智能硅酸根分析仪的研制及其应用研究

自本世纪以来,随着工业的发展,硅酸根的测定越来越受到重视,最早期的测试是用碱性溶剂溶融,再加酸处理,此时金属元素成为离子溶于酸中,而硅酸根则大部分成胶状硅酸析出,小部分硅酸根分散在溶液中,需脱水后才能沉淀.经典方法是用盐酸反复蒸干以脱水,其准确度高,但手续麻烦,时间较长.后来发展到改用动物胶凝聚法,以及采用长碳链季胺盐作沉淀剂的沉淀方法等,这些纯化学测量方法不仅做起来困难,而且误差也大[1,2].

在火力发电厂以及有关化工生产过程中,为了保证锅炉机组安全经济地运行,应及时准确地监测工业用水中硅酸根含量,以实现对水质量的有效控制.然而,目前国内有些产品的检测系统基本误差大,自动化程度低;有的产品虽然功能较多,但机身庞大、笨重,操作不方便.基于以上原因,本文采用基于光电比色原理的检测系统,以单片机系统代替原模拟电路,研制成一个体积小、造价低、操作方便、功能完善的智能硅酸根分析仪.由于硅光电池是一种较好的光电器件,它具有寿命长、稳定性好、不易老化、制做工艺简单等优点[3],所以作者采用硅光电池作为光电转换元件.

1　检测系统工作原理

智能硅酸根分析仪系统主要由4大部分组成:即进水样部分、光电转换部分、信号检测与放大部分以及单片机系统部分(如图1所示).检测的基本原理是采用单光源双光束通过比色皿并经硅光电池,将由被测水样的浓度变化引起工作侧与参比侧产生的差值作为线性放大部分的输入,工作侧指一束光经比色皿照射工作侧硅光电池,参比侧指一束光直接照射参比侧硅光电池,这两个硅光电池接成差分电路,以消除背景对测量精度的影响.由于被测水样SiO-23浓度与输入的电压是近似按指数规律变化的,为此,在进行信号放大的同时,对输入信号采取了相应的处理,建立了线性放大部分的输出信号(A/D转换器的输入信号)与被测水样SiO-23浓度的定量关系.

2　数学模型的建立

为建立A/D转换器的输入信号与被测水样硅酸根质量浓度的定量关系,采用标准试样进行实验,测得输入输出数据组如表1所示.对全部数据进行拟合得到多项式回归方程,即

式中　u为A/D输入电压;ρw为硅酸根质量浓度(拟合浓度);a,b,c为回归系数.按式(1)计算的估计值与实测值在零点及满量程附近误差较大(即零点不为零),如图2所示.

为了使回归的曲线通过全部的实测点,采用分段拟合的方法(即线性回归和多项式回归)得到3条回归曲线组成的A/D输入电压与硅酸根质量浓度的关系曲线(如图2所示),即