环境水中物理指标检测方案

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白皮书 智能传感器技术在发电厂分析中的应用 ELECTRIC POWERRESEARCH INSTITUTE 发表于第10届燃料和联合环电厂余热发电机组循环化学国际会议，电力研究院(EPRI)，西雅图，华盛顿，2012年6月 目 录 摘要 2 电子技术的进步 2 内置的存储和预判式维护功能 3 内置的模拟-数字转换功能 3 电导率 3 pH 4 溶解氧 5 钠 6 温度 6 二氧化硅 6 总结 7 摘要 对电厂用水进行分析测量可提供最基本的信息用于补给水纯化处理、最大限度降低循环系统的腐蚀、积盐，以及满足烟气和废水排放方面的环保要求。数十年来，对于电导率、pH、ORP和溶解氧测量而言，由于传感器和仪表之间存在一定距离，从而造成对测量性能和可靠性的影响。传感器信号弱、电缆必须穿过嘈杂的电气环境以及传感器和仪表之间的各种不匹配因素都将导致测量可靠性和精确性降低。 另外，受限于传感器本身以及周围不确定的环境条件，将会对有效的传感器维护造成制约。维护可以采取“出问题后再维护”的方式，但是这有可能导致系统停车和装置中价格极其昂贵的部件发生腐蚀和积盐。或者，维护可以采取预防性的维护方式“在出问题前进行维护”，但这常常导致不必要的维护工作。预防式维护通常需要在校准、清洁和活化传感器方面和必须的维护量相比预留较大的安全余量，这将导致在材料和劳动力方面更大的维护成本。目前，对于智能传感器而言，将有第三种维护方式，该方式可以显著大幅提高维护效率。 智能传感器技术采用相对全新的理念将测量回路、校准数据记忆存储、模拟至数字转换和预判式诊断数学模型集成至传感器本体里，从而极大地缓解了上述问题对分析测量的影响。测量回路对于仅仅只有几个毫米的传感器元件模拟信号传输距离，可以更好地加以控制。这极大地改善了测量条件。传感器的校准数据储存于传感器本体里的存储器中，因此杜绝了和变送器之间的错误匹配现象。稳定的数字信号可以在绝对不影响精度的条件下进行长距离传输。内置的存储记忆装置还可以提供传感器温度和测量范围随时间变化的实时记录，因此可以真实预测传感器的维护和更换需求。 以上描述的是智能传感器技术的一些功能以及这些功能如何针对电厂里的液体分析测量进行管理并改善提高测量可靠性和精度。 电子技术的进步 电子技术在微型化和集成化方面的性能变化已经反映在生活的方方面面，对我们通讯和数据处理能力产生了巨大的影响。分析测量技术的发展充分利用了这些先进技术。新一代的智能传感器技术具有更小的测量回路、更低的能耗、更可靠的数字信号以及大幅提升的存储和运算功能。 在该款新一代仪器中，分析测量电路、模拟数字信号转换、扩展的存储和预判式维护计算都位于内置于传感器头部的一个微型电路板上。 这是和上一代“智能传感器”之间的不同之处，上一代“智能传感器”仅仅具备简单的存储和鉴别传感器及其内置的校准特性功能，而测量和模拟数字转换功能在位于可能潜在的长电缆末端的仪表中完成。上一代技术提供即插即测功能并在单台仪表中支持多通道、多参数测量，可是，它依旧依靠模拟信号传输来进行测量并受限于模拟信号的一些固有特性1. 2 一体化存储和预判式维护 凭借强大的存储功能，传感器所有的特性均得以保存。其中包括传感器部件件、序列号、组件和固件信息、工厂和用户校准数据及日期。如前所述，和上一代的多参数仪器配套使用的智能传感器已经具备了内置的存储功能。而新一代智能传感器则可保留传感器的全部历史运行记录，例如测量值以及当前参数值和当前温度下的测量持续时间等。 利用此附加信息以及对传感器老化特性的掌握，可提供独特的预防性维护功能。该预防性维护概念已被定义为智能传感器管理，可显示自适应校准计时、维护时间和动态传感器使用寿命指标。预判式维护指示功能对于不同的传感器类型而言差异很大，本文将在随后详细描述。 一体化模拟数字转化 传感器内置的模拟测量信号至数字信号转化功能在可靠性和精确度方面具备诸多优势。电导率信号由于必选采用交流电，因此由于长距离电缆容抗容易导致信号衰减，和电导率测量相关的用于温度补偿的模拟温度测量可能会受到电缆阻抗的影响。pH信号会由于电缆弯曲、震动或糟糕的电气环境受到干扰。溶解氧信号以极低的电流强度进行传输，因此也很容易受到干扰。 硅和钠的测量也可以从模拟信号至数字信号的转化收益，和其他参数一样提供更好的稳定性。值得注意的是智能传感器技术对于每个测量参数都具有针对性的独特优势。 电导率 电导率测量通过交流电压对传感器电极供电，并且含有一个温度测量。