艾昌文 楊艷華 王云峰 曹良坤 馬燕昆

(云南大學省電子計算中心，云南 昆明 650223)

特殊工況下pH值測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

艾昌文 楊艷華 王云峰 曹良坤 馬燕昆

(云南大學省電子計算中心，云南 昆明 650223)

針對pH值測量與控制的應(yīng)用需求，提出了一種嵌入式pH值測控系統(tǒng)的設(shè)計思想和解決方案。通過采用噴淋清洗技術(shù)和電動閥門高靈敏度控制技術(shù)，使系統(tǒng)在特殊工況下具有廣泛的適用性。對于渾濁、黏稠液體的測量，介紹了一種自動清洗裝置的構(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)的可行性得到驗證。

pH測控 特殊工況 嵌入式系統(tǒng) 玻璃電極 自動清洗 電動推桿 電動閥門

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值的檢測技術(shù)已經(jīng)非常成熟，測量精度也很高。但實際應(yīng)用中的情況往往要復雜得多，測量電極常常面對的是各種渾濁、黏稠液體。電極被污染，導致測量精度下降并最終失效的問題很難避免，而獲取穩(wěn)定、準確地測量信號是實施pH值控制的前提條件。

受多種因素的制約，現(xiàn)有的pH值測控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀并不樂觀。一些企業(yè)仍采用人工測試與調(diào)節(jié)的原始方法，勞動強度大，控制不穩(wěn)定；或安裝了簡易的測控系統(tǒng)，完成部分自動功能，使用過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值的測控問題具有重要意義。

1 現(xiàn)狀分析

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

首先，在pH值測量環(huán)節(jié)，玻璃電極pH計獲得了廣泛應(yīng)用，雖然玻璃電極存在易碎、易裂等缺點，但目前還沒有替代性產(chǎn)品出現(xiàn)[1]。在一些無污染或水質(zhì)良好的應(yīng)用場合，玻璃電極pH計可以長時間置于被測液體中進行在線測量，并能獲取穩(wěn)定的高精度測量信號。但在特殊測量環(huán)境下，由于被測液體中可能含有導致電極污染的物質(zhì)，如懸濁物、膠狀物、微生物、油脂、化學試劑、鈣鹽以及其他各種易形成結(jié)垢的結(jié)晶性物質(zhì)，電極被污染是一個無法避免的問題。以糖廠生產(chǎn)過程中需要實時檢測“中和汁”的pH值為例，因“中和汁”比較黏稠，溫度在55～65 ℃之間，pH電極浸泡時間到6 min左右便開始生成結(jié)垢，測量精度逐漸下降，到20 min左右電極基本失效。在污水處理過程中，根據(jù)水質(zhì)的污染程度不同，電極的測量精度一般也在幾十分鐘到數(shù)小時后出現(xiàn)下降。電極結(jié)垢嚴重影響了玻璃膜對氫離子的敏感程度，導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題是特殊測量環(huán)境下pH值測控系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵[1-3]。

其次，有些場合的工藝條件與應(yīng)用需求非常特殊，實施pH值的自動檢測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“目標值±0.2pH”以內(nèi)，有些廠家甚至希望達到“目標值±0.1pH”，允許的波動范圍很小。

② 對添加劑流量調(diào)節(jié)有特殊要求。有時需要對流量進行快速、大幅度調(diào)節(jié)，有時則需要實現(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 被測量介質(zhì)比較特殊。除各種污染物外，有些介質(zhì)酸堿性強、溫度高，或含有大量泥沙，長時間置于被測液體中，玻璃電極容易老化或損壞。

最后，相關(guān)研究機構(gòu)在市場定位上主要以研發(fā)生產(chǎn)一般通用pH值測控產(chǎn)品為目標，較少針對特定行業(yè)以整體需求為目標進行系統(tǒng)成套設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。作為設(shè)計人員和直接用戶，考慮到設(shè)備投入、使用成本及售后服務(wù)等因素，大多選購一些比較低廉的通用性產(chǎn)品，通過集成應(yīng)用方式組成系統(tǒng)，滿足簡單需求，因此很難取得理想的使用效果。

2 設(shè)計思想

為了解決上述問題，在pH值測控系統(tǒng)的設(shè)計上，必須結(jié)合各行業(yè)領(lǐng)域的具體需求和現(xiàn)場的實際情況，基于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計思想，圍繞整體目標，精簡系統(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)用對象的需求。

