特殊工況下pH值測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

艾昌文 楊艷華 王云峰 曹良坤 馬燕昆

(云南大學(xué)省電子計(jì)算中心，云南 昆明 650223)

特殊工況下pH值測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

艾昌文 楊艷華 王云峰 曹良坤 馬燕昆

(云南大學(xué)省電子計(jì)算中心，云南 昆明 650223)

針對(duì)pH值測(cè)量與控制的應(yīng)用需求，提出了一種嵌入式pH值測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和解決方案。通過(guò)采用噴淋清洗技術(shù)和電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制技術(shù)，使系統(tǒng)在特殊工況下具有廣泛的適用性。對(duì)于渾濁、黏稠液體的測(cè)量，介紹了一種自動(dòng)清洗裝置的構(gòu)造原理、接口電路和控制流程。研發(fā)完成的pH值測(cè)控系統(tǒng)已在冶金、化工、制糖等領(lǐng)域得到應(yīng)用，系統(tǒng)的可行性得到驗(yàn)證。

pH測(cè)控 特殊工況 嵌入式系統(tǒng) 玻璃電極 自動(dòng)清洗 電動(dòng)推桿 電動(dòng)閥門(mén)

0 引言

在冶金、化工、制糖、制藥、選礦、污水處理等領(lǐng)域，pH值測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求非常普遍，清凈介質(zhì)下pH值的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，測(cè)量精度也很高。但實(shí)際應(yīng)用中的情況往往要復(fù)雜得多，測(cè)量電極常常面對(duì)的是各種渾濁、黏稠液體。電極被污染，導(dǎo)致測(cè)量精度下降并最終失效的問(wèn)題很難避免，而獲取穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)是實(shí)施pH值控制的前提條件。

受多種因素的制約，現(xiàn)有的pH值測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀并不樂(lè)觀。一些企業(yè)仍采用人工測(cè)試與調(diào)節(jié)的原始方法，勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制不穩(wěn)定；或安裝了簡(jiǎn)易的測(cè)控系統(tǒng)，完成部分自動(dòng)功能，使用過(guò)程中仍需要大量人工干預(yù)。因此，研究并解決不同工況尤其是特殊工況下pH值的測(cè)控問(wèn)題具有重要意義。

1 現(xiàn)狀分析

造成pH值測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀的原因是多方面的，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)。

首先，在pH值測(cè)量環(huán)節(jié)，玻璃電極pH計(jì)獲得了廣泛應(yīng)用，雖然玻璃電極存在易碎、易裂等缺點(diǎn)，但目前還沒(méi)有替代性產(chǎn)品出現(xiàn)[1]。在一些無(wú)污染或水質(zhì)良好的應(yīng)用場(chǎng)合，玻璃電極pH計(jì)可以長(zhǎng)時(shí)間置于被測(cè)液體中進(jìn)行在線測(cè)量，并能獲取穩(wěn)定的高精度測(cè)量信號(hào)。但在特殊測(cè)量環(huán)境下，由于被測(cè)液體中可能含有導(dǎo)致電極污染的物質(zhì)，如懸濁物、膠狀物、微生物、油脂、化學(xué)試劑、鈣鹽以及其他各種易形成結(jié)垢的結(jié)晶性物質(zhì)，電極被污染是一個(gè)無(wú)法避免的問(wèn)題。以糖廠生產(chǎn)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)檢測(cè)“中和汁”的pH值為例，因“中和汁”比較黏稠，溫度在55～65 ℃之間，pH電極浸泡時(shí)間到6 min左右便開(kāi)始生成結(jié)垢，測(cè)量精度逐漸下降，到20 min左右電極基本失效。在污水處理過(guò)程中，根據(jù)水質(zhì)的污染程度不同，電極的測(cè)量精度一般也在幾十分鐘到數(shù)小時(shí)后出現(xiàn)下降。電極結(jié)垢嚴(yán)重影響了玻璃膜對(duì)氫離子的敏感程度，導(dǎo)致傳感器的靈敏度不斷下降并最終失效。因此，有效解決玻璃電極的除垢問(wèn)題是特殊測(cè)量環(huán)境下pH值測(cè)控系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵[1-3]。

其次，有些場(chǎng)合的工藝條件與應(yīng)用需求非常特殊，實(shí)施pH值的自動(dòng)檢測(cè)和控制本身具有較大的技術(shù)難度[1-4]，具體有以下幾種情況。

