特殊工况下pH值测控系统的设计与实现

艾昌文 杨艳华 王云峰 曹良坤 马燕昆

(云南大学省电子计算中心，云南 昆明 650223)

特殊工况下pH值测控系统的设计与实现

艾昌文 杨艳华 王云峰 曹良坤 马燕昆

(云南大学省电子计算中心，云南 昆明 650223)

针对pH值测量与控制的应用需求，提出了一种嵌入式pH值测控系统的设计思想和解决方案。通过采用喷淋清洗技术和电动阀门高灵敏度控制技术，使系统在特殊工况下具有广泛的适用性。对于浑浊、黏稠液体的测量，介绍了一种自动清洗装置的构造原理、接口电路和控制流程。研发完成的pH值测控系统已在冶金、化工、制糖等领域得到应用，系统的可行性得到验证。

pH测控 特殊工况 嵌入式系统 玻璃电极 自动清洗 电动推杆 电动阀门

0 引言

在冶金、化工、制糖、制药、选矿、污水处理等领域，pH值测控系统的应用需求非常普遍，清净介质下pH值的检测技术已经非常成熟，测量精度也很高。但实际应用中的情况往往要复杂得多，测量电极常常面对的是各种浑浊、黏稠液体。电极被污染，导致测量精度下降并最终失效的问题很难避免，而获取稳定、准确地测量信号是实施pH值控制的前提条件。

受多种因素的制约，现有的pH值测控系统的应用现状并不乐观。一些企业仍采用人工测试与调节的原始方法，劳动强度大，控制不稳定；或安装了简易的测控系统，完成部分自动功能，使用过程中仍需要大量人工干预。因此，研究并解决不同工况尤其是特殊工况下pH值的测控问题具有重要意义。

1 现状分析

造成pH值测控系统应用现状的原因是多方面的，归纳起来主要有以下几点。

首先，在pH值测量环节，玻璃电极pH计获得了广泛应用，虽然玻璃电极存在易碎、易裂等缺点，但目前还没有替代性产品出现[1]。在一些无污染或水质良好的应用场合，玻璃电极pH计可以长时间置于被测液体中进行在线测量，并能获取稳定的高精度测量信号。但在特殊测量环境下，由于被测液体中可能含有导致电极污染的物质，如悬浊物、胶状物、微生物、油脂、化学试剂、钙盐以及其他各种易形成结垢的结晶性物质，电极被污染是一个无法避免的问题。以糖厂生产过程中需要实时检测“中和汁”的pH值为例，因“中和汁”比较黏稠，温度在55～65 ℃之间，pH电极浸泡时间到6 min左右便开始生成结垢，测量精度逐渐下降，到20 min左右电极基本失效。在污水处理过程中，根据水质的污染程度不同，电极的测量精度一般也在几十分钟到数小时后出现下降。电极结垢严重影响了玻璃膜对氢离子的敏感程度，导致传感器的灵敏度不断下降并最终失效。因此，有效解决玻璃电极的除垢问题是特殊测量环境下pH值测控系统成功应用的关键[1-3]。

其次，有些场合的工艺条件与应用需求非常特殊，实施pH值的自动检测和控制本身具有较大的技术难度[1-4]，具体有以下几种情况。

① 对pH值控制范围有特殊要求。以糖厂生产为例，“清汁”的pH值要求控制在“目标值±0.2pH”以内，有些厂家甚至希望达到“目标值±0.1pH”，允许的波动范围很小。

② 对添加剂流量调节有特殊要求。有时需要对流量进行快速、大幅度调节，有时则需要实现微调控制。

③ 有些添加剂比较特殊。如石灰水，含有未完全溶解的颗粒物，易沉积。

④ 被测量介质比较特殊。除各种污染物外，有些介质酸碱性强、温度高，或含有大量泥沙，长时间置于被测液体中，玻璃电极容易老化或损坏。

最后，相关研究机构在市场定位上主要以研发生产一般通用pH值测控产品为目标，较少针对特定行业以整体需求为目标进行系统成套设备的研发和生产。作为设计人员和直接用户，考虑到设备投入、使用成本及售后服务等因素，大多选购一些比较低廉的通用性产品，通过集成应用方式组成系统，满足简单需求，因此很难取得理想的使用效果。

