基于ZigBee的在线碱液浓度计

　　0　引言

　　在纺织织物丝光、炼漂等前处理工艺中,需要使用NaOH(烧碱)对织物进行处理以达到工艺要求,而在织物漂洗后处理工艺中则需要去除织物中的残留碱[1]。在这些工艺中,碱浓度的变化大,为了保证工艺的稳定性和重现性,需要对碱浓度进行实时检测和处理。传统生产中需要结合不同的工艺和使用不同的检测方法,如密度法、折光法、电导法和滴定法等,而这些检测方法均具有一定的局限性,检测时需要使用不同的检测设备[2],结构复杂、安装和维护也不方便、实时性较差,同时,检测设备的成本较高,检测精度也在一定程度上受到工艺扰动的影响。根据电化学原理,可通过测量工作液中OH-离子浓度,达到检测碱浓度的目的。这种方法可直接检测工作液中的碱浓度,基本不受工作液的扰动和其他因素的影响[3]。

　　ZigBee技术作为一种新兴的无线监控技术[4],特别适合应用在数据量小、数据格式简单、实时性要求高、工作现场环境恶劣、布线与供电不方便、监控点多且呈簇状分布的监控系统中。它可与电化学传感器组成一种低成本、高精度、高可行性的检测设备。

　　1　检测原理

　　根据电化学原理,金属在酸碱盐溶液中与溶液之间存在一定的电位,被称为电极电势。图1所示为金属电势测量原理图。

　　金属电位的变化与溶液中离子的浓度之间存在一定的对数关系[5]。该电势用能斯特方程表示为:

　　式中:E0为标准电极电势;T为绝对温度,K;n为电极反应中的电子数;K为离子浓度。

　　根据实验可知,当温度变化到某一值时(如25℃),金属的电势可用下式表示:

　　式中:C为金属常数,其值与金属材料有关。因此,根据式(2)测量金属的电势,即可计算出溶液的浓度。

　　在测量插入NaOH溶液中金属的电极电势时,不能直接测量NaOH溶液与金属间的电势差,而要使用溶液引出电极来测量[6]。引出电极使用甘汞电极(盐桥),通过测量甘汞电极与金属电极(Fe)之间的电势差,根据式(2)即可计算出碱液中NaOH浓度。

　　2　系统设计与实现

　　2. 1　浓度检测电路原理

　　浓度传感器电路由金属电极和盐桥组成。金属电极采用不锈钢电极、盐桥使用甘汞电极;金属电极与甘汞电极之间的电势差信号经过小信号处理电路处理放大后,输入到ZigBee处理器,通过CC2430进行A/D转换[7]。电势差信号由CC2430处理后以无线方式传输到无线接收端,再由接收端的微处理器CC2430处理后,将浓度显示在显示屏上,同时将浓度数据经数据接口输入到计算机系统,进行存储和数据处理。碱浓度检测系统原理如图2所示。