① 對(duì)pH值控制范圍有特殊要求。以糖廠生產(chǎn)為例，“清汁”的pH值要求控制在“目標(biāo)值±0.2pH”以內(nèi)，有些廠家甚至希望達(dá)到“目標(biāo)值±0.1pH”，允許的波動(dòng)范圍很小。

② 對(duì)添加劑流量調(diào)節(jié)有特殊要求。有時(shí)需要對(duì)流量進(jìn)行快速、大幅度調(diào)節(jié)，有時(shí)則需要實(shí)現(xiàn)微調(diào)控制。

③ 有些添加劑比較特殊。如石灰水，含有未完全溶解的顆粒物，易沉積。

④ 被測(cè)量介質(zhì)比較特殊。除各種污染物外，有些介質(zhì)酸堿性強(qiáng)、溫度高，或含有大量泥沙，長(zhǎng)時(shí)間置于被測(cè)液體中，玻璃電極容易老化或損壞。

最后，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在市場(chǎng)定位上主要以研發(fā)生產(chǎn)一般通用pH值測(cè)控產(chǎn)品為目標(biāo)，較少針對(duì)特定行業(yè)以整體需求為目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)成套設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。作為設(shè)計(jì)人員和直接用戶，考慮到設(shè)備投入、使用成本及售后服務(wù)等因素，大多選購(gòu)一些比較低廉的通用性產(chǎn)品，通過(guò)集成應(yīng)用方式組成系統(tǒng)，滿足簡(jiǎn)單需求，因此很難取得理想的使用效果。

2 設(shè)計(jì)思想

為了解決上述問(wèn)題，在pH值測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，必須結(jié)合各行業(yè)領(lǐng)域的具體需求和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，基于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，圍繞整體目標(biāo)，精簡(jiǎn)系統(tǒng)構(gòu)成，減少中間環(huán)節(jié)，合理裁剪軟硬件配置，使系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面滿足應(yīng)用對(duì)象的需求。

在測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)造上，可以劃分為檢測(cè)、控制和執(zhí)行三個(gè)環(huán)節(jié)。可滿足控制要求的產(chǎn)品較多，設(shè)計(jì)選型主要考慮設(shè)備的可靠性、成本以及現(xiàn)場(chǎng)安裝使用的便利性。在特殊工況下，檢測(cè)環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)往往成為系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

在檢測(cè)環(huán)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)渾濁、黏稠液體pH值的持續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量，一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期研究的課題。在解決方案上，一是研發(fā)能夠適用于特殊、復(fù)雜工況下長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的pH傳感器，希望在傳感器測(cè)量技術(shù)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，現(xiàn)已有相關(guān)產(chǎn)品報(bào)道，但還未取得實(shí)質(zhì)性突破。二是通過(guò)自動(dòng)清洗裝置解決玻璃電極的結(jié)垢問(wèn)題，雖然增加了控制環(huán)節(jié)，但這是目前比較可行并普遍采用的解決方案。

就pH計(jì)的自動(dòng)清洗方法而言，主要有機(jī)械清洗、超聲波清洗和溶液噴洗幾種[5-6]。機(jī)械清洗常用于銻電極測(cè)量，或用于一些污染不嚴(yán)重、污染物附著不牢固的場(chǎng)合。超聲波清洗對(duì)油污、漿液類結(jié)垢不適用，在使用上有很大的局限性。目前清洗效果良好、適用性較強(qiáng)的清洗方法還是通過(guò)溶液噴洗來(lái)完成。清洗溶液多選用低濃度的酸性溶液，如鹽酸、磷酸或硝酸等，也可根據(jù)污染物的類型或污染程度，使用堿溶液或中性去垢劑，以沖刷方式除去電極上的污染物[3，5-6]。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)pH值的控制穩(wěn)定性及精確性起關(guān)鍵作用，要求流量調(diào)節(jié)裝置在其流通范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制，計(jì)量泵等設(shè)備具有微調(diào)功能。但對(duì)于石灰水一類添加劑的流量調(diào)節(jié)容易出現(xiàn)堵塞[7-8]，存在適用性問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)尋找更合理的解決方案。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為設(shè)計(jì)的嵌入式pH值測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖1 pH測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Composition of the pH measurement and control system

