小苏打热碱液浓度在线测量技术总结

窦在英，付宗鲲，牛占海，范海荣，韩 洋

（青岛碱业股份有限公司，山东青岛 266043）

小苏打热碱液浓度在线测量技术总结

窦在英，付宗鲲，牛占海，范海荣，韩 洋

（青岛碱业股份有限公司，山东青岛 266043）

通过对公司小苏打热碱液浓度在线测量试验总结，阐述在公司生产中重要的溶液浓度实现在线检测的可行性和较强的的指导性。

热碱液；浓度；密度；在线监测

化碱工序是小苏打生产的第一道工序，而制备一定浓度的热碱液补充到系统中去，稳定在制品（热碱液）存量，保证生产连续稳定又是小苏打生产的首要工作，其热碱液浓度的高低，直接影响到碳化工序的操作及小苏打的产量、质量和消耗。

我公司小苏打生产自开工以来，一直采用人工分析方法进行热碱液浓度的控制。由于人工分析频次（1次／2h）较少、分析数据滞后、代表性较差，不利于指导生产，导致生产波动，对产量、质量和消耗都有较大影响。

近年来，随着公司CO2浓度在线分析取得成功，我们对公司各种重要的溶液浓度的在线检测也在不断探讨和关注。

根据公司安排，与设备厂家商讨利用该公司的HT－386型密度在线分析仪对我公司小苏打热碱液进行连续检测的可行性。并进行了少量对比试验，通过将测量数据与人工分析数据对比，发现数据偏差较小且稳定性较好。

1 试验步骤

根据试验要求及小苏打车间实际情况，制订本试验项目实施计划，分如下几步进行：

第一步：制订在线试验方案；

第二步：设备、仪表安装调试；

第三步：通过人工测试对比，对厂商提供的密度仪进行测量准确性核定；

第四步：在密度测量值核准的基础上，对人工浓度分析与仪器测量的密度值进行对比，通过大量比对数据，由厂商找出密度与浓度的对应关系，将密度转化成浓度值，表盘同时显示密度和浓度；

第五步：对仪器显示的浓度值与人工分析的浓度值再进行对比，以人工分析数据为基准，进一步确认仪器测量值的符合性；

第六步：将浓度在线监测显示引入DCS，最终实现DCS在线显示及监控；

第七步：对试验进行总结，出具试验报告。

2 试验仪器简述

2.1 仪器简介

HT－386液体密度计是输力强莫伯蕾公司最新一代谐振式结构密度计，主要由测量本体、取样装置、测量信号变送器、线性支持电源3台、模数转换模组，现场直接控制单元、现场触摸显示单元、通信连接组件、PIC编程软件等组成。该设备配有基于微处理器的电子转换装置，集信号处理、计算和诊断功能于一体。除了具有测量精度高和可靠性强外，它可与PC通过RS485接口直接通讯，在ADView软件环境下，用户可直接对其进行在线节点配置、故障诊断和数据记录。

2.2 工作原理

传感器根据恒定磁场中谐振腔振动原理而设计，并由协振动腔内的压电晶体而产生振动，振动的频率通过另一个压电晶体检测出来，通过移相和放大电路，磁场中的谐振被稳定在自然谐振频率上。

当液体流经谐振腔时，振动发生改变，引起谐振频率变化，从而通过电子处理单元计算出准确的密度值。振动频率与密度的关系为

式中，ρ——液体密度；

T——传感器输出的振动周期；

K0，K1，K2——传感器的常数，在出厂时标定。

2.3 测量装置的校准方法

本体内部有量程和零点的调节旋钮，在空气密度显示为0，在水中密度显示为1。

2.4 密度与浓度的转换

由于仪器采集数据模拟信号易受外界复杂电磁环境的影响，密度和浓度的转换关系是将大量的通过人工分析所取得离散数据整合到在不同数据域区间内有不同线性趋向的纹波梯度动态线。

2.4.1 数据采集工作

仪表厂商根据试验小组一个月现场分析取得的数据，通过EXCEL建立了密度和浓度的二维数据库。

2.4.2 数据前期分析

1）分析软件MATLAB。

MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

应用MATLAB，主要为了非线性动态系统的建模，通过数据库建模后，发现由这组数据得出的图像是波浪线，整个信号是一个各种信号的复合体，其中包括各种干扰数据流所形成的分支信号。