将电极和测量回路集成在一起的一个明显优势在于二者之间的接线距离缩减至几毫米并且固定密封至传感器体内。相比之下，传统的过程电导率测量必须处理从传感器到变送器之间各种长度的模拟信号电缆，通常为 5-50m。 (当然，也有必要通过相同的距离获得信号，但是采用集成的传感器，数字形式更为稳定。)通过非常短并且固定的模拟信号布线，电缆电容问题迎刃而解。这不仅可以防止低电导率时由于交流电通过电缆容抗漏电问题导致测量误差，而且还有助于对测量参数进行更紧密的控制。 对于极化效应处理的大幅改善，电导率传感器的测量上限得到大幅延伸。凭借该技术，电导率量程范围突破先前限制得以大幅拓展，单款集成电导率传感器采用全面的自动内部量程调节现在可以精确测量从超纯水到50，000 uS/cm 的电导率范围。关 图1 于该电导率技术革命的更多细节已在参考文献2中进行了详细描述。图1：智能传感采用智能传感器器管理技术的电导率传感器局部剖视图。技术的电导率传感器 剖示图 3 对于传统的电导率测量系统，传感器和变送器的测量回路单独进行出厂校准，分别赋予一定的精度或者误差极限。这两个误差极限加在一起来确定最糟糕场合的测量误差。此外，由于非常长的电缆、糟糕的接线经验或者电气干扰等安装条件也可能会导致误差产生。但是，对于集成传感器而言，传感器和测量回路是不可分离的，它们作为一个整体系统同时进行出厂校准，只有一个误差极限，如同一个传统的模拟传感器。数字化的显示仪表将实现零误差。此外，由于现场没有任何额外变化导致性能下降，唯一的出厂校准精度和安装精度一致。 pH pH 测量是在玻璃电膜膜表面产生的毫伏信号，玻璃通常具有数百兆欧的电阻。因此， pH信号连接、电缆传输和测量回路的绝缘必须具备很高的阻抗，否则测量信号将会受到干扰影响。另外，此类高阻抗 pH电缆任何弯曲和震动都将导致静电效应，并体现为测量干扰，对于校准过程该现象尤为明显。 对于集成的 pH传感器，该高阻抗信号完全受到密闭保护，没有任何连接器件或暴露至环境中，直至该信号被放大并转化成稳定的数字信号模式。由于不存在暴露的模拟电缆因此也就没有干扰影响。一根智能 pH传感器如图2所示。 由于 pH电极和参比电解液的使用寿命以及校准频率取决于工作温度、操作的 pH 值范围和使用时长，因此智能传感器技术在识别传感器或组件何时接近使用寿命、需要校准、维护或更换方面很有帮助。例如， pH传感器在测量热的具有较高 pH值的锅炉排污时会逐渐降低响向量程和速度，并缩短使用寿命，这些都可以进行预测。对于余热发电机组，这种动态预测判断意义十分明显，因为该功能将累积计算高温、高 pH的运行时间间隔和程度第二个例子是烟气脱硫过程中湿法吸收塔中 pH的测量，该应用中 pH 将暴露于热的石灰浆液中，有可能会导 图2 单探头智能 pH传感器通过护套将测量和参比电极、温度补偿器和溶液接地相结合 致参比电极污染。图三(参见下页)显示智能 pH传感器中用于预判式诊断功能的参数曲线。值得注意的是 pH、温度和参比隔膜/盐桥阻抗(污染)的上升都将导致传感器寿命下降，如底部曲线所示。操作人员在任何时间都可见到该信息，如图4所示(参见下页)，并可作为附加测量变量进行输出。 图4显示的是采用智能传感器时仪表的预判式诊断显示屏幕。所有的信息都存储在传感器存储器内，因此绝不会与以前的仪器设置或因为不同的传感器而混淆。 4 图3：应用于预判式 pH 传感器诊断功能中的操作条件包括：(1)参比隔膜/盐桥阻抗，(2)温度，(3)pH值，输入后显示(4)动态使用寿命显示乘剩余传感器使用寿命 除了其他信息外，屏幕还提供以下清晰的彩色图形显示： DLI-动态使用寿命指示：预测传感器剩余使用寿命 TTM-维护时间：距离下次维护的时间 ACT-自适应校准计时器：预测距离下次校准的时间 所有这些数据都可和其它数据一样进行输出，以支持预判式维护计划。 溶解氧 对低 ppb浓度的溶解氧进行测量时将产生很低的纳安级电流信号，和pH一样，该信号可能会因为绝缘不好或周围电气干扰而损失。另外，由于该脆弱的信号没有暴露至物理环境中因此将电气干扰因素降至最低。溶解氧低电流仅仅通过内置的、密闭回路传感器将稳定的数字信号传输至显示仪表。 溶解氧传感器的预防性维护也非常有用。利用极谱传感器，可根据累积运行时间、溶解氧浓度和温度，对校准、隔膜和电解液更换的需求以及阳极的使用寿命进行预测。 钠 图4 用于智能传感器的预防性诊断屏幕 与 pH测量非常相似，智能钠离子选择电极在其自身的存储器中保留全面校准和其它特定传感器数据，以便于随时从显示仪上读取。此外，采用智能传感器技术的分析仪可进行钠测量及 pH检查，以确保提供足够的试剂加药量。 