pH傳感器、pH變送器以及自動(dòng)清洗裝置組成系統(tǒng)的檢測(cè)部分，完成pH值的信號(hào)測(cè)量和轉(zhuǎn)換。其中，自動(dòng)清洗裝置是實(shí)現(xiàn)pH值穩(wěn)定、準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵，具體設(shè)計(jì)方案在“自動(dòng)清洗關(guān)鍵技術(shù)”一節(jié)中論述。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選用小通徑電動(dòng)球閥，pH控制儀直接控制電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)完成閥門(mén)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，減少了與電動(dòng)執(zhí)行器配套使用的調(diào)節(jié)器這一中間環(huán)節(jié)。在控制方式上，通過(guò)采用電動(dòng)閥門(mén)無(wú)振蕩高靈敏度控制技術(shù)，使閥門(mén)的調(diào)節(jié)靈敏度和調(diào)節(jié)精度大大提高。當(dāng)pH值偏差較大時(shí)，通過(guò)電動(dòng)球閥具有的大幅快速調(diào)節(jié)功能縮短系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間；當(dāng)pH值偏差較小時(shí)，通過(guò)微量調(diào)節(jié)功能使被控參數(shù)最大限度地接近其目標(biāo)值。而對(duì)于黏稠帶顆粒液體，電動(dòng)球閥具有不易堵塞的使用特性。

pH控制儀設(shè)計(jì)選用性價(jià)比高、配置靈活的單片機(jī)系統(tǒng)，圖2為pH控制儀的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 pH控制儀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the pH controller

pH控制儀是系統(tǒng)的核心部分，完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算、處理、顯示以及輸入輸出控制功能。在pH控制儀的設(shè)計(jì)上，首先要根據(jù)嵌入式應(yīng)用的要求，盡可能使選擇的單片機(jī)包含對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，如A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM、通信接口、LED/LCD接口、看門(mén)狗接口等，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，圍繞單片機(jī)配置必要的I/O接口及外圍電路，可以最大限度減少硬件冗余，縮小體積，降低成本及功耗，提高系統(tǒng)的可靠性。其次，需要對(duì)控制儀的軟硬件功能進(jìn)行合理劃分，優(yōu)化人機(jī)界面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)增加硬件投入可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)操作更為簡(jiǎn)便。此外，工業(yè)場(chǎng)合存在各種電磁場(chǎng)信號(hào)的干擾，除必要的看門(mén)狗防死機(jī)功能設(shè)計(jì)外，還需要對(duì)采集的模擬量信號(hào)進(jìn)行軟硬件濾波，以及在傳輸線路上采取屏蔽抗干擾措施。

4 自動(dòng)清洗關(guān)鍵技術(shù)

4.1 清洗裝置

設(shè)計(jì)的自動(dòng)清洗裝置由電動(dòng)推桿、噴淋清洗腔、電極護(hù)套、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌及保護(hù)罩、法蘭盤(pán)、噴淋液導(dǎo)管、耐酸泵、儲(chǔ)酸罐等主要部件組成。電動(dòng)推桿通過(guò)連接器與電極護(hù)套連接，玻璃電極pH計(jì)置于電極護(hù)套內(nèi)，電極頭位于護(hù)套底部位置，噴淋清洗腔通過(guò)噴淋液導(dǎo)管與耐酸泵連接。

圖3為玻璃電極pH計(jì)自動(dòng)清洗裝置的示意圖。

圖3 自動(dòng)清洗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the electrode self-cleaning device

在一些應(yīng)用場(chǎng)合，按照生產(chǎn)工藝要求，并不需要獲取連續(xù)的pH值測(cè)量信號(hào)，而只需獲取離散的pH值測(cè)量信號(hào)即可。在這種情況下，如果將玻璃電極pH計(jì)長(zhǎng)時(shí)間置于被測(cè)液體中，不僅電極的結(jié)垢速度會(huì)大大加快，而且電極的使用壽命也會(huì)受到不同程度的影響，特別是在線檢測(cè)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿以及溫度較高的液體時(shí)，電極的壽命會(huì)大大縮短[2]。因此，在這些應(yīng)用場(chǎng)合，玻璃電極pH計(jì)在沒(méi)有得到測(cè)量指令的情況下應(yīng)處于空閑等待狀態(tài)，只有得到測(cè)量指令后才去實(shí)施測(cè)量操作。電動(dòng)推桿作為動(dòng)力裝置，其直線運(yùn)動(dòng)特性能夠很好地滿足以上使用要求。

