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USC-Ⅲ超声波硫酸浓度分析仪
使用说明书
南化集团研究院
1工作原理
2主要技术参数
3仪器特点
4仪器结构
5仪器安装、使用及调试
6常见故障及排除方法
7仪器的成套
8本仪器在水中特性
93%硫酸是化工生产及医药生产的重要原料。
在硫酸生产系统中作为干燥酸，它直接影响着进入转化器的SO2气体的含水指标。
因此选择一种准确、可靠、连续测量93%硫酸浓度的在线检测仪表，将能够降低生产成本，延长催化剂寿命，提高产品质量。
ＵＳＣ-
超声波93%硫酸浓度分析仪是我院“八.五”期间自主研发的一种新型非接触式硫酸浓度在线分析仪。
它克服了干吸工序腐蚀性强、干扰强等问题，它与沸点法、比重法、谐振法相比有着无可比拟的优点。
多年来，经过众多用户的实际使用表明该仪表是目前测量93%硫酸浓度的最佳选择。
特别是近年来，我们对该仪表进行了不断改进，使得整体仪表在技术上有了很大的提高。
在测量上采用了单片机前置的方法，提高了测量的稳定性；在数据传输上采用了抗干扰性能更加优越的RS-485接口，使得数据传输的可靠性与传统的单线数据传输相比有了本质的提高。
一、工作原理
本仪器是根据超声波在介质中的传播速度与介质浓度之间存在很好相关性的原理构成。
通过测量超声波在介质中的传播速度，实现测量介质浓度的目的。
在一距离（L）固定的容器里，超声换能器产生的超声波，经发射面-被测介质-反射面的路径传播，如果传播所需的时间为t，则可得出声速
，见图1。
声速还与被测溶液的温度有关。
即：
式中：
v-声速；t-溶液温度；C-溶液浓度。
超声波的发射、接收采用收发合用型超声换能器。
被测介质出口
超声波反射L超声波发射、接收
被测介质入口
图1
根据文献提供的数据，曲线及实验室测试的浓度声时数据表明，硫酸浓度每变化1%，将引起19米/秒的声速变化，显然灵敏度是高的。
由实验数据，进行多项回归：
=A0+A1（v-v0）+A2（v-v0）+A3（t-t0）+A4（t-t0）+A5（v-v0）*（t-t0）
这样，当测得声速和温度后，就可以计算出浓度值。
二、主要技术参数
1、测量范围：
91%～95%硫酸2、温度补偿范围：
40℃±30℃
3、精度测量：
≤±5%F.S4、输出信号：
4～20mADC
5、负载电阻：
0～800Ω6、环境温度：
-10℃～45℃
7、供电电压：
220±10%VAC8、功率消耗：
<30W
三、仪器特点
1、仪器现场部份为全封闭管道安装式。
结构简单、性能可靠，不受测量介质的腐蚀，大大提高了仪表的使用寿命，维护量小。
2、通过光隔实现了输入、输出的隔离，消除了诸如大电流跳动所引起的的干扰，并能克服高共模电压，大大地提高了仪表抗干扰能力。
3、选用具有较强数据和逻辑处理能力，应用广泛的MCS-51单片机，组成小型计算机系统，进行数据回归，输出信号4～20mADC，简化了仪器线路，提高了仪器的测量精度。
4、采样电路置于检测器里，采用了单片机前置的方法，温度和声时的检测由前置单片机独立完成，温度测量采用全数字式温度传感器（DS18B20），大大提高了测量的准确性和稳定性；采样板与信号处理器之间使用RS-485串行数据传送，大大提高了数据传输的抗干扰能力和数据传输距离。
四、仪器结构
该仪器由检测器、信号处理器两部分组成（见图2）。
图2仪器结构示意图
1.检测器结构
检测器为流通式检测器。
（其结构见图3a和图3b）
图3a流通式检测器结构图图3b流通式检测器安装法兰图
检测器由采样板、换能器、测温管等组成。
换能器是实现声时—电转换的主要部件，通常是采用压电陶瓷材料制做换能器，压电陶瓷是一种具有压电效应和逆压电效应的陶瓷材料。
当它受力作用时，会产生电信号，反之当它受到电场作用时，会产生应力和应变，利用压电陶瓷的这个特性，人为地对它施加一个脉冲电压，使其产生超声振动（即超声波的发射），当超声波反射波返回到达压电陶瓷上时，由于声压的作用，它会产生脉冲电势。
这样实现了电—声、声—电的转换。
采样板作用是进行温度、声时采样，采样板上带CPU控制各部件工作，并将数据转换成串行信号传送给信号处理器。
其框图见图4。
测温管为一不锈钢保护管，内装温度传感器DS18B20。
图4采样线路框图
