陈戈华, 杨 杰

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

硅酸根离子检测技术及测量精确度一直是现代工业的重要研究课题，其中，实验室硅酸根离子浓度检测更是重点。早期采用盐酸反复蒸干脱水的方法来测量硅酸根的含量，后来改用动物胶凝聚法，以及季铵盐沉淀剂的沉淀方法等纯化学检测方法，虽然准确度相对较高，但操作程序相当繁琐，测量误差也较大[1]。

随着半导体技术的兴起，检测技术也进一步更新，目前，国内外实验室硅酸根离子浓度检测方式均采用人工取水样、人为的单通道进行添加药剂，摇匀，等待反应充分后进行测量，这样的做法耗费了大量的时间，人工成本高，自动化程度与精度偏低且存在较大误差，为了解决以上问题，研制出了多通道硅酸根高精度分析仪[2]。此仪器是一台依据光电比色分析原理[2]，以STM32F103C8T6单片机系统为核心的智能分析仪，在结构与功能方面创新性地运用多通道水样同时定量定时测量，在添加药剂方面，采用ST梯形直线滑台(以下简称滑轨式)设计，依次对六路检测池口进行注入水样，以及自动添加药剂，同时进行搅拌，使其充分反应测量，保证了测量精度，也减少了大量的时间成本[4]。

1 工作原理

多通道硅酸根高精度自动分析仪整体由4部分组成：光电检测、化学水样流路、电路控制以及仪器整体结构设计[10]。测量系统的基本原理是采用硅钼蓝度法，在一定的酸性条件下，水样中硅酸根离子与钼酸铵药剂充分反应生成硅钼黄，再加入硫酸亚铁溶液后发生还原反应生成硅钼蓝，反应充分稳定后，光源经过准光系统及滤光片变成平行的单色光束，如图1所示。

该光束透过显色液体照射到硅光电池接收面上，进行光电转换将光信号变成电信号，在透射过程中，部分光被显色液吸收，使光强度发生变化，硅光电池随光强度的变化而产生微弱的电流[14]。理论研究证实，此电流的大小与被测水样中的硅酸根含量呈线性变化[13]。

2 硬件设计

多通道硅酸根高精度自动分析仪的硬件结构分为三部分：控制机构、触摸组态屏显示和外围执行机构，如图2所示。

2.1 控制机构部分

以STM32F103C8T6单片机作为处理器，搭配AD7705、OP07芯片组成整个控制系统的核心部分，主要功能是对硅光电池传来的信号进行放大、采样和(16位)数模转换，由单片机进行数据处理并传送给显示部分显示[11]。同时单片机按时序控制外围元件的光耦开关、标样泵、电磁阀、继电器等，从而完成测量。

硅光电池的信号处理电路也是硬件电路设计关键所在，如图3所示。

运放元件A1、A2、A5及其外围电路一起构成了负反馈放大电路[15]；运放元件A4和外围电路一起组成减法电路。而运放元件A3构成跟随器电路，D1是硅光电池，单片机的采样参考电压为0～2.5 V，如果由运放元件A1输出所得到的电压信号小于2.5 V时，则单片机进行AD采样，获取信号值。如果A1输出所得到的电压大于2.5 V时，则单片机进行PWM信号输出，同时PWM电压信号输入A3减法电路中，并计算出PWM电压信号值与A1输出电压信号值之差，再经A5放大电路将信号放大，此时单片机再对A5输出电压信号进行采样[6]。

2.2 触摸组态屏显示部分

采用手机触摸屏模式，同时显示器选用IPS全视角、触摸组态屏，实现人机沟通零障碍，提供人机交互界面，与控制机构部分通过UART进行通信，采用RS-485通信协议的格式进行传输，并解析相关信息。实时与控制系统相连接，确保系统的时钟长期稳定运行，同时辅助控制机构利用E2PROM对相关数据进行断电保护，实时传达上位机的命令，并执行相应的电路控制。

