一种水样碱度测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种水样碱度测量装置及方法 (Water sample alkalinity measuring device and method ) 是由 吕运昌 陈云龙 边宝丽 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种水样碱度测量装置及方法,装置包括控制器、测量部件和加样部件,测量部件包括水样容器、发射模块和接收模块,通过发射模块和接收模块发出的光线穿过待测水样,测定待测水样的接收电压值,从而通过电压值的变化准确地识别两个滴定终点,自动滴定、测量,完全替代了手工滴定和人工判断终点,符合相关标准和方法,能够实时、准确地测量水质中的酚酞碱度和总碱度；相比于肉眼观察指示剂的变色,确定指示剂的变色范围,本发明的装置和方法避免了不同人员判断终点不同的问题,保证了测量的精准度,适应环境能力强,能够实现在线和实时测量。(The invention relates to a water sample alkalinity measuring device and method, the apparatus includes the controller, measures part and application of sample part, measure the part including container of water sample, emission module and receiving module, the light through emission module and receiving module sends out passes the water sample to be measured, determine the receiving voltage value of the water sample to be measured, thus discern two titration end points accurately through the change of the voltage value, automatic titration, measure, totally substitute and titrate and judge the end point manually, accord with relevant standard and method manually, can measure phenolphthalein alkalinity and total alkalinity in the water quality accurately in real time; compared with the method of observing the color change of the indicator through eyes and determining the color change range of the indicator, the device and the method provided by the invention avoid the problem that different personnel judge different end points, ensure the measurement accuracy, have strong environmental adaptability and can realize online and real-time measurement.)
技术领域
本发明属于离子含量监测技术领域，具体涉及一种水样碱度测量装置及方法。
背景技术
水的碱度是指水中含有能接受氢离子的物质的量，例如氢氧根、碳酸盐、重碳酸盐、磷酸盐、磷酸氢盐、硅酸盐、硅酸氢盐、亚硫酸盐、腐殖酸盐和氨等，都是水中常见的碱性物质，它们都能与酸进行反应。碱度对于工业锅炉/工业循环冷却设备来说是一个十分重要的指标，需要根据碱度控制碳酸钠等物质的加入量，使锅炉水成分维持适当碱度，使其中钙离子、镁离子、碳酸根、磷酸根和氢氧根等离子的含量维持在最佳比例，使钙和镁生成不粘结在锅炉受热面上的、分散状的水渣沉淀，随锅炉的排污排出锅外，防止结垢、腐蚀。根据GB/T 1576《工业锅炉水质》等国家标准，水质的碱度分为全碱度和酚酞碱度，酚酞碱度是以酚酞作指示剂时所测出的含有能接受氢离子的物质的量，全碱度是以甲基橙或甲基红-亚甲基蓝等作指示剂所测出的含有能接受氢离子的物质的量。
