1仪器测量原理

硫酸溶液的浓度与电导率是相关的［1］。仪器根据不同浓度硫酸溶液存在不同的导电能力，通过对被测硫酸溶液电导率和温度的测量来计算出被测硫酸溶液的浓度。

在25℃的固定温度下，随着硫酸浓度的增大，曲线将出现拐点，因此，将出现同一个电导率值对应两个浓度值的情况。制造一种测量范围同时包括所有测量点的分析仪是不可能也是不必要的。那么将溶液浓度范围以拐点为基准进行分段，溶液的电导率和浓度是一一对应的，只要建立简单的浓度与电导率数值对照表，在电导率测出的条件下，通过查表算法即可求得到溶液的浓度。然而溶液的电导率与温度也具有很大相关性。温度越高，电导率变化也越大，且不同浓度下电导率温度系数也都不同。在温度的作用下，溶液浓度与电导率的关系呈现出曲面的特性。在实际工艺条件下，溶液的温度浓度都是在不停的变化中，无法再通过单一的查表法来求取溶液浓度。在此，技术人员采用多项式回归的方法，将溶液浓度对电导率及温度的曲面关系建立成一个数学模型公式，通过该模型公式结合实时测出的温度及电导率数据**终计算出溶液浓度。仪器电导率测量是基于法拉第电磁感应原理，其测量原理见图1。

采用环形磁芯绕制的传感器，放置于被测介质溶液中，包围传感器的溶液通过中心孔形成电介质溶液回路，溶液回路等效电阻Ｒe=K/Xe，(K为传感器常数)。当励磁线圈T1的绕组输入一交流电压U1时，副回路中(由被测介质构成)会产生感应电流Ie。由于Ie的作用，检测线圈T2绕组就有感应电动势U2产生。溶液回路感应电流Ie的大小，由溶液等效电阻Ｒe，也就是溶液电导率Xe决定。这样在检测线圈上可得到随电导率而变化的感应电动势U2，通过计算能测量出溶液电导率。检测线圈副边输出电压**大值和其他各量间的关系式如下。

通过式(1)，在L2、ω、N1、N2、K、U1m为固定值时，感应电压U2m与溶液电导率Xe成线性关系。分析仪正是利用这一关系进行测量。

2仪器硬件结构设计

仪器主要结构由检测器、信号处理器两部分组成。

2.1检测器

检测器由电磁传感器、变送器组成，变送器则由铸铝工字型防护罩及线路板组成检测器的电路部分构成。基于电磁感应原理，分析仪的电磁传感器设计了由激磁、励磁两个磁芯分别缠绕漆包线制成的电磁感应传感器，传感器通过耐腐蚀的氟材料将传感器封装［2］。

2.1.1磁芯材料选择

通过对铁氧体、坡莫合金、硅钢片等不同磁芯材料进行实验分析，发现硅钢片铁芯具有较好的磁电性能，高频下损耗急剧增加，一般使用频率不超400Hz;坡莫合金高磁电性能，磁性能稳定，但频率大于20kHz时，损耗和有效磁导率不理想，价格较贵，加工和热处理复杂。铁氧体高磁电性能、磁性能稳定、衰减率低、温度特性良好，在不易饱和，在200kHz以内频率特性稳定，易加工。通过对几种常见的磁芯材料对比，分析仪选择采用铁氧体磁芯材料磁环作为传感元件。

2.1.2电磁传感器的研制

通过感应信号大小及频率响应特性的试验，制作了主副线圈绕制导线匝比为200∶100的电磁感应线圈，并与温度传感元件Pt100密封于耐腐蚀的氟塑料壳体内。

把绕制好的两个线圈同Pt100封装在加工好的聚四氟乙烯壳体内，测出磁头常数，安装于测量槽内。当测量槽内浸满被测介质时，通过电磁感应原理，传感器输出一个和介质浓度对应的电导信号。与此同时，传感器内封装的Pt100温度传感器输出和被测介质温度对应的温度电流信号。

2.2信号处理器

信号处理器是将检测器传来的电导、温度信号经计算机处理，算出对应的浓度信号，送至液晶屏显示，并输出4～20mA的电流信号，其框图示意见图2。

计算机由89C51系列单片机作为中央芯片，AD7705用作数据采样芯片，X5045用作数据存贮器，外围配有AT24C512作为存储芯片，DS1302作为时钟芯片，HG160128大屏幕液晶显示器，五位按键由计算机直接识别［3］。

