific water, and definitely can substitute the traditional manual inspection. It is more convenient, reliable and economical.

Boiler water hardness Online automatic monitoring instrument Hermetic head faces construction Qualitative detection

X924.2

B

1673-257X(2015)12-0062-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.12.013

原海林 (1974～)，男，本科，工程师，从事变压吸附空气分离与净化技术、阀门设计、水处理软化、除盐、除铁锰过滤净化等工作。

2015-05-18）