目前，水质中酚酞碱度和/或全碱度的测定采用酚酞和甲基橙等作为指示剂，用已知浓度的标准酸溶液进行滴定，根据混合溶液的颜色变化确定滴定终点，根据消耗的标准酸溶液体积计算酚酞碱度和/或全碱度。而由于酚酞的变色pH范围为8.2-10.0，甲基橙的变色pH范围为3.1-4.4，在指示剂变色范围内，存在不同人员判断终点不同的问题，容易造成标准酸溶液用量上的误差，导致计算酚酞碱度和/或全碱度的含量存在误差。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种测量锅炉水、地表水等水样中的碱度的装置及方法。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种水样碱度测量装置，包括：
控制器；
测量部件，包括水样容器、发射模块和接收模块，水样容器用于放置待测水样，发射模块和接收模块均与控制器电连接，发射模块和接收模块相对设置在水样容器的两侧；
加样部件，包括第一定量泵、第二定量泵和第三定量泵，第一定量泵通过管道连接标准盐酸溶液容器和水样容器，第二定量泵通过管道连接酚酞溶液容器和水样容器，第三定量泵通过管道连接甲基橙溶液容器和水样容器，第一定量泵、第二定量泵和第三定量泵均与控制器电连接。
进一步，控制器包括主板、输出控制板、信号板、显示屏和电源，输出控制板、信号板、显示屏和电源均与主板电连接；输出控制板与第一定量泵、第二定量泵和第三定量泵电连接，用于控制第一定量泵、第二定量泵和第三定量泵的动作；信号板与发射模块和接收模块电连接，用于向发射模块发送信号和向接收模块接收信号。
进一步，测量部件还包括搅拌器，搅拌器安装于水样容器的底部。
进一步，搅拌器通过输出控制板电连接主板。
进一步，信号板包括依次连接的放大电路、测量电路和单片机，测量电路能够测量接收模块的电信号，测量电路通过内部CAN总线连接主板，主板具有电阻触摸屏接口和CAN_bus通讯接口。
进一步，主板为EPC-287I-L-T工控主板。
进一步，发射模块包括相串联的发光二极管光源和限流电阻，发光二极管光源能够发射出固定波长的平行光，接收模块包括光电倍增管。
进一步，发光二极管光源为490nm的单冷色发光二极管光源，限流电阻的阻值为1000Ω。
一种水样碱度测量方法，利用上述的水样碱度测量装置进行，包括以下步骤：
步骤(1)、取待测水样置于水样容器内，记录待测水样体积为V，记录待测水样的接收电压值为空白电压值A0；
步骤(2)、向待测水样中加入酚酞指示剂，记录待测水样的接收电压值为初始电压值A1；
步骤(3)、判断初始电压值A1与空白电压值A0的差值是否超过预设范围，是则先加入盐酸溶液至待测水样的接收电压值为第一特征接收电压值，接着向待测水样中加入甲基橙指示剂，再次加入盐酸溶液至待测水样的接收电压值为第二特征接收电压值，记录先加入的盐酸溶液的体积V1、再次加入的盐酸溶液的体积V2和盐酸溶液的浓度c1(HCl)，否则进行步骤(4)；
步骤(4)、向待测水样中加入甲基橙指示剂，接着加入盐酸溶液至待测水样的接收电压值至第二特征接收电压值，记录加入的盐酸溶液的体积V3和盐酸溶液的浓度c2(HCl)。
进一步，判断初始电压值A1与空白电压值A0的差值是否超过预设范围具体为：
若|A0-A1|≤0.2×A0，则判断初始电压值A1与空白电压值A0的差值没有超过预设范围；
若|A0-A1|＞0.2×A0，则判断初始电压值A1与空白电压值A0的差值超过了预设范围；
预设范围为0.2×A0。
进一步，第一特征接收电压值为空白电压值A0。
进一步，步骤(3)中，待测水样中的酚酞碱度和总碱度的计算方法为：
JDP＝V1×c1(HCl)×1000/V；
JD＝(V1+V2)×c1(HCl)×1000/V；
JDP为酚酞碱度，单位为毫摩尔每升(mmol/L)；
JD为全碱度，单位为毫摩尔每升(mmol/L)；
V1为先加入的盐酸溶液的体积，单位为毫升(mL)；
V2为再次加入的盐酸溶液的体积，单位为毫升(mL)；