2.3 外围执行机构部分

外围执行机构部分如图4所示。

外围执行机构元件主要由4个SMC电磁阀、1个清洗泵、1个定容泵、1个排废阀、一套ST梯形直线滑台模组(滑轨)、含6个检测口的检测池，以及6套准光系统和6套硅光电池、6个电磁搅拌器组成，主要功能是在控制机构中STM32单片机的命令下，首先对检测池的6个通道进行搅拌清洗，然后在各个通道依次加入水样，等到通道内水样定容AD采样获取完空白值后，滑轨在处理器的控制下依次加入药剂并开始搅拌，使药剂与水样充分反应。反应结束后，再由AD采样取值，输出给CPU进行计算，并传送给显示器，显示硅酸根浓度值，最后开启排废阀，将废液排除。

创新性主要体现在两个方面：

1)多通道测量。目前在实验室中，检测硅酸根含量的仪器均是单通道测量，每一路水样从入水、加药剂充分反应，需要大概15 min左右，如果测量6路水样，全部测完大概需要90 min，从数据上看，测量时间是很长的。因此实验室内手动加入水样后，水样会顺着导管流入检测通道中，待其稳定定容后，6个检测通道同时进行测量，也可以通过显示部分进行设置，对任意6个检测通道中的一个或几个通道进行测量。可以看出，这样设计的目的是为实验人员在检测时减少时间成本，提高检测效率。

2)自动化添加药剂。现在普遍进行人员配置优化，对于仪器设备的工作效率需要进一步提高，更有效地实施人员的岗位职能，那么仪器的工作时间与工作效率就需要合理优化，一般实验室硅酸根分析仪在进行水样测量加入药剂时都是人为添加药剂，摇匀，等待反应充分，从而进行测量，这样的做法耗费了大量时间和人工成本的同时也存在较大的误差，因此,文中采用滑轨式方案，待水样定容稳定后依次对6路检测池口自动添加药剂，同时开始搅拌，待充分反应后进行AD取样，送单片机进行数据计算。滑轨采用步进电机按软件程序步数前进，兼有精度高，寿命长，低噪音，运行稳定，不干扰化学反应的进行，可保证测量精度。

3 系统的软件设计

考虑程序应简明清晰、可移植性高与开发环境匹配度高等因素，文中选择C语言与Keil4开发平台进行编程。此系统程序设计主要包含两大部分，即主程序与中断服务程序。主程序中涵盖设置初值子程序、触摸组态屏初始化子程序、解析与传送上位机命令执行操作子程序，以及延时子程序等；中断服务程序包含AD模-数转换子程序、电压与浓度计算子程序，以及数据显示子程序等，此程序在对硅酸根浓度超限时会报警提示，做到实时监控[3]。其主机的主程序框图如图5所示。

下面分别对人机交互界面、多通道选择测量,以及自动化加药等部分进行阐述。

在初始化完成之后，会对flag1这个状态量进行判断，如果有命令传达，则进行相应的界面操作，如调整页面布局、进入参数的调整界面、调试外围元件的功能是否完好等。人机交互界面特别采用武汉中显科技有限公司的触摸组态屏，同时该公司配套的VGUS开发工具具有性能强、开发方便简单、支持脱机下载、音视频播放等功能，满足仪器的需要[18]。

在程序的多通道选择方面，设置一个状态变量flag2来判断是6个通道全部测量，还是其中的部分通道需要测量，以及计算出6个检测口相互之间的距离，设置步进电机的步长，准确移动到确定的检测口，进行加药测量[5]。

在自动化加药方面，运用连通器原理和SMC电磁阀[17]，配合滑轨式的方案，在准确的函数控制下进行有序定量的加入药剂，充分反应后，进行AD采样测量，确定吸光度A，准确计算硅酸根离子的含量[7]。其中关于吸光度计算运用比尔定律，

式中：K----吸光系数;