由CPU发出的声时触发信号，经整形后，触发发射电路，激发压电陶瓷晶片，使其发生振荡，产生超声波，超声波从换能器发出，经溶液到反射面，反射回来的回波被晶片接收，经放大整形后，送脉宽转换电路，得到与浓度、温度有关的脉冲宽度，经计数电路后，再转换成串行数据，传送给信号处理器。
温度测量采用一线式的通信方式，温度传感器DS18B20占用CPU的一根IO口，组成的温度测量通路。
它可以实现1/16℃的测量精度，且不需要进行任何校准工作。
2、信号处理器结构
信号处理器是根据检测器传送过来的声时及温度信号，计算出硫酸浓度，分别送显示和输出，其框图见图6。
图6信号处理器框图
①计算机组成信号处理器以ATMEL89C55为CPU，24C512E2PROM为数据存贮器，四位键盘为“增加”、“减少”、“切换”、“确认”，160×128点阵液晶屏用来显示浓度、温度、时间和历史曲线等工作状态。
②信号接收、处理信号处理器接收信号检测器以串行数据方式送来的温度和声时数据，并对其进行计算和处理，然后送液晶屏显示。
③输出电路由计算机输出浓度对应的脉宽信号，经光隔后，通过脉宽-电流转换器，输出4～20mA电流信号。
④报警电路当测量浓度值超出设定上限或下限值时，计算机输出信号触发达林顿管、驱动继电器，输出报警信号。
五、仪器安装、使用及调试
（一）仪器的安装
整套仪器分为现场的检测器安装和控制室信号处理器安装两部分进行。
1、检测器的安装
流通式检测器的外形参见图3a，直接安装在采样管路上，其安装示意图见图7。
安装流通式检测器的采样管道尽量采用耐酸材料制做，例如铸铁管和不锈钢管等。
其酸采样口应位于待测酸管的侧面或管上部（待测管必须充满酸）以防酸泥堵塞。
待测酸管和采样管之间配接，采用三通及大小头加以解决，由待测酸管取样阀出口至检测器入口的采样管线其水平长度应大于1.5米。
检测器及配管的高度，应以便于安装和检修为原则，而且要充分考虑防止酸烫伤的安全事故，一般取1米高度左右。
在检测器出口安装不锈钢阀门6，这时进口酸阀门3应尽量开大，出口酸阀门6尽量关小，并以此阀们调采样酸流量，以回酸能连续流出、不断流为好，以取得更好的测量效果。
采样管路和检测器配合法兰，参见图3b及图7安装材料说明。
建议在检测器出口回酸管的端部和循环槽平台之间加装漏斗装置，其目的便于了解和控制采样酸量。
加装的漏斗装置以能观察到出酸量而无酸溅出为宜，其材质应耐腐蚀。
2、信号处理器的外形、开孔及安装
信号处理器可安装于现场防护箱内，也可直接安装在控制室仪表盘上。
信号处理器的外形及表盘开孔尺寸见图8
信号处理器外形尺寸：
长X宽X高=144x144x320mm
信号处理器在仪表盘上开孔尺寸：
134+1x134+1mm
信号处理器安装在现场时，应加防护箱，距离检测器远近应以便于维护和接线调校方便及离腐蚀源较远的地方为宜。
信号处理器应安装在无强磁干扰场所。
整套仪表之间的外部接线见图9，
信号处理器电源的地（18#号端子）必须良好接地（接地电阻≤4Ω）。
信号电缆的一端与信号处理器的18#端子相连。
注：
（1）图中标示的“检测器出口流量控制阀”必须安装；
（2）仪表正常使用时，“排污截止阀”必须关闭。
图7流通式检测器现场安装示意图
图8信号处理器外形尺寸及开孔尺寸
图9USC型检测器与信号处理器接线图
（二）仪器的使用
①开机仪器安装正确后，关闭检测器下部排污阀，缓缓开启取样阀，使检测器的测量槽内充满酸，流量不宜过大，如仪器第一次使用，或大修停机较长时间，检测器探头在酸中需充分钝化，这需等待一小时左右。
然后再接通仪器电源，仪器即显示开机自检状态，过几秒后自动跳转到浓度显示（如图10）。
同时信号处理器输出对应酸浓信号。
②按键说明信号处理器面板有四只按键（如图10），分别为“增加”键、“减少”键、“切换”键和“确认”键。
其中“切换”键为显示切换，每按一下“切换”键液晶屏第一行显示由“Tm（温度）→Vs（声速）→BH（上限报警值）→BL（下限报警值）→Pd（回波个数）→D1（声时代码）→D2（温度代码）”循环切换显示。
“确认”键有二个作用，分别为修改确认和进入调试状态。
“增加”键和“减少”键除在仪表调试状态使用；此外，在测量状态下，按住“增加”键5S，则进入历史曲线菜单；按住“减少”键5S，则进入时间校正状态。
③维护说明仪器因工艺停车，长时间（10天以上）无采样酸流动情况下，应将流通式检测器的铸铝防护罩连同换能器、采样器一起从测量槽中拆除保养，待再使用时按要求重新安装接线。