c1(HCl)为盐酸溶液的浓度，单位为摩尔每升(mol/L)；
V为待测水样的体积，单位为(mL)。
进一步，步骤(4)中，待测水样中的酚酞碱度和总碱度的计算方法为：
JDP＝0；
JD＝(0+V3)×c2(HCl)×1000/V；
JDP为酚酞碱度，单位为毫摩尔每升(mmol/L)；
JD为全碱度，单位为毫摩尔每升(mmol/L)；
V3为加入的盐酸溶液的体积，单位为毫升(mL)；
c2(HCl)为盐酸溶液的浓度，单位为摩尔每升(mol/L)；
V为待测水样的体积，单位为(mL)。
本发明的效果在于：采用本发明的系统和方法，通过发射模块和接收模块发出的光线穿过待测水样，测定待测水样的接收电压值，从而通过电压值的变化准确地识别两个滴定终点，自动滴定、测量，完全替代了手工滴定和人工判断终点，符合相关标准和方法，能够实时、准确地测量水质中的酚酞碱度和总碱度；相比于肉眼观察指示剂的变色，确定指示剂的变色范围，本发明的装置和方法避免了不同人员判断终点不同的问题，保证了测量的精准度，适应环境能力强，能够实现在线和实时测量。
附图说明
图1是本发明的水样碱度测量装置的结构示意图；
图2是本发明的水样碱度测量方法的流程图；
图3为本发明实施例1中盐酸体积-接收电压值滴定曲线；
图4为本发明实施例2中盐酸体积-接收电压值滴定曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种水样碱度测量装置，该装置包括控制器1、测量部件2和加样部件3。其中测量部件2包括水样容器21、发射模块22和接收模块23，水样容器21用于放置待测水样，发射模块22和接收模块23均与控制器1电连接，且发射模块22和接收模块23相对设置在水样容器21的两侧，在控制器1的控制下，发射模块22可以稳定的发出固定波长的光，光穿过待测水样后被接收模块23从接收。
进一步地，本实施例的加样部件3包括第一定量泵31、第二定量泵32和第三定量泵33，第一定量泵31、第二定量泵32和第三定量泵33均与控制器1电连接；第一定量泵31通过管道连接标准盐酸溶液容器和水样容器21，能够在控制器1的控制下向水样容器21内自动添加盐酸；第二定量泵32通过管道连接酚酞溶液容器和水样容器21，能够在控制器1的控制下向水样容器21内自动添加酚酞溶液；第三定量泵33通过管道连接甲基橙溶液容器和水样容器21，能够在控制器1的控制下向水样容器21内自动添加甲基橙溶液。
进一步地，本实施例的控制器1包括主板11、输出控制板12、信号板13、显示屏14和电源15，主板11为EPC-287I-L-T工控主板，当然，也可以根据试剂需要更换为能够实现通讯、测量和控制功能的其他型号主板。输出控制板12、信号板13、显示屏14和电源15均与主板11电连接；输出控制板12与第一定量泵31、第二定量泵32和第三定量泵33电连接，用于控制第一定量泵31、第二定量泵32和第三定量泵33的动作；信号板13与发射模块22和接收模块23电连接，用于向发射模块22发送信号和向接收模块23接收信号。
进一步的，本实施例的测量部件2还包括搅拌器，搅拌器安装于水样容器21的底部，并且搅拌器通过输出控制板12电连接主板11，搅拌器在输出控制板12电的控制下能够将待测水样和加入的试剂混合均匀。
进一步地，发射模块22包括相串联的发光二极管光源和限流电阻，发光二极管光源能够发射出固定波长的平行光，接收模块23包括光电倍增管。发光二极管光源为490nm的单冷色发光二极管光源，限流电阻的阻值为1000Ω。接收模块23能够将经待测水样吸收后的光强度转换为电信号，该电信号由信号板13进行测量。
进一步，信号板13包括依次连接的放大电路、测量电路和单片机，测量电路能够测量接收模块23的电信号，测量电路通过内部CAN总线连接主板11，主板11具有电阻触摸屏接口和CAN_bus通讯接口。信号板13能够将发射模块22和接收模块23采集的信号放大，方便对数据的捕捉与观测。
实施例2
本实施例公开了一种水样碱度测量方法，利用实施例1中的水样碱度测量装置进行，包括以下步骤：
步骤(1)、取待测水样置于水样容器内，记录待测水样体积为V，记录待测水样的接收电压值为空白电压值A0；具体来说，先将包含特定波长490nm的发射模块和接收模块预热5分钟后，保证发射模块和接收模块本身的精度不受温度变化的影响，接着取待测水样100mL置于水样容器内，即V＝100mL。