为消除各种干扰数据流所形成的信号，我们采用了MATLAB中的傅里叶变换功能进行去杂信号处理，保证信号的真实性。

2）数据频带分析，即数据概率趋势分析。

在MATLAB分析软件中，通过打开傅里叶变换功能，针对某一个连续的信号可以看作是一个个小信号的叠加，从时域叠加与从频域叠加都可以组成原来的信号，将信号这么分解后有助于数据频带分析。

我们原来对一个信号其实是从时间的角度去理解的，其实是按照时间把信号进行分割，每一部分只是一个时间点对应一个信号值，一个信号是一组这样的分量的叠加。傅里叶变换后，其实还是个叠加问题，只不过是从频率的角度去叠加，每个小信号是一个时间域上覆盖整个区间的信号，但他确有固定的周期，或者说，给了一个周期，我们就能画出一个整个区间上的分信号，那么给定一组周期值（或频率值），我们就可以画出其对应的曲线，就像给出时域上每一点的信号值一样，不过如果信号是周期的话，频域的更简单，只需要几个甚至一个就可以了，时域则需要整个时间轴上每一点都映射出一个函数值。傅里叶变换就是将一个信号的时域表示形式映射到一个频域表示形式，目的是根据数据概率趋势分析即一定密度值对应那些浓度值最多，出现的频率最大，找出一些模糊逼近线性点。

3）通过MATLAB分析发现密度和浓度的对应关系存在两方面的影响。

①外界电磁环境的影响：由于瞬间数据会产生大的跃变，通过在上位机PLC运行软件中，加上了滑动滤波，去极值滤波，低通滤波。

②人为因素的影响：增加时间平滑过度系数。增加20秒的数据滞后保留。

通过上述两项工作的改进，从现场数据变化中，看到数据有大的优化、改善。

2.4.3 PLC运算模块

目前最终的浓度与密度的对应关系，通过部分PLC运行软件体现如下：

通过前期人工数据分析发现浓度和密度存在两种对应关系，即线性对应和非线性段的点映射对应，举例说明如下；

线性对应：我们用D344代表仪表瞬时密度值，D80代表浓度。如果D344大于1.131同时D344小于等于1.134时。属于线性对应关系，可用公式D344＝（7 500＋（D344－1 131）＊100）／100换算浓度。

如：瞬时密度为D344＝1.132时，浓度为D80＝（7 500＋（1 132－1 131）＊100）／100＝76.00

其运算模块如下：

在非线性段内，采用点映射法换算浓度

如：瞬时密度为D344＝1.149时，浓度为D80＝80.00。

其运算模块如下：

3 方案选择及试验

3.1 取样装置安装位置及密度仪接线情况

根据试验实施计划，首先要解决密度仪取样装置现场安装和准确度核定问题。但在生产试验中发现，热碱液流量不稳，对密度仪测量的准确性影响因素较大。

根据密度测量仪要求工作环境：需在稳定流动的介质中测定。为减少热碱液流量波动而引起的测量误差，经现场研究决定制作一缓冲罐，让热碱液先经缓冲罐，使缓冲罐内充满热碱液后，再由缓冲罐顶部溢流去母液池。密度仪测点浸泡在缓冲罐内，使其在几乎稳定的热碱液中测量。

3.2 安装位置

就地表计和热碱液缓冲罐安装在小苏打车间母液池上，副司塔操作室内安装表盘显示。见图1、图2。

3.3 试验方法

首先采用人工分析和仪器测量两种形式对热碱液密度进行检测，并观察分析两者的稳定性和吻合性。人工测量密度采用重量法。

在人工分析和在线检测的密度值相吻合的情况下，找出密度与浓度（总碱量）的对应关系，并在仪器上直接显示浓度值。

然后，用小苏打化验室分析的热碱液浓度与仪器显示的浓度值进一步比对，确认测量仪器的稳定性和符合性。总结出规律，最终实现热碱液浓度在线测量显示。

3.4 试验要求

1）为保证试验正常进行，试验期间，参加试验单位必须确保试验人员准时到位并各司其职。

2）所有试验准备工作于3月25日完成。

3）取样前做好分析准备工作，取样后立即分析，以保证分析结果严谨、准确。

4）计量仪表处及时与厂家联系、协调，保证仪器正常使用。

3.5 试验投运情况

1）根据试验方案进行试验，具体工作进程（略）。

2）根据试验收据数据进行统计和分析，其在线试验数据（略）。

4 试验结果分析及讨论

4.1 密度仪准确度的核实

本次共取试验数据142组，其中表计平均密度为1.167，最大1.213，最小1.123；对应的人工分析平均密度为1.172，最大1.210，最小1.138。以人工分析为基准，平均差值为－0.005，平均偏差率为0.439%。