自動(dòng)清洗裝置根據(jù)pH控制儀發(fā)出的指令驅(qū)動(dòng)玻璃電極pH計(jì)上下運(yùn)動(dòng)，完成pH值測(cè)量和清除電極上的結(jié)垢等操作。清洗液通過(guò)回流導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，一方面避免清洗液流入被測(cè)液體中，另一方面可以節(jié)省清洗液的用量，降低使用成本，減少人工干預(yù)。

4.2 控制接口

單片機(jī)與電動(dòng)推桿的控制接口電路圖如圖4所示。

圖4 電動(dòng)推桿控制接口電路圖Fig.4 Interface circuit of the electric pushrod control

圖4中，U1=U2=5 V，U3=24 V，SSR完成DC/DC變換，單片機(jī)為51系列的80C552。電動(dòng)推桿的技術(shù)參數(shù)為直流24 V供電，最大推力300 N，最大電流3.6 A，運(yùn)行距離100 mm。電動(dòng)推桿啟動(dòng)電流較大，啟動(dòng)后電流迅速減小，并在運(yùn)行過(guò)程中保持相對(duì)平穩(wěn)。以上控制接口能夠?qū)崿F(xiàn)電源極性的可靠切換，并提供電動(dòng)推桿足夠的工作電流[9-10]。

4.3 工作流程

電極的清洗間隔時(shí)間及每次噴淋清洗的時(shí)間通過(guò)人機(jī)界面靈活設(shè)置。在進(jìn)行電極清洗的過(guò)程中，pH計(jì)離開(kāi)被測(cè)介質(zhì)，這時(shí)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，pH值處于保持狀態(tài)。由于清洗工作一般能在數(shù)十秒鐘之內(nèi)完成，離線時(shí)間很短，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成實(shí)質(zhì)影響。

自動(dòng)清洗裝置的工作流程如圖5所示。

圖5 電極自動(dòng)清洗工作流程圖Fig.5 The work flowchart of electrode self-cleaning

5 結(jié)束語(yǔ)

基于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，在精簡(jiǎn)硬件構(gòu)成的前提下，pH控制儀實(shí)現(xiàn)了與各設(shè)備之間的可靠連接以及與應(yīng)用對(duì)象之間的緊密結(jié)合。通過(guò)在冶金、化工、制糖等領(lǐng)域的應(yīng)用證明，系統(tǒng)具有廣泛的適用性。

pH值測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用于不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，還需要摸清現(xiàn)場(chǎng)情況，分析生產(chǎn)工藝流程，選準(zhǔn)pH信號(hào)的采樣點(diǎn)。必要時(shí)還需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行改造,以滿足測(cè)量要求，這樣才能使pH測(cè)控系統(tǒng)取得更好的使用效果[11]。

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科技期刊中文文摘的撰寫(xiě)

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③ 一般不要交代背景，更不要闡述一般性知識(shí)。

④ 格式要規(guī)范，一般不分段，盡可能用規(guī)范術(shù)語(yǔ)，不用非共知共用的符號(hào)和術(shù)語(yǔ)。不能簡(jiǎn)單地重復(fù)題名中已有的信息，并切忌羅列段落標(biāo)題來(lái)代替摘要。除了實(shí)在無(wú)變通辦法可用以外，一般不出現(xiàn)插圖、表格，以及參考文獻(xiàn)序號(hào)，一般不用數(shù)學(xué)公式和化學(xué)結(jié)構(gòu)式。

Design and Implementation of pH Measurement and Control System in Special Conditions

Aiming at the demands for pH measurement and control, the design concept and solution of embedded pH measurement and control system is proposed. By adopting spraying cleaning technology and high sensitive control technology of electric valve, the system possesses wide adaptability under special operating conditions. For measuring turbid and viscous liquids, the structural principle, interface circuit and control flowchart of an automatic cleaning device are introduced. The researched and developed pH measurement and control system has been applied in metallurgy, chemicals, sugar, and other fields , the feasibility of the system is verified.

pH measurement and control Special conditions Embedded system Glass electrode Self-cleaning Electric pushrod Electric valve

艾昌文(1963-)，男，1983年畢業(yè)于電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事自動(dòng)化技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面的研究。

TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506028

修改稿收到日期：2014-09-01。