2 设计思想

为了解决上述问题，在pH值测控系统的设计上，必须结合各行业领域的具体需求和现场的实际情况，基于嵌入式系统的设计思想，围绕整体目标，精简系统构成，减少中间环节，合理裁剪软硬件配置，使系统在功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面满足应用对象的需求。

在测控系统的构造上，可以划分为检测、控制和执行三个环节。可满足控制要求的产品较多，设计选型主要考虑设备的可靠性、成本以及现场安装使用的便利性。在特殊工况下，检测环节和执行环节往往成为系统成败的关键。

在检测环节，如何实现浑浊、黏稠液体pH值的持续准确测量，一直是国内外相关机构长期研究的课题。在解决方案上，一是研发能够适用于特殊、复杂工况下长时间测量的pH传感器，希望在传感器测量技术上实现创新，现已有相关产品报道，但还未取得实质性突破。二是通过自动清洗装置解决玻璃电极的结垢问题，虽然增加了控制环节，但这是目前比较可行并普遍采用的解决方案。

就pH计的自动清洗方法而言，主要有机械清洗、超声波清洗和溶液喷洗几种[5-6]。机械清洗常用于锑电极测量，或用于一些污染不严重、污染物附着不牢固的场合。超声波清洗对油污、浆液类结垢不适用，在使用上有很大的局限性。目前清洗效果良好、适用性较强的清洗方法还是通过溶液喷洗来完成。清洗溶液多选用低浓度的酸性溶液，如盐酸、磷酸或硝酸等，也可根据污染物的类型或污染程度，使用碱溶液或中性去垢剂，以冲刷方式除去电极上的污染物[3，5-6]。

执行机构对pH值的控制稳定性及精确性起关键作用，要求流量调节装置在其流通范围内实现精细控制，计量泵等设备具有微调功能。但对于石灰水一类添加剂的流量调节容易出现堵塞[7-8]，存在适用性问题，系统设计应寻找更合理的解决方案。

3 系统构成

图1为设计的嵌入式pH值测控系统构成图。

图1 pH测控系统构成图Fig.1 Composition of the pH measurement and control system

pH传感器、pH变送器以及自动清洗装置组成系统的检测部分，完成pH值的信号测量和转换。其中，自动清洗装置是实现pH值稳定、准确测量的关键，具体设计方案在“自动清洗关键技术”一节中论述。

执行机构设计选用小通径电动球阀，pH控制仪直接控制电动执行器来完成阀门的开关动作，减少了与电动执行器配套使用的调节器这一中间环节。在控制方式上，通过采用电动阀门无振荡高灵敏度控制技术，使阀门的调节灵敏度和调节精度大大提高。当pH值偏差较大时，通过电动球阀具有的大幅快速调节功能缩短系统的稳定时间；当pH值偏差较小时，通过微量调节功能使被控参数最大限度地接近其目标值。而对于黏稠带颗粒液体，电动球阀具有不易堵塞的使用特性。

pH控制仪设计选用性价比高、配置灵活的单片机系统，图2为pH控制仪的结构图。

图2 pH控制仪结构图Fig.2 Structure of the pH controller

pH控制仪是系统的核心部分，完成数据采集、存储、运算、处理、显示以及输入输出控制功能。在pH控制仪的设计上，首先要根据嵌入式应用的要求，尽可能使选择的单片机包含对象系统要求的各种外围电路与接口电路，如A/D转换、D/A转换、定时/计数器、RAM、通信接口、LED/LCD接口、看门狗接口等，在进行硬件电路设计时，围绕单片机配置必要的I/O接口及外围电路，可以最大限度减少硬件冗余，缩小体积，降低成本及功耗，提高系统的可靠性。其次，需要对控制仪的软硬件功能进行合理划分，优化人机界面。根据经验，适当增加硬件投入可以简化软件设计，使系统操作更为简便。此外，工业场合存在各种电磁场信号的干扰，除必要的看门狗防死机功能设计外，还需要对采集的模拟量信号进行软硬件滤波，以及在传输线路上采取屏蔽抗干扰措施。