图10信号处理器显示屏及按键面板图
（三）仪器的调试
1按住“确认”键5秒左右，仪器将进入调试状态。
2按“切换”键，仪器将光标相对应的参数，其所代表的参数如下表所示：
参数
正常值
浓度校正
91.00---95.00%（可调）
报警上限
95.00（可调）
报警下限
91.00（可调）
声速校正
1380m/s左右
电流零点
04mA
电流量程
20mA
单页宽度
20MI、40MI、60MI、02HR、04HR、08HR
3浓度校正光标切换至“浓度校正”时，按“增加”键或“减少”键，可实现浓度校正。
4报警上限光标切换至“报警上限”时，按“增加”键或“减少”键，可实现上限报警设定。
（注：
设置值为95.00%时，取消上限报警功能）
5报警下限光标切换至“报警下限”时，按“增加”键或“减少”键，可实现下限报警设定。
（注：
设置值为91.00%时，取消下限报警功能）
6声速校正声速参数用户不要修改，以免影响仪器的正常测量。
7电流零点光标切换至“电流零点”时，按“增加”键或“减少”键，可实现输出电流零点校正（4mA）。
8电流量程光标切换至“电流量程”时，按“增加”键或“减少”键，可实现输出电流量程校正（20mA）。
9单页宽度光标切换至“单页宽度”时，按“增加”键或“减少”键，可修改历史记录曲线显示时间宽度，分别为：
20分钟、40分钟、60分钟、2小时、4小时和8小时。
10修改结束后，按“确认”键退出修改。
、常见故障及排除方法
序号
现象
原因
排除方法
1
显示器不亮，仪器不工作
电源没有接好,仪表后部插头松动
检查供电电源是否正常,抽出仪器芯,重新插好插座
2
浓度指示异常，回波数（Pd）少于三个
1硫酸没有充满测量槽或没有酸流过测量槽,
2换能器接线没有接好,或换能器和反射板故障
3没有按照要求安装检测器.
4检测器线路板故障
5现场检测器与信号处理器之间的串行数据通信线有问题
①关小出口阀，全开进口阀，调出口阀有合理酸流量
②将换能器连线重新接好,并检查换能器和反射板
③按照要求安装检测器.
④检查检测器线路板故障或与生产厂家联系
⑤检查现场检测器与信号处理器之间的接线
3
浓度指示跳动，
被测介质中有气泡
现场存在电气干扰
开大进口阀，进一步关小出口阀
微调检测器线路板稳定性调节电位器（RV1），使声时测量值（D1）稳定
4
显示浓度与实际不符，有一定差距
仪器有误差
进入调试状态，在“浓度校正”下，通过“增加”、“减少”键进行调整
5
温度和浓度数据均不正常
检测器与信号处理器之间通信线没接好
现场干扰大
线路板故障
检查检测器与信号处理器之间通信线
将屏蔽层接地
与生产厂家联系
7
没有输出信号
①外联仪表故障或外联接线有问题
②输出电路OP07损坏
①检查外联仪表或外联接线
②更换OP07运放
8
仪器走死线，输出电流不变化
①被测酸不流动
②输出电路OP07损坏
软件或硬件故障
①调节放酸量，保证取样槽中有酸流动
②更换OP07功放，或与厂家联系
重新送电或与生产厂家联系
、仪器的成套
整套仪器包括：
⑴信号处理器一台（包括安装托架一付）；
⑵检测器一台
⑶说明书一份
测量槽一个
八、本仪器在水中的特性
由于硫酸在作为标准物质标定本仪器时有一定的危险性，可以用蒸馏水代替硫酸对本仪器的以下某些性能进行标定。
在用水代替硫酸进行试验时，可用一个烧杯装入适量的蒸馏水，将分析仪倒插入烧杯中，如图所示。
注：
蒸馏水要充满烧杯，在传感器与蒸馏水之间不能有空隙。
声速校正不同温度下超声波在水中传播速度是不一样的，不同温度下超声波在水中传播速度如表所示，如仪器在此状态下的指示值与表格的数据不一至，可以按“速度校正”的调整方法调整，使其指示值与表格的数据一至。
此项调整可替代仪器在硫酸介质中的量程调整。
超声波在蒸馏水中传播速度
温度
20
25
30
35
40
45
50
55
声速
1482.7
1497.0
1509.4
1519.7
1529.2
1536.4
1542.9
1547.2
单位：
南化集团研究院仪表自动化研究所
地址：
南京市大厂区葛关路699号
邮编：
210048
电话：
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网址：
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