1 碱溶液浓度检测的原理
1.1 碱溶液浓度与电导率的关系[2]
碱溶液，属于电解质溶液范畴。电解质溶液之所以能导电，是因为溶液中有离子的存在。当电流通过电解质溶液时呈现出与金属一样的电阻Rs，溶液的电导G用其电阻Rs的倒数来表示：
从式2中可以看出，当λ、δ为常数时，电导率S就仅是浓度δ的函数，而δ仅决定于溶质的分子量。当溶液浓度较低时，当量电导率λ近似为常数，故电导率 S与浓度χ接近线性关系。
但在浓度较高时，电导率与浓度之间会出现非线性或双值关系。这是因为，电解质溶液的离子数量不仅与溶液的浓度有关，还与在该浓度下的电离度有关，当浓度增加到一定数值时，溶液的电离度减小，使离子总数下降，导致电导率下降[3]。
碱溶液浓度对电导率的关系曲线，如图1所示。
针对NaOH对应的曲线进行分析，可见碱液浓度对电导率值的关系既不是线性的也不是单值的，而是存在如下规律：
1)当碱液质量百分比浓度为16%～18%(折合体积浓度约153～166g/L)时，对应曲线出现峰值，说明此时电导率值最大;
2)当碱液浓度较低时, 电导率随其浓度的增大而增大;
3)当碱液浓度增大到一定值，即约153～166g/L后，随着离子的增加，由于正负离子之间的相互作用加大，互相束缚使得离子运动受阻，从而出现了浓度增大电导率值反而减小的现象[4]。
本文的研究对象为体积浓度中心值为 35g/L的碱溶液，折合质量百分比浓度为3%～5%的范围内，从曲线上观察，该范围对应的曲线是单调递增的。
值得提出注意的是，温度对电解质溶液的电导率会产生较大的影响，这是因为溶液温度不同，离子的运动速度会有不同。当温度升高时，溶液粘度降低，离子运动速度加快，在电磁场的作用下，离子的定向运动速度也加快，从而使得溶液的电导率值增大;反之，当溶液温度下降时，其电导率值会相应的减小。因此此，在对碱液浓度的控制中，对于液体及环境温度的控制，也是一个十分关键的方面，不容忽视。
1.2 碱溶液浓度与比重的关系
对于碱溶液、碱的混合液的浓度与比重关系的问题，相关研究通过实验测定与分析，取得了一定的成果。
1.2.1 NaOH溶液的比重与浓度的关系
通过分析NaOH溶液在20℃时浓度与比重的实测曲线[5]发现，其比重与浓度不是呈严格的线性关系变化，而是呈下列指数关系：
1.2.2 NaOH溶液的比重与温度的关系
随着温度的升高，NaOH溶液的比重下降，但浓度与比重关系曲线变化趋势保持不变。
综上，在碱溶液浓度中心值35g/L、碱洗温度50℃～70℃的工艺条件下，存在如下规律：
1)碱溶液的电导率和浓度呈单调递增趋势的线性关系变化;
2)碱溶液的比重和浓度呈单调递增趋势的指数关系变化;
由此，对多组分碱溶液浓度的检测，即可以转化为对其电导率和比重的检测来间接实现。
2 浓度控制方案设计
由以上分析得出的结论，对于碱性除油液浓度的控制，可以通过对其电导率和比重值的控制来间接实现。
首先，设置两个被控量，分别为：
1)电导率值，设为 X，以横轴表示;
2)比重值，设为 Y，以纵轴表示。
如图2所示，两坐标轴将平面区域划分为四个象限：
在控制中规定，电导率值X在【a1，a2】区间内，被认为是工艺条件许可的正常范围;同样，比重值Y在【b1，b2】区间内，被认为是工艺条件许可的正常范围。
由此，在上图中过四个边界点的矩形区域，就是被控系统的目标工艺浓度范围，在这里我们称之为“盲区”。即可认为，当检测值落在这个区域内时，系统是不动作的，而当检测值偏离这个范围时，系统将通过控制与调整，使其进入这个区域内。
2.1 浓度调节控制策略
在控制过程中，需要加入三种液体，以调节碱洗处理液的电导率值和比重值，达到对其浓度进行控制的作用：
1)加入NaOH原液
调节处理液的电导率和比重值，在本课题控制系统的工艺浓度范围内，NaOH原液的加入，将使电导率值升高，比重值升高。
2)加入纯净水
调节处理液的电导率和比重值，在本课题控制系统的工艺浓度范围内，纯净水的加入，将使电导率值降低，比重值降低。
