染整加工中保持溶液浓度恒定,是确保工艺重现性的关键。前处理的主要药剂是烧碱,因此,为染整设备研制适合的碱浓度传感器是必要的。在线测量烧碱溶液电导率是检测碱浓度常用的方法,检测方法分为接触式和非接触式。前者通过将电极与待测烧碱溶液直接接触而测量,传感器电极很容易被碱液腐蚀,从而影响测量精度,缩短传感器使用寿命,因此不宜长期使用。根据电磁感应定律研制的非接触式传感器能很好地解决上述问题,与其它测量方法相比,测量时间短、精度高、重现性好。

1　原理

1.1　浓度与电导率

与金属导体一样,电解质溶液是电的良导体,遵守欧姆定律。一般用电导G或电导率S来衡量溶液的导电能力。

G=1/R=S×A/L

式中:R———电阻率;

S———电导率(S/cm);

A———导体截面积(cm2);

L———导体长度(cm)。

电解质溶液中,单位体积内所含离子浓度和离子化合价越高,离子迁移速度越快,则电导率越大[1]。检测印染前处理过程中所用的烧碱浓度时,只需要考虑其浓度和温度因素。试验表明,溶液的电导率S与所含离子浓度C近似成正比关系。



如图1所示,与电导率对应的烧碱溶液浓度具有二值性。在浓度较低的区域,溶液的电导率随烧碱浓度的增加而增大;但溶液电导率增加到一定数值后,随着浓度的升高,反而减小。由于曲线在拐点处较平缓,所以在拐点处的分辨率最差,因此测量时必须避开拐点及其附近范围。若从拐点处分段测量,则溶液浓度在各段范围内与电导率有近似比例关系,因此,通过检测溶液的电导率就可计算出碱液的浓度。

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退浆、煮练等前处理溶液中,NaOH浓度一般为10~80g/L。由图l和表1可以看出,在此浓度范围内,电导率与浓度近似呈线性关系。

溶液的电导率、浓度和温度之间的关系比较复杂,很难精确计算,通常是通过试验来测定各种不同浓度电解质溶液的电导率,然后绘制成图表以供查阅[2]。

1.2　工作原理

非接触式浓度计是根据法拉第电磁感应定律和变压器原理而设计的。如图2所示,传感器的测量部分由两个变压器式的绕线磁环组成,两磁环的孔是连通的。当把传感器插入碱液中,碱液在磁环内外必然形成回路,类似在磁环中穿过一根闭合导线,这样,两个结构上相互独立的磁环就通过碱液联系在一起。



在磁环的线圈L1上施加一个交变的激励信号U1,L2上就会产生交变的磁通Φ,这个交变的磁通在碱液回路中形成交变电流I,随之产生交变磁通,并作用在线圈L2上,L2中就产生感应电动势U2。通过检测U2,就可以换算出被测溶液的电导率,从而得出溶液浓度。输出电压与溶液电导率的关系可用式(1)表示[5]:

U2=(U1ωL2/n1n2K)·k(1)

式中:K———流通池参数cm-1;

U1、U2———原边和副边电压;

n1、n2———分别为原边和副边绕组匝数;

L2———副边自感系数;

ω———角频率;

k———溶液的电导率(μS·cm-1)。

1.3　温度补偿

温度对电导率测量的影响很大,所以实际测量中必须对测量数据进行温度补偿。在电路设计中,加上温度测量装置,其测量数据一部分作为温度补偿,另一部分以4~20mA标准信号的方式输出。

2　电路

传感器的设计电路如图4:



2.1　激励信号源电路图

激励信号源的幅度和频率必须相对稳定,尤其是幅度,以确保测量精度。

以ICL-8038芯片为核心实现的激励信号源见图5。

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ICL-8038是性能优良的集成信号发生器。可用10~30V的单电源供电,也可以用±5~±15V的双电源供电;频率可调范围为0.001~300kHz;输出正弦波的失真度小于1%。

图5所示的电路中,通过改变RW1来调整RA和RB的数值。当RA=RB时,占空比是50%,引脚2输出为正弦波。调整电阻R3、R4和电位器RW3、RW4所组成的电路,可以使正弦波的失真度减小到0.5%。在RA与RB不变的情况下,调整RW2可以改变电路的振荡频率。

2.2　测温装置电路图

测温装置由集成温度传感器AD590及其外围电路构成,如图6所示。

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AD590是内部已作修正的电流型二端器件,工作温度范围-55~150℃。直流电源的电压范围宽(4~30V),并具有消除电源波动的特性,如电压从5V变化到15V时,电流变化小于1μA。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。AD590共有I、J、K、L和M五档,其中M档精度最高,在-55~150℃范围内,其非线性误差为±0.3℃,具有精度高、使用方便、线性和互换性好的特点。图6中,电位器RW1用于调整零点,RW2用于调整放大电路的增益,AD581是高精度集成稳压器。2.3　放大电路

放大与输出电路以LM358为核心设计(图7)。

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LM358内部包括两个独立的高增益且内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式。在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其它所有可以用单电源供电的使用运算放大器的场合。

2.4　输出电路

输出电路的作用是将1~5V的直流电压信号转换成以电源负端为基准的直流电流(4~20mA)信号,如图8所示。

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输出回路由运算放大器与复合晶体管组成。采用复合晶体管的目的是提高输出管的电流放大倍数。为了提高转换精度及恒流性能,而将输出电流在R6上的压降,反馈到LM358的输入端。

3　试验与分析

试验中,线圈磁芯均选择磁导率为7kT·m/A的铁氧体磁环,线圈绕线为0.21mm的漆包线,原边和副边分别为200匝和250匝,线圈间距15mm。测试结果如图9所示。



由图9可知,当碱浓度在10~110g/L时,具有较好的线性度和分辨率;当碱浓度超过110g/L时,曲线变得平缓,分辨率变低,说明在此附近存在浓度曲线的拐点,测量精度变低,不宜使用,这与理论分析完全一致。结合表1可知,非接触式传感器测量碱浓度的范围在1%~10%时性能较好。

4　结论

非接触式传感器解决了普通传感器电极易被烧碱溶液腐蚀,以及由此引起的干扰等问题,从而提高了测量精度,延长了传感器使用寿命。与其它测量方法相比,电导法测量速度快、精度高、再现性好。采用非接触式传感器能减少人工参与,降低生产成本,提高产品质量。将温度与浓度以4~20mA的标准信号的方式输出,方便连接计算机和自动控制装置,可以连续准确地进行检测和控制。