PISONICS | 西安派声
PS7020 系列
超声波浓度计（声速法）
声速法 · 测温元件在声路中 · 浓度–声速–温度标定矩阵
碱性电解水制氢 KOH 电解液浓度在线测量 行业应用方案
—— 电解槽进液 · 碱液循环 · 配碱 ——
【关键测量参数：KOH wt% ／ 温度 ℃】
碱性电解水制氢：KOH 电解液浓度在线测量
一、电解液浓度落在哪一段 The Operating Window
碱性电解槽（ALK）的电解液是氢氧化钾水溶液。团体标准 T/CASMES 517—2025 表 3 给出的电解液浓度为 27 %～32 %，碳酸根（CO₃²⁻）小于 100 mg/L；5.1.1 给出的工作温度宜为 75～95 ℃。文献里常见的范围是 20～30 wt%、50～80 ℃。浓度偏离设计区间，电耗会上升，所以电解液浓度要监控；传统做法是定期取样化验。
T/CASMES 517—2025 由中国中小企业协会发布（2025-03-31）。各家电解槽的设计值以设备厂资料为准。
二、这一段为什么不适合用电导率测浓度 Why Not Conductivity
KOH 溶液的电导率随浓度先升后降，中间有一个极大值；极大值的位置还随温度移动——温度越高，峰值对应的浓度越高。按 Gilliam 等（2007）的关联式（适用 0～12 mol/L、0～100 ℃，最大偏差 ±6 %）计算：
| 温度 | 电导率峰值对应的浓度 | 峰值电导率 | 电导率在峰值 99 % 以内的浓度带 |
|---|---|---|---|
| 25 ℃ | 约 6.1 mol/L（约 27 wt%） | 0.63 S/cm | 5.4～6.9 mol/L |
| 50 ℃ | 约 7.0 mol/L | 0.95 S/cm | 6.1～7.9 mol/L |
| 80 ℃ | 约 7.5 mol/L（约 32～33 wt%） | 1.39 S/cm | 6.7～8.5 mol/L |
按 Gilliam 等（2007）关联式计算；mol/L 与 wt% 的换算按估算的溶液密度，只作参考。
电解槽 27 %～32 % 的工作区间，正好压在这个峰附近。按同一关联式，80 ℃ 时 6.7 mol/L 和 8.4 mol/L 的电导率都约 1.38 S/cm——6.7 mol/L 约 30 wt%，8.4 mol/L 约 36 wt%，一个读数对应两个浓度；在 6.7 mol/L 附近，浓度变 1 mol/L（约 3.5 个百分点），电导率只变约 2 %，折合每个百分点约 0.6 %，而温度变 1 K，电导率就变约 1.1 %。还有一点容易忽略：同一份 30 % 的碱液，25 ℃ 时落在峰的右侧（浓度升、电导降），80 ℃ 时落在峰的左侧（浓度升、电导升），冷态和热态的变化方向是反的。
所以在电解槽上，电导率表适合看「有没有、变没变」，不适合当浓度计。同样的情况在烧碱里也有：NaOH 的电导率极值落在 15 %～20 % 一带，见 事故氯吸收装置的碱浓度怎么测。
三、密度、声速、折光：都单调，各有前提 Density, Sound Velocity, Refractometry
| 方法 | 在 25 %～35 % KOH 里的表现 | 要注意 |
|---|---|---|
| 密度 | 随浓度单调上升；30 % 附近浓度每变 1 wt%，密度约变 0.0105 g/cm³（按公开手册数据计算） | 气泡直接进入读数：按混合密度估算，1 % 体积的气泡相当于约 1.2 wt% |
| 声速 PS7020 | 公开文献测到 8 mol/L，声速随浓度单调上升，约 4.2 mol/L 处斜率略有变化；温度影响大，要用浓度–声速–温度标定矩阵 | 微小气泡会扰乱声速信号，要在气液分离之后测 |
| 折射率 PS7110 | 单调上升 | 过程温度按 PS7110-C（−10～100 ℃）选 |
| 电导率 | 见第二节 | 只做指示 |
PS7020 还没有在 KOH 电解液上做过实液标定；同为强碱的 NaOH，我们用称重法配制的标准液做过实测。声速–浓度关系逐介质不同，不能拿 NaOH 的表外推，KOH 要按实液建立标定矩阵。