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

在檢測環(huán)節(jié)，如何實現(xiàn)渾濁、黏稠液體pH值的持續(xù)準確測量，一直是國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)長期研究的課題。在解決方案上，一是研發(fā)能夠適用于特殊、復雜工況下長時間測量的pH傳感器，希望在傳感器測量技術(shù)上實現(xiàn)創(chuàng)新，現(xiàn)已有相關(guān)產(chǎn)品報道，但還未取得實質(zhì)性突破。二是通過自動清洗裝置解決玻璃電極的結(jié)垢問題，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計的自動清洗方法而言，主要有機械清洗、超聲波清洗和溶液噴洗幾種[5-6]。機械清洗常用于銻電極測量，或用于一些污染不嚴重、污染物附著不牢固的場合。超聲波清洗對油污、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、適用性較強的清洗方法還是通過溶液噴洗來完成。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)行機構(gòu)對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)實現(xiàn)精細控制，計量泵等設(shè)備具有微調(diào)功能。但對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]，存在適用性問題，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)尋找更合理的解決方案。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為設(shè)計的嵌入式pH值測控系統(tǒng)構(gòu)成圖。

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

pH傳感器、pH變送器以及自動清洗裝置組成系統(tǒng)的檢測部分，完成pH值的信號測量和轉(zhuǎn)換。其中，自動清洗裝置是實現(xiàn)pH值穩(wěn)定、準確測量的關(guān)鍵，具體設(shè)計方案在“自動清洗關(guān)鍵技術(shù)”一節(jié)中論述。

執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計選用小通徑電動球閥，pH控制儀直接控制電動執(zhí)行器來完成閥門的開關(guān)動作，減少了與電動執(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，通過采用電動閥門無振蕩高靈敏度控制技術(shù)，使閥門的調(diào)節(jié)靈敏度和調(diào)節(jié)精度大大提高。當pH值偏差較大時，通過電動球閥具有的大幅快速調(diào)節(jié)功能縮短系統(tǒng)的穩(wěn)定時間；當pH值偏差較小時，通過微量調(diào)節(jié)功能使被控參數(shù)最大限度地接近其目標值。而對于黏稠帶顆粒液體，電動球閥具有不易堵塞的使用特性。

pH控制儀設(shè)計選用性價比高、配置靈活的單片機系統(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、運算、處理、顯示以及輸入輸出控制功能。在pH控制儀的設(shè)計上，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包含對象系統(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/計數(shù)器、RAM、通信接口、LED/LCD接口、看門狗接口等，在進行硬件電路設(shè)計時，圍繞單片機配置必要的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，需要對控制儀的軟硬件功能進行合理劃分，優(yōu)化人機界面。根據(jù)經(jīng)驗，適當增加硬件投入可以簡化軟件設(shè)計，使系統(tǒng)操作更為簡便。此外，工業(yè)場合存在各種電磁場信號的干擾，除必要的看門狗防死機功能設(shè)計外，還需要對采集的模擬量信號進行軟硬件濾波，以及在傳輸線路上采取屏蔽抗干擾措施。

4 自動清洗關(guān)鍵技術(shù)

4.1 清洗裝置

設(shè)計的自動清洗裝置由電動推桿、噴淋清洗腔、電極護套、運動導軌及保護罩、法蘭盤、噴淋液導管、耐酸泵、儲酸罐等主要部件組成。電動推桿通過連接器與電極護套連接，玻璃電極pH計置于電極護套內(nèi)，電極頭位于護套底部位置，噴淋清洗腔通過噴淋液導管與耐酸泵連接。

圖3為玻璃電極pH計自動清洗裝置的示意圖。

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

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

自動清洗裝置根據(jù)pH控制儀發(fā)出的指令驅(qū)動玻璃電極pH計上下運動，完成pH值測量和清除電極上的結(jié)垢等操作。清洗液通過回流導管實現(xiàn)循環(huán)使用，一方面避免清洗液流入被測液體中，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

單片機與電動推桿的控制接口電路圖如圖4所示。

圖4 電動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，單片機為51系列的80C552。電動推桿的技術(shù)參數(shù)為直流24 V供電，最大推力300 N，最大電流3.6 A，運行距離100 mm。電動推桿啟動電流較大，啟動后電流迅速減小，并在運行過程中保持相對平穩(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

電極的清洗間隔時間及每次噴淋清洗的時間通過人機界面靈活設(shè)置。在進行電極清洗的過程中，pH計離開被測介質(zhì)，這時系統(tǒng)無法進行實時測量，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，離線時間很短，不會對系統(tǒng)的運行造成實質(zhì)影響。

自動清洗裝置的工作流程如圖5所示。

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

5 結(jié)束語

基于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計思想，在精簡硬件構(gòu)成的前提下，pH控制儀實現(xiàn)了與各設(shè)備之間的可靠連接以及與應(yīng)用對象之間的緊密結(jié)合。通過在冶金、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)場情況，分析生產(chǎn)工藝流程，選準pH信號的采樣點。必要時還需對現(xiàn)場的設(shè)備進行改造,以滿足測量要求，這樣才能使pH測控系統(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

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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)于電子科技大學計算機工程專業(yè)，獲學士學位，高級工程師；主要從事自動化技術(shù)及計算機應(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。