3仪器现场使用

3.1仪器的安装

1)取样点的选择。硫酸生产中，当吸收酸w(H2SO4)在98.3%左右时吸收效果**好。仪表样酸取自何处才能有效地控制吸收酸的浓度?以酸泵—上吸收塔—下塔—阳极保护器—循环槽的工艺流程为例，在产酸或向w(H2SO4)93%酸循环槽内串酸均由上塔酸分流出去，因此，仪表样酸取自泵出口的上塔酸管道，有利于控制上吸收塔的酸浓与产酸浓度。当串入w(H2SO4)93%酸循环槽的w(H2SO4)98%酸得到控制后，也利于干燥酸酸浓的稳定。此外，由于上塔酸经酸泵搅拌浓度比较均匀，压力较大，则取样阀门不易堵塞，利于仪表正常运行。检测器安装示意见图3。

2)避免干扰。传感器安装点除了要求震动小、工作方便外应无强磁场干扰，传感器与变送器之间的连接电揽应单独穿于接地良好的铁管之中。

3)尽量减小仪表测量滞后时间，采用直径25mm采样管不可太长，避免使用太粗的采样管。

3.2仪表日常维护

仪表的传感器采用聚四氟乙烯封装，一般不会渗酸。变送器采用集成运放电路，全套仪表可靠性高，使用寿命长，日常维护量小。仪表正常运行后，应保持清洁，防止酸雾、灰尘等侵蚀接插件。注意通过测量槽的样酸流量是否正常，防止控制取样阀门因震动或损坏以及取样管道堵塞而引起的样酸流量的变化或不稳。仪表与化学分析的对照，在运行初期一般每月对照1～2次。仪表同手工分析时应做到“三同时”:同一时间、同一地点、同一人，以确保仪表准确性。

4现场运行

分体式电磁流量计在某公司60kt/a硫铁矿制酸装置现场使用，硫酸分析仪一吸酸浓显示数据与手工分析数据对比见表1。表1硫酸分析仪一吸酸浓显示数据与手工分析

表1是该公司一吸上塔酸酸泵出口酸温为60℃时仪表测量数据，手工分析与仪表**大偏查质量分数0.15%。经1年多运行，该仪表稳定可靠，给操作带来极大方便，有效控制操作指标，确保了生产出合格产品，提高经济效率，对工艺有指导意义。

5分体式电磁流量计延伸应用前景

5.1用作高温w(H2SO4)98%硫酸浓度表

随着工艺改变，许多厂检测酸温大于100℃、小于200℃的w(H2SO4)98%酸浓，插入式98传感器就不能用在这种场合，因为插入式传感器使用酸温小于100℃，大于100℃聚四氟乙烯磁头易变形，绕制激磁线圈及励磁线圈漆包线绝缘性能下降，严重时会短路，导致传感器无法工作。变传感器插入式方式为流通式传感器方式，流通式方式中激磁线圈及励磁线圈组成一对环形线圈制作磁头，封装在聚丙烯材料内，不与酸直接接触，固定于专门配制内衬聚四氟乙烯短接管路外面，磁头感受温度不是介质酸温，而是就控制在100℃以内，通过外部导线串过环形线圈中心孔与2个金属环相连的导线把短接两边法兰短路，这样流经短接内硫酸在线圈里就形成闭环回路，对不同酸浓在励磁线圈就感应出不同的电势，从而达到检测酸浓目的。

5.2流通式检测器的安装

硫酸厂流通式检测器直接安装在采样管路上，安装示意见图4。

其采样管路的材质、位置等均与插入式一致。但注意其传感器安装方向为垂直向上，目的是保证传感器中充满酸。一般允许流通式检测器安装在酸泵出口，温度**高允许为200℃，同时要求取样管采用内衬F4钢管为好。

6结语

分体式电磁流量计能够准确检测w(H2SO4)0～30%，30%～84%，96%～99%，103.5%～109.5%各种不同段内酸浓，该仪表对硫酸生产工艺稳定、环境保护提供了重要操作参数，为生产硫酸装置长周期稳定运行打下基础。