四、碳酸钾：在线读数和化验对不上的常见原因 Carbonate
碱液和空气接触（配碱、补水、检修）时会吸收 CO₂：CO₂ + 2 KOH → K₂CO₃ + H₂O。游离 KOH 被消耗，生成的碳酸钾仍溶在液里。T/CASMES 517—2025 把电解液碳酸根限定在 100 mg/L 以下。
对在线测量来说，碳酸钾让碱液从二元体系变成三元体系：密度、声速、折射率这类单一物性反映的是溶质的「总量」，分不清哪部分是 KOH、哪部分是 K₂CO₃。碳酸钾积累后，在线读数会和游离碱的化验值慢慢拉开，一般是在线读数偏高。
- 化验要能区分两者：先加氯化钡沉淀碳酸根，再用盐酸滴定到酚酞终点，得到的是游离 KOH；取样要快，避免样品自己吸收 CO₂。
- 定期配对比对：在线读数和化验值成对记录；偏差持续单向变大时，先查碳酸根。
五、测点：分离之后、进槽之前 Where to Measure
从电解槽出来的碱液带着大量氢气、氧气气泡，先在气液分离器里分离，再经冷却器、过滤器和循环泵回到电解槽。在线浓度计装在分离之后、进槽之前的满管段上，气泡最少：
- 优先：碱液循环泵出口到电解槽入口之间的满管段；有过滤器的，装在过滤器下游。
- 两侧分开循环时：阴极侧（氢侧）耗水，浓度会升高，两侧浓度不一样，需要分别监测，或按工艺定期混合。
- 不要装在分离器里或电解槽出口的气液两相段。
- 直管段一般按前 10D、后 5D（最少前 5D、后 3D）；测温元件在声路中，温度补偿用的就是测点处的液温。
- 选型：电解液 75～95 ℃，超过标准型的 80 ℃，选 PS7020 高温型（−20～+120 ℃）。
- 防爆：氢气属 IIC 类，PS7020 可选 Ex d IIC 隔爆型；温度组别按介质最高温度核定。
PS7020 关键参数 PS7020 Key Specifications
| 项目 | 指标（PS7020 产品页） |
|---|---|
| 测量原理 | 超声传播时间法（TOF），双探头一发一收对射：声速 → 浓度 / 密度 |
| 输出量 | 质量浓度、密度、声速、温度；诊断量含接收信号能量、信号质量、故障状态字 |
| 测量精度 | 0.5 ‰ / 1 ‰ / 5 ‰ 三档，对应密度 ±0.0005 / ±0.001 / ±0.005 g/cm³；三档是标定条件的函数，订货时约定按哪一档验收 |
| 介质温度 | 标准型 −20～+80 ℃；高温型 −20～+120 ℃（订货时指定） |
| 工作压力 | ≤ 2.0 MPa |
| 安装 | 管段式（法兰，DN25 / DN50）、卡箍式、插入式 |
| 输出 | 4–20 mA × 2（NAMUR NE43）；RS485 Modbus-RTU；HART 5 |
| 防护 / 防爆 | IP65；Ex d IIC T6 Gb 可选（介质温度高时，温度组别按介质最高温度核定） |
| 出厂标定 | 40 组标定区，每组最多 16 个浓度点 × 15 个温度点 |
| 接液材质 | 316L 不锈钢 + 蓝宝石声窗；热碱工况按浓度、温度核定 |
选型前请确认 Before You Order
- 电解液设计浓度，正常运行温度和最高温度（含开机升温、停机降温）。
- 氢侧、氧侧循环是否分开；测点处管径、压力。
- 现行化验方法与频次，是否单独测碳酸根。
- 防爆分区；需要的输出信号和对接的控制系统。
- 能否提供一组取样化验数据（浓度 + 当时温度），用于核算标度。
关于这页的性质：这是方法与选型说明，不是业绩案例。PS7020 在这个介质上目前没有可公开引用的投运数据，所以这里没有装机台数、节省比例或回收期——那些数字我们不编。页面里的数字只有三类：标准条文，公开资料里的物性数据及由它们推出的估算（标明「估算」「按……计算」），以及仪表自身的规格。
结语
西安派声（PISONICS）的在线密度 / 浓度测量覆盖 6 大类测量原理（超声、音叉、科氏力、光学、微波、差压），选型的第一步是先问：这道工序要测的到底是什么量、在哪一段。KOH 电解液恰好落在电导率的峰上，所以要换一个单调的物理量来测。相关阅读：32% / 48% 烧碱储罐浓度在线监测、超声波密度计 / 浓度计、化工强酸强碱密度计选型指南。
