1 引言

　　水和蒸汽是熱力系統中的鍋爐、汽輪機、過熱器等設備的重要工作介質。當火力發電廠正常運行時，熱力設備中都有水或蒸汽在流動。水、汽的品質都有規定的指標，一旦水、汽品質的指標超標，就會加速熱力設備的腐蝕、結垢和積鹽。當水汽中攜帶一些含鈉的雜質時，將會導致汽輪機金屬材料的點蝕、應力腐蝕或腐蝕疲勞，這些腐蝕通常會造成重大的經濟損失。嚴重時甚至造成重大事故。鈉離子含量是發電廠水汽品質的重要指標之一。因此，為防止結垢、結鹽，減緩系統中金屬部件的腐蝕。保證系統的安全經濟運行，必須對電廠水汽系統中鈉離子含量進行嚴格監測和控制。

 

　　2 測量原理

　　鈉離子的測量是基于電化學中的電位分析法，由測量電極和參比電極及待測溶液構成原電池。測量電極是對鈉離子具有選擇性的玻璃電極，參比電極的電位保持恒定。當測量電極與參比電極同時浸入溶液后，即組成測量電池對，圖1給出測量電池的示意圖。其中鈉測量電極的電位隨溶液中鈉離子的濃度符合能斯特方程式：

　　式中：E為鈉電極電位；E0為鈉電極的理論等電位點電位；R為氣體常數，R=8.317 J／(mol．K)，T為溶液的絕對溫度，T=273+t，K；F為法拉第常數，F=9.649×104 C/mol；C為鈉離子的濃度，ppb;f為鈉離子活度系數，對于1 000 ppb以下的稀溶液f≈1。由鈉離子選擇性電極、參比電極以及待測溶液構成測量電池，通過一個高阻抗的毫伏計對被測溶液進行精確的電位測量，從而可直接測定溶液中鈉離子的含量。

　　3 水路設計

　　對鈉有選擇性的玻璃電極對氫離子的響應比對鈉離子響應還敏感，所以氫離子是鈉測量時主要的干擾源，要用堿性試劑加以抑制。在對Na+的測量過程中需要合適的水路設計，對水樣進行恒流，堿化。水路設計及工作過程如圖2所示。

　　在正常測量時，樣水從進口經三通電磁閥進人恒流杯，過多的樣水從溢流口流出，由于負壓原理，樣水在T形塊帶動堿化氣進入測量杯，水氣混合后，PH值達到要求，流經測量電極和參比電極經出水口排出。當標定時，電磁閥進行切換，校準用標準溶液經電磁閥進入恒流杯，樣水經卸壓閥流出。該水路設計削弱了H+和流速造成的誤差，提高了測量精度。

 

　　4 硬件電路設計

　　在線鈉離子分析儀的硬件電路設計是以8位的微控制器ATmega128為核心，其總體的設計框圖如圖3所示。主要包括電源、信號調理電路、A／D轉換、微控制器、擴展存儲器、人機接口6個部分。

 

　　電極輸出的是一個近似直流的電壓信號，經放大處理后，進行A/D轉換，將數字信號輸入微控制器進行分析處理，然后存儲和顯示數據，并通過串口把數據傳輸給控制室。

　　4．1 微控制器

　　這里選用高性能8位單片機ATmega128。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，可廣泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通信設備、家用電器等各個領域。

　　ATmega128特點：內嵌128 KB的Flash程序存儲器，擦寫方便，便于產品的調試、開發、更新；內嵌4 KB的E2PROM和4KB的RAM，具有64 KB的外部存儲器尋址空間；具有PWM功能的定時器／計數器(T／C)；具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器：SPI串行端口；與IEEE1149.1規范兼容的JTAG測試接口(同時還可用于片上調試)；低電壓供電、寬工作電壓范圍：2.7～5.5 V；抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟件抗干擾設計的工作量和硬件的使用量；工作溫度范圍符合工業級要求，達到-55℃～+125℃。基于ATmega128的諸多特點．因此這里選用ATmega128單片機作為在線鈉離子分析儀的核心控制器。

　　4．2 A／D轉換器

　　A／D轉換器采用TI公司的AD7714。AD7714是適用于低頻測量應用的完整模擬前端。器件直接從傳感器接受低電平信號并輸出串行數字。它使用∑-△轉換技術以實現高達24位的無誤碼性能。輸人信號加至專有的基于模擬調制器，具有可編程增益的前端。調制器的輸出由片內數字濾波器處理。通過片內控制寄存器可對此數字濾波器編程，允許調整濾波器的截止頻率和穩定時間。AD7714具有3個差分模擬輸入(它也可配置為5個準差分模擬輸入)以及差分基準輸入，分別對溫度信號和鈉離子濃度信號采樣。

　　4．3 存儲部分

　　由于系統移植了μC/OS-II操作系統，各個任務均需要分配獨立的堆棧空間，總線上擴展32 K字節的隨機存儲器KM62256。KM62256是8位數據寬度32 K字節的隨機存儲器，具有低功耗、速度快等優點。同時還擴展了64 KB字節的E2pROM AT24C512，用來存儲電路校準數據和實時測量數據，并可存儲一個月的歷史數據，繪制歷史曲線，詳細反映水質變化過程和趨勢，有利于發現和解決問題。