L----光程长;

c----待测溶液的浓度。

针对仪器特点，在运行前需用标准溶液对其进行试验标定，标样溶度一般为50×10-9或100×10-9，标定原理是通过解下列联立方程求得标准曲线斜率K和零点B[8]。

标定计算公式：

C0=KA0+B,

Cλ=KAλ+B,

B=C0-KA0，

式中：Aλ----标样的吸光度;

A0----倒加药零点吸光度;

C0----倒加药测量的浓度;

Cλ----标样的浓度;

K----吸光系数;

L----光程长;

c----待测溶液的浓度。

4 实验结果及分析

多通道硅酸根高精度自动分析仪的样机已经研制成功，仪表在安装调试后进行了大量的实验，主要针对仪表测量的重复性实验、标准溶液的测量误差实验、测量时间与精度对比实验。

4.1 重复性实验

在仪器正常运行的条件下，某一个时间点对仪器进行测试，量程为0～20×10-9，依次对6个通道同时加入含硅酸根离子水样5次，从而考察仪器多通道的重复性，见表1。

表1 重复性实验数据

由表1可以看出，无论单通道还是多通道，仪器的测量重复性均为±1%FS(满量程)[16]。

4.2 标准溶液测量实验

上述重复性实验中，数据显示无论单通道还是多通道均满足±1%FS(满量程)，因此，标准溶液测量实验只需进行多通道测量就可以满足实验要求，即每一个通道加入一种浓度的标样即可。

实验配制了硅酸根离子含量为10×10-9、25×10-9、50×10-9、100×10-9、150×10-9、200×10-9的标准溶液，分批次使用仪器进行测量(量程为0～200×10-9)，测得实验数据见表2。

表2 标准溶液测量数据

经过对表2中的数据和标准溶液的比对可以看出，此仪器的测量误差为±1%FS(满量程)。

4.3 测量对比实验

选取一般实验室硅酸根分析仪与多通道硅酸根高精度自动分析仪做对比实验，为实验数据可靠、真实，将环境温度、湿度，水样温度等因素全部统一，在相同的空间内做对比[9]，实验如下：

1)时间对比方面。由于一般硅酸根分析仪是单通道测量的仪器，人工取水样，依次加入药剂，摇匀等待充分反应后倒入检测池内进行测量，整个测量过程大约需要15 min左右，这还只是一个通道的水样，如果是6个通道都要测量，共计约90 min左右。而此仪器可以做到6个通道水样同时测量，只需要大约15 min左右即可测出硅酸根的浓度，节约了5倍的测量时间，体现出此仪器的实用价值。

2)测量精度对比。通过以上实验数据对比，在测量精度方面，此仪器测量数值的有效位数可精确到小数点后两位，说明此仪器精度比一般实验室硅酸根仪器精度高，高出1%FS(满量程)；在测量0～200×10-9的范围内，相对误差更低，可靠性更高。

5 结 语

综合运用STM32F103C8T6单片机及其外围芯片作用在多通道硅酸根高精度自动分析仪中，使得此分析仪在功能与结构上都更上一级，该分析仪普遍应用在火力发电厂、生物质能发电厂，以及化工企业的锅炉水、汽包水、过热蒸汽水的硅酸根含量检测。在硬件设计与软件设计方面考虑到系统抗干扰、稳定性以及精准度等各方面因素。

1)在国内外对仪表研制的基础上，对硅酸根分析仪进行改进，增强了硅酸根分析仪功能性，使用触摸组态屏实现人机实时监控，操作更加人性化、系统化、智能化。

2)在结构方面,创新性地提出多通道水样进行同时测量，大大减少了反应时间，为生产效率的提高做出保证。

3)在仪表的自动化程度方面,采用滑轨式方案，同时对6路检测池口进行注入水样，以及自动定时定量添加药剂，同时进行搅拌，充分反应并测量，滑轨行进缓慢，移动稳定，噪音小，不干扰化学反应的进行，在保证测量精度的同时，也节省了大量的时间。