特殊工況下pH值測控系統的設計與實現

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值測控系統的設計與實現

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值測量與控制的應用需求，提出了一種嵌入式pH值測控系統的設計思想和解決方案。通過采用噴淋清洗技術和電動閥門高靈敏度控制技術，使系統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造原理、接口電路和控制流程。研發完成的pH值測控系統已在冶金、化工、制糖等領域得到應用，系統的可行性得到驗證。

pH測控 特殊工況 嵌入式系統 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、污水處理等領域，pH值測控系統的應用需求非常普遍，清凈介質下pH值的檢測技術已經非常成熟，測量精度也很高。但實際應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，現有的pH值測控系統的應用現狀并不樂觀。一些企業仍采用人工測試與調節的原始方法，勞動強度大，控制不穩定；或安裝了簡易的測控系統，完成部分自動功能，使用過程中仍需要大量人工干預。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 現狀分析

造成pH值測控系統應用現狀的原因是多方面的，歸納起來主要有以下幾點。

首先，在pH值測量環節，玻璃電極pH計獲得了廣泛應用，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品出現[1]。在一些無污染或水質良好的應用場合，玻璃電極pH計可以長時間置于被測液體中進行在線測量，并能獲取穩定的高精度測量信號。但在特殊測量環境下，由于被測液體中可能含有導致電極污染的物質，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垢的結晶性物質，電極被污染是一個無法避免的問題。以糖廠生產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，根據水質的污染程度不同，電極的測量精度一般也在幾十分鐘到數小時后出現下降。電極結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境下pH值測控系統成功應用的關鍵[1-3]。

其次，有些場合的工藝條件與應用需求非常特殊，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。以糖廠生產為例，“清汁”的pH值要求控制在“目標值±0.2pH”以內，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 對添加劑流量調節有特殊要求。有時需要對流量進行快速、大幅度調節，有時則需要實現微調控制。

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 被測量介質比較特殊。除各種污染物外，有些介質酸堿性強、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，相關研究機構在市場定位上主要以研發生產一般通用pH值測控產品為目標，較少針對特定行業以整體需求為目標進行系統成套設備的研發和生產。作為設計人員和直接用戶，考慮到設備投入、使用成本及售后服務等因素，大多選購一些比較低廉的通用性產品，通過集成應用方式組成系統，滿足簡單需求，因此很難取得理想的使用效果。

2 設計思想

為了解決上述問題，在pH值測控系統的設計上，必須結合各行業領域的具體需求和現場的實際情況，基于嵌入式系統的設計思想，圍繞整體目標，精簡系統構成，減少中間環節，合理裁剪軟硬件配置，使系統在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面滿足應用對象的需求。

在測控系統的構造上，可以劃分為檢測、控制和執行三個環節。可滿足控制要求的產品較多，設計選型主要考慮設備的可靠性、成本以及現場安裝使用的便利性。在特殊工況下，檢測環節和執行環節往往成為系統成敗的關鍵。

在檢測環節，如何實現渾濁、黏稠液體pH值的持續準確測量，一直是國內外相關機構長期研究的課題。在解決方案上，一是研發能夠適用于特殊、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上實現創新，現已有相關產品報道，但還未取得實質性突破。二是通過自動清洗裝置解決玻璃電極的結垢問題，雖然增加了控制環節，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]。

執行機構對pH值的控制穩定性及精確性起關鍵作用，要求流量調節裝置在其流通范圍內實現精細控制，計量泵等設備具有微調功能。但對于石灰水一類添加劑的流量調節容易出現堵塞[7-8]，存在適用性問題，系統設計應尋找更合理的解決方案。

3 系統構成

圖1為設計的嵌入式pH值測控系統構成圖。

圖1 pH測控系統構成圖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的檢測部分，完成pH值的信號測量和轉換。其中，自動清洗裝置是實現pH值穩定、準確測量的關鍵，具體設計方案在“自動清洗關鍵技術”一節中論述。

執行機構設計選用小通徑電動球閥，pH控制儀直接控制電動執行器來完成閥門的開關動作，減少了與電動執行器配套使用的調節器這一中間環節。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，使閥門的調節靈敏度和調節精度大大提高。當pH值偏差較大時，通過電動球閥具有的大幅快速調節功能縮短系統的穩定時間；當pH值偏差較小時，通過微量調節功能使被控參數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控制儀設計選用性價比高、配置靈活的單片機系統，圖2為pH控制儀的結構圖。

圖2 pH控制儀結構圖Fig.2 Structure of the pH controller

pH控制儀是系統的核心部分，完成數據采集、存儲、運算、處理、顯示以及輸入輸出控制功能。在pH控制儀的設計上，首先要根據嵌入式應用的要求，盡可能使選擇的單片機包含對象系統要求的各種外圍電路與接口電路，如A/D轉換、D/A轉換、定時/計數器、RAM、通信接口、LED/LCD接口、看門狗接口等，在進行硬件電路設計時，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，優化人機界面。根據經驗，適當增加硬件投入可以簡化軟件設計，使系統操作更為簡便。此外，工業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 自動清洗關鍵技術

4.1 清洗裝置

設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，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

在一些應用場合，按照生產工藝要求，并不需要獲取連續的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，在這些應用場合，玻璃電極pH計在沒有得到測量指令的情況下應處于空閑等待狀態，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pH控制儀發出的指令驅動玻璃電極pH計上下運動，完成pH值測量和清除電極上的結垢等操作。清洗液通過回流導管實現循環使用，一方面避免清洗液流入被測液體中，另一方面可以節省清洗液的用量，降低使用成本，減少人工干預。

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。電動推桿的技術參數為直流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。以上控制接口能夠實現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置。在進行電極清洗的過程中，pH計離開被測介質，這時系統無法進行實時測量，pH值處于保持狀態。由于清洗工作一般能在數十秒鐘之內完成，離線時間很短，不會對系統的運行造成實質影響。

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 結束語

基于嵌入式系統的設計思想，在精簡硬件構成的前提下，pH控制儀實現了與各設備之間的可靠連接以及與應用對象之間的緊密結合。通過在冶金、化工、制糖等領域的應用證明，系統具有廣泛的適用性。

pH值測控系統應用于不同的生產領域，還需要摸清現場情況，分析生產工藝流程，選準pH信號的采樣點。必要時還需對現場的設備進行改造,以滿足測量要求，這樣才能使pH測控系統取得更好的使用效果[11]。

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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年畢業于電子科技大學計算機工程專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事自動化技術及計算機應用技術方面的研究。

TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506028

修改稿收到日期：2014-09-01。