5 温度 准确的温度测量和温度补偿对于上述所有参数而言都非常重要。对于超纯水测量范围而言，电导率尤其需要精确的温度测量，因为在冷的脱盐水中其电导率温度补偿系数可能高达读数的7%/℃。很自然，这需要非常精确的温度测量。 除了拥有精确的出厂温度校准外，对于智能传感器而言还消除了模拟消除了模拟信号的电缆传输进而消除温度测量回路中的任何接线阻抗变化。对于智能传感器而言，在安装环节由于没有增加任何电缆阻抗，因此也不会导致出厂温度校准精度的降低。此外，出厂校准涵盖了对内置的测量回路的校准，在现场也采用相同的测量回路。 图5 传统的仪表在安装时拥有独立的变送器测量回路，这和传感器出厂校准时采用的测量回路不同。工厂测量回路和实际安装测量回路不同将会导致测量的些许误差变化。 智能极谱法溶解氧传感器和流通池 另外，传感器和测量回路之间模拟信号电缆长度引入另外一个测量误差的变化因素。 对于智能传感器而言，上述情况完全不同，任意长度的电缆和任意显示仪表安装完成后，可以消除所有这些引入的误差源并达到原始的出厂校准精度。因此，可以对主要测量参数进行更精确的温度补偿。 硅 硅含量检测是一种光学测量方法，试剂添加到少量的样品中将会产生不同颜色的硅钼酸盐化合物，通过检测该化合物的光吸收率来进行硅含量检测。硅分析仪内的光检测传感器和光学器件在每次测量开始时均进行零点校准，经过较长的时间运行后，通过已知标准品对量程范围进行校准智能传感器存储器中包含该光学校准和其它传感器特性数据，这些数据可从显示仪上读取。此外，智能传感器功能包括监测反应腔体温度，确保温度足够高在测量周期内颜色变化反应完全进行。低温报警用于识别需要更长的测量循环周期以及更多反应时间以确保精确地测量结果。 总结 图6 针对每种测量参数智能传感器最重要的优势已经汇编成下表1(见下页)。 全新钠分析仪中采用的钠和pH/参比电极 很明显，智能传感器可凭借一系列仪器基本原理提供优势，其中包括易于安装，减少维护次数并提高维护效率，以及显著改进性能等。该类技术使以前难以维护的许多装置变得易于维护，因此预计其应用会日益广泛，成为未来仪表项目的主要趋势。 参数 主要优势 电导率 内置的回路校准确保更高的测量精度。 ·高度优化的测量回路确保量程范围更加宽广。 pH 和 ORP ·预判式维护功能使得服务更加高效。 ·内置的高阻抗测量和非模拟信号连接传输确保更高的测量可靠性。 溶解氧 ·预判式维护功能使得服务更加高效。 内置的低浓度测量信号确保更高的测量可靠性。 钠 ·仪表可以显示包括自动校准结果在内的所有传感器数据。 温度 ·内置的回路校准和恒定的接线阻抗确保更高的测量精度。 (适用于以上所有参数测量) ·对上述测量参数提供更精确的温度补偿。 二氧化硅 ·仪表可以同时显示光学传感器和温度传感器数据。 表1：智能传感器技术按参数提供的优势 ( 参考文献 ) 1. D Gray， “A Multi-Parameter Instrument Approach to Boiler Feedwater Monitoring，" PaperNo. IWC-02-54 presented at the International Water Conference， Engineers Society ofWestern Pennsylvania， Pittsburgh PA， October2002. 2. D Gray and S. Raabe， "Benefits of Integrated Conductivity Sensors in Water TreatmentSystems，" Paper No. IWC-10-41， presented at the International Water Conference，Engineers Society of Western Pennsylvania， San Antonio， TX， October 2010. 作者 David M. Gray， 高级项目经理 Mettler-Toledo Thornton， Inc. Bedford， Massachusetts USA www.mt.com/pro. 更多信息 Mettler-Toledo Thornton， Inc. 36 Middlesex Turnpike Bedford， MA 01730 USA 电话+1 781 301 8800 免费电话+1 8003528763 传真+1 871 271 0681 email mtprous@mt.com 如有技术更改，恕不另行通知。 C 10/2012 Mettler-Toledo AG 白皮书梅特勒-托利多