步骤(2)、向待测水样中加入酚酞指示剂，记录待测水样的接收电压值为初始电压值A1；其中酚酞指示剂通过第二定量泵滴加，可以保障酚酞指示剂的滴加速率和滴加量。
步骤(3)、判断初始电压值A1与空白电压值A0的差值是否超过预设范围；具体为，计算A0减去A1的值，并将A0减去A1的值的绝对值与0.2倍的A0比较。在本实施例中，|A0-A1|＞0.2×A0，因此判断初始电压值A1与空白电压值A0的差值超过了预设范围，说明加入酚酞后接收电压值明显降低，加入酚酞后混合溶液为粉红色，待测样水含酚酞碱度。那么就要通过第一定量泵加入盐酸溶液至待测水样的接收电压值为第一特征接收电压值，此时记录先加入的盐酸溶液的体积V1＝615μL。其中盐酸溶液的浓度为0.05mol/L，第一特征接收电压值为空白电压值A0。接着通过第三定量泵向待测水样中加入甲基橙指示剂，再次加入盐酸溶液至待测水样的接收电压值为第二特征接收电压值，在本实施例中第二特征接收电压值为180mV；记录再次加入的盐酸溶液的体积V2＝0.645mL。
那么，步骤(3)中，待测水样中的酚酞碱度和总碱度的计算方法为：
JDP＝V1×c1(HCl)×1000/V＝0.615mL×0.05mol/L×1000/100mL＝0.3075mmol/L；
JD＝(V1+V2)×c1(HCl)×1000/V＝(0.615+0.645)mL×0.05mol/L×1000/100mL＝0.630mmol/L；
JDP为酚酞碱度，单位为毫摩尔每升(mmol/L)；
JD为全碱度，单位为毫摩尔每升(mmol/L)；
V1为先加入的盐酸溶液的体积，单位为毫升(mL)；
V2为再次加入的盐酸溶液的体积，单位为毫升(mL)；
c1(HCl)为盐酸溶液的浓度，单位为摩尔每升(mol/L)；
V为待测水样的体积，单位为(mL)。
本实施例中盐酸体积-接收电压值滴定曲线如图3所示。
实施例3
作为本发明的又一实施例，本实施例也公开了一种水样碱度测量方法，利用实施例1中的水样碱度测量装置进行，包括以下步骤：
步骤(1)、取待测水样置于水样容器内，记录待测水样体积为V，记录待测水样的接收电压值为空白电压值A0；具体来说，先将包含特定波长490nm的发射模块和接收模块预热5分钟后，保证发射模块和接收模块本身的精度不受温度变化的影响，接着取待测水样100mL置于水样容器内，即V＝100mL。
步骤(2)、向待测水样中加入酚酞指示剂，记录待测水样的接收电压值为初始电压值A1；其中酚酞指示剂通过第二定量泵滴加，可以保障酚酞指示剂的滴加速率和滴加量。
步骤(3)、判断初始电压值A1与空白电压值A0的差值是否超过预设范围；具体为，计算A0减去A1的值，并将A0减去A1的值的绝对值与0.2倍的A0比较。在本实施例中，|A0-A1|≤0.2×A0，因此判断初始电压值A1与空白电压值A0的差值没有超过预设范围，说明加入酚酞后接收电压值没有明显降低，说明待测样水不含酚酞碱度，仅含有总碱度。那么就要通过第三定量泵向待测水样中加入甲基橙指示剂，接着通过第一定量泵加入盐酸溶液至待测水样的接收电压值为第二特征接收电压值，在本实施例中，盐酸溶液的浓度为0.1mol/L，第二特征接收电压值为180mV；记录加入的盐酸溶液的体积V3＝4.930mL。
那么，步骤(3)中，待测水样中的酚酞碱度和总碱度的计算方法为：
JDP＝0mmol/L；
JD＝(0+V3)×c3(HCl)×1000/V＝(0+4.930)mL×0.1mol/L×1000/100mL＝4.930mmol/L；
JDP为酚酞碱度，单位为毫摩尔每升(mmol/L)；
JD为全碱度，单位为毫摩尔每升(mmol/L)；
V1为先加入的盐酸溶液的体积，单位为毫升(mL)；
V2为再次加入的盐酸溶液的体积，单位为毫升(mL)；
c1(HCl)为盐酸溶液的浓度，单位为摩尔每升(mol/L)；
V为待测水样的体积，单位为(mL)。
本实施例中盐酸体积-接收电压值滴定曲线如图4所示。
本领域技术人员应该明白，本发明的方法和系统并不限于具体实施方式中的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
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