3)加入偏铝酸钠
在碱洗处理液中，加入偏铝酸钠可以达到加入碱和Al3+的双重效果。因为单纯加入NaOH原液，会使得铝板腐蚀严重。碱性的偏铝酸钠的加入，既调节了溶液的碱性，又补充了混合液中的 Al3+，从而防止了铝板基受到严重的腐蚀。
在控制实现方式上，NaOH原液和纯净水的补加，通过自动或手动控制均可实现，可以通过上位机监控画面中按钮或现场转换开关进行“自动/手动”切换。偏铝酸钠的加入，则是通过上位机输入补加量，下位机控制执行机构进行补加。
2.2 浓度控制方案
1)第一象限(Q1)控制方案加入纯净水，使电导率值降低，比重值降低，
直至检测值进入“盲区”。
2)第二象限(Q2)控制方案
(1)第二象限一区(Q2-1):同时加入纯净水和NaOH原液(投入比例2：1)，降低比重值，升高电导率值，直至检测值进入“盲区”。
(2)第二象限二区(Q2-2):同时加入纯净水和NaOH原液(投入比例1：2)，降低比重值，升高电导率值，直至检测值进入“盲区”。
3)第三象限(Q3)控制方案
加入NaOH原液，升高电导率值，升高比重值，直至检测值进入“盲区”。
4)第四象限(Q4)控制方案
(1)第四象限一区(Q4-1):同时加入纯净水和NaOH原液(投入比例1：2)，升高比重值，降低电导率值，直至检测值进入“盲区”。
(2)第四象限二区(Q4-2):同时加入纯净水和NaOH原液(投入比例2：1)，升高比重值，降低电导率值，直至检测值进入“盲区”。
3 软件系统控制流程
控制系统包括系统初始化子程序与浓度控制程序，系统初始化子程序流程如图3所示：
初始化子程序有两个主要的作用：
1)设置电导率X、比重Y等工艺参数。如图4所示，其中：
a为工艺要求的最佳电导率值，a1、a2分别为工艺允许电导率下、上限值;
b为工艺要求的最佳比重值，b1、b2分别为工艺允许比重下、上限值。
2)定义“盲区”范围，设置状态标志位。
浓度控制程序，依照如图5所示的流程进行。
在对碱性铝板基除油液浓度的检测与控制过程中，还必须考虑到温度的影响。通常情况下，温度越高，除油脱脂的速度越快，但温度过高，一方面会加速碱液对铝板的浸蚀，另一方面将会造成能源消耗的增加;反之，若温度过低，将导致脱脂速度过慢，显著延长脱脂时间。
由于该线碱洗温度为50℃～70℃，在此工艺条件下，以将温度控制在60℃为控制目标。
4 结论
本课题是 PS 版生产线表面处理段调送液系统改造项目，主要为研发适用于工业现场的基于的表面处理液浓度、温度及液位的自动化检测与控制系统，以改变目前人制的现状，提高控制的实时性与准确性。
课题采用 SIMENS 公司的 S7-200 系列 PLCCPU226作为现场控制单元，采用PC机作为上位计算机，运用STEP7-Micro/WIN32编程软件建立对下位机 PLC 的控制程序。
上位机，应用组态王软件设计人机交互界面，实现了对处理液电导率、比重、温度等工艺参数的实时数据、变化趋势曲线，现场各泵、阀门的控制状态以及储箱液位的实时监测与控制，并可实现在线的参数修改和控制方式转换等功能。
参考文献：
[1] 岳智勇.除油液结垢对PS 版质量的影响和解决办法初探[J].印刷质量与标准化, 2001(2):26-27.
[2] 北京师范大学化学系.简明化学手册[M].北京:北京出版社,1980.
[3] 王兴刚,李金海.电磁浓度计在纱线丝光碱液浓度检测中的应用[J].世界,2003,(1):20-23.
[4] 李福刚,王永臣,夏吾勇.碱溶液浓度的自动检测[J]..沈阳化工学院学报,1977,Vol.11(1):18-24.
[5] 吴金水.碳酸钠、苛性钠及铝酸钠溶液的比重与其浓度和温度的关系[J].轻金属,1979,(3):16-23.
作者简介： 赵鸿雁(1980-)，女，天津人，讲师，硕士研究生，研究方向为模式识别与智能信息处理、印刷工程。