通过在线检测用密度仪表计显示数值与人工分析数值对照，其曲线趋势基本一致（见图3），具体数据（略）。

图3 人工与表计密度对照图

上述表明密度计所测量的热碱液密度可以认定是准确。

4.2 密度转化为浓度

1）在密度仪准确性验证的同时，也对热碱液的总碱量进行了同步人工分析（本次共取试验数据118个，其中平均浓度83.56 tt，最大浓度104.5 tt，最小浓度67.00 tt），根据所积累的数据，在实际操作的热碱液浓度范围75～95 tt、密度范围1.0～1.25内，将密度仪显示密度值转化为浓度显示数值，并寻找变化规律。

2）根据寻找的规律，编制修改程序，并在生产试验中投用，同时继续采集数据。本次共取试验数据92组进行对照。结果如下：

①表计显示平均浓度为86.20 tt，最大96 tt，最小75 tt；

②人工分析平均浓度为88.67 tt，最大103 tt，最小76 tt；

③（人工－表计）平均偏差为2.47，最大11.00，最小－5.00，与人工的平均偏差率为2.64%。最大12.64%，最小－6.58%。

3）试验数据（略）。

试验趋势图见图4 。

该阶段试验结束后，仪器供应厂家进一步对仪器显示数值进行整合、修正。

4.3 人工分析浓度与表计检测浓度的验证

为进一步验证在线检测的可靠性，停产检修后，取质监处生产分析数据111组与表计显示数值做对比与表计显示数值做对比，结果如下：

①表计显示平均浓度为87.19 tt，最大99.50 tt，最小78.00 tt；

②人工分析平均浓度为88.17 tt，最大100.00 tt，最小76.00 tt；

③（人工－表计）平均偏差为0.97（或0.98），最大11.00，最小－5.10，与人工的平均偏差率为1.03 %（或1.11%）。最大11.34%，最小－6.37%。

试验数据（略）。

试验趋势图见图5。

图5 人工分析与表计显示浓度验证对照图

通过人工和仪器的进一步验证，人工分析浓度数值与在线检测表计显示数值趋势基本一致，其趋势基本吻合，进一步说明热碱液浓度采用在线检测是可靠的，也是可行的。

4.4 结 论

本次在线检测项目的设计和试验是合理的，基本达到热碱液浓度在线连续检测的目的，满足了生产需要，有利于小苏打生产控制及准确计算碱耗。

4.5 影响因素分析

在试验中，由于人工分析和在线检测都受生产条件、取样时间差、读数时间差、分析人员、生产波动等因素影响，仍然存在一定的偏差（注：本次数据分析，均保留原始数据，没有排除异常点数据），对于范围外的数据积累也较少，如：在本次试验中生产条件：热碱液浓度大部分在80～95 tt之间，密度多在1.12～1.2之间。对密度大于1.2的，浓度在80～95 tt之外的情况，因本次采集数据较少，没有在程序中编辑，需在今后的生产中不断补充完善。

4.6 在线分析对生产操作的指导作用和效益估算

仪器检测数值与人工分析数值偏差＜2%，实现了连续测量、采样频次为1次／s，并实现了DCS在线显示。热碱液浓度在线分析取得成功，对我公司是一次技术进步，对于降低中控分析成本，便于准确计算纯碱消耗，稳定碳化操作，提高小苏打产量、质量和降低各项消耗具有十分重要的作用。

TQ 114.17

B

1005－8370（2012）03－30－06

2012－02－24

窦在英（1963—），1987年毕业于山东化工学校化工工艺专业；2003年毕业于青岛科技大学计算机信息管理专业。高工，青岛碱业股份有限公司技术处，主要从事工艺管理和产品标准化管理工作。