4 自动清洗关键技术

4.1 清洗装置

设计的自动清洗装置由电动推杆、喷淋清洗腔、电极护套、运动导轨及保护罩、法兰盘、喷淋液导管、耐酸泵、储酸罐等主要部件组成。电动推杆通过连接器与电极护套连接，玻璃电极pH计置于电极护套内，电极头位于护套底部位置，喷淋清洗腔通过喷淋液导管与耐酸泵连接。

图3为玻璃电极pH计自动清洗装置的示意图。

图3 自动清洗装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the electrode self-cleaning device

在一些应用场合，按照生产工艺要求，并不需要获取连续的pH值测量信号，而只需获取离散的pH值测量信号即可。在这种情况下，如果将玻璃电极pH计长时间置于被测液体中，不仅电极的结垢速度会大大加快，而且电极的使用寿命也会受到不同程度的影响，特别是在线检测强酸、强碱以及温度较高的液体时，电极的寿命会大大缩短[2]。因此，在这些应用场合，玻璃电极pH计在没有得到测量指令的情况下应处于空闲等待状态，只有得到测量指令后才去实施测量操作。电动推杆作为动力装置，其直线运动特性能够很好地满足以上使用要求。

自动清洗装置根据pH控制仪发出的指令驱动玻璃电极pH计上下运动，完成pH值测量和清除电极上的结垢等操作。清洗液通过回流导管实现循环使用，一方面避免清洗液流入被测液体中，另一方面可以节省清洗液的用量，降低使用成本，减少人工干预。

4.2 控制接口

单片机与电动推杆的控制接口电路图如图4所示。

图4 电动推杆控制接口电路图Fig.4 Interface circuit of the electric pushrod control

图4中，U1=U2=5 V，U3=24 V，SSR完成DC/DC变换，单片机为51系列的80C552。电动推杆的技术参数为直流24 V供电，最大推力300 N，最大电流3.6 A，运行距离100 mm。电动推杆启动电流较大，启动后电流迅速减小，并在运行过程中保持相对平稳。以上控制接口能够实现电源极性的可靠切换，并提供电动推杆足够的工作电流[9-10]。

4.3 工作流程

电极的清洗间隔时间及每次喷淋清洗的时间通过人机界面灵活设置。在进行电极清洗的过程中，pH计离开被测介质，这时系统无法进行实时测量，pH值处于保持状态。由于清洗工作一般能在数十秒钟之内完成，离线时间很短，不会对系统的运行造成实质影响。

自动清洗装置的工作流程如图5所示。

图5 电极自动清洗工作流程图Fig.5 The work flowchart of electrode self-cleaning

5 结束语

基于嵌入式系统的设计思想，在精简硬件构成的前提下，pH控制仪实现了与各设备之间的可靠连接以及与应用对象之间的紧密结合。通过在冶金、化工、制糖等领域的应用证明，系统具有广泛的适用性。

pH值测控系统应用于不同的生产领域，还需要摸清现场情况，分析生产工艺流程，选准pH信号的采样点。必要时还需对现场的设备进行改造,以满足测量要求，这样才能使pH测控系统取得更好的使用效果[11]。

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[7] 王更国，徐伟志，刘山彪，等.韶钢生活水厂投加NaOH替代石灰工艺的技术改造[J].中国给水排水,2007，23(18)：24-27.

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[10]彭平，李华峰，李万明.电动推杆在无人飞艇舵面控制系统中的应用[J].航空科学技术,2010(1)：21-24.

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科技期刊中文文摘的撰写

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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年毕业于电子科技大学计算机工程专业，获学士学位，高级工程师；主要从事自动化技术及计算机应用技术方面的研究。

TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506028

修改稿收到日期：2014-09-01。