CN101178589B - 一种对氧化电位水生成器进行智能化控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过建立数学模型来对氧化电位水生成器进行控制的方法。该方法通过大量的实验，得到pH和有效氯与脉冲盐泵频率、电解电压、电解电流、入水流量，ORP和温度之间的数据关系，通过对数据进行分析、分段、拟和处理，建立pH和有效氯与其它因子之间的模糊推理规则，再根据ORP、pH和有效氯与它们各自基准值之间的偏差，通过控制器调节脉冲盐泵频率、电解电压和电流，从而保证出水指标的稳定。

Description

一种对氧化电位水生成器进行智能化控制的方法

技术领域

本发明是一种对氧化电位水生成器进行智能化控制的方法，属于测量技术领域。

背景技术

智能型氧化电位水生成器主要技术原理为：对普通自来水进行软化处理后，加入低浓度的NaCl溶液，在设有离子交换隔膜的电解槽中进行电解，在阳极侧产生酸性氧化电位水，用于各领域的消毒杀菌，阴极侧生成碱性氧化电位水用于清洁洗涤。

氧化电位水生成器的出水评价指标主要包括：ORP，pH和有效氯浓度三个数据。氧化电位水的消毒杀菌效果与这三个指标的关系密切相关。

对氧化电位水生成器出水的三个指标的检测方法主要采用以下方法：

一种是在出水使用前依靠人工操作检测仪器来测试出水的ORP和pH，以判断出水的ORP和pH是否符合杀菌消毒的技术要求，这种依靠人工操作检测仪器来手工检测的方法，因检测操作的滞后难以保证出水指标的始终合格，同时增大了检测的工作量；

另一种是在氧化电位水生成器内部安装ORP传感器探头或pH传感器探头，实时监测出水ORP数值或pH数值，同时安装两种传感器会增大设备的硬件成本和后期的仪器维护费用；

对氧化电位水生成器出水的有效氯浓度的检测，目前普遍采用检测试纸比对方式，这会带来较大的误差。少数要求较精确的用户采用综合滴定的办法来测试，检测周期较长，工作量大。

氧化电位水生成器三项出水指标(ORP，pH和有效氯浓度)的主要影响因素包括：电解槽特性(电极板材料、面积、电极板之间的间距和隔膜材料等)、水中溶解性离子数量、电解槽入水的流速(流量)、入水NaCl的浓度、电解电压、电解电流。到目前为止，还没有快速有效、低成本的同时实时监测氧化电位水生成器三个出水指标的方法，也不能根据出水指标的波动来自动调节各个控制因子。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术存在的缺点而设计提供了一种对氧化电位水生成器进行智能化控制的方法，该方法通过在出水指标和电解因子之间建立数学模型，根据实时检测的ORP、电解电压和电解电流推算出pH和有效氯。同时根据ORP、pH和有效氯的变化来实时调节电解电压、电解电流和入水NaCl的浓度，以保持出水指标的稳定。

本发明技术方案是通过以下措施来实现的：

该种对氧化电位水生成器进行智能化控制的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)对氧化电位水的各项指标建立相应的数学表达式：

1.1通过实验数据得到氧化电位水pH和ORP、电解电压、电解电流、流量、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{pH}={\mathrm{pH}}_{\mathrm{set}}+\left|(\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}\×100}{\mathrm{ORP}}+\frac{I_{\mathrm{set}}\×100}{I}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U}-200)\right|\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

1.2通过实验数据得到氧化电位水有效氯浓度CL和ORP、电解电压、电解电流、流量、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{CL}={\mathrm{CL}}_{\mathrm{set}}+(-\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP}}{50}+\frac{I_{\mathrm{set}}-I}{5}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U})\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

1.3通过实验数据得到氧化电位水ORP和电解电压、电解电流、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{ORP}={\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}+(-\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP}}{7}+\frac{3\×(I_{\mathrm{set}}-I)}{4}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U})\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

1.4建立电解电压、电解电流与ORP、pH、有效氯浓度和它们各自基准之间偏差的数学关系，如下下式；

I＝I_set+A×(ORP_set-ORP)+B(CL_set-CL)+C(pH_set-pH)……………(4)

$U=k\×\{I_{\mathrm{set}}+A\×({\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP})+B({\mathrm{CL}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{CL})+C({\mathrm{pH}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{pH})\}$

$\×\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

其中：1≤k≤3.0；0.5≤A≤3.0；-1≤B≤2.0；-0.5≤C≤1.0

上述数学关系中：

ORP_set表示ORP基准值；

ORP表示ORP测试(显示)值；

pH_set表示pH基准值；

pH表示pH计算(显示)值；

CL_set表示有效氯浓度基准值；

CL表示有效氯浓度计算(显示)值；

I_set表示电解电流基准值；

I表示输出的电解电流；

U表示输出的电解电压；

v_set表示酸水流量；

v表示入水总流量；

f表示NaCl的浓度(盐水脉冲泵频率)；

k表示比例系数；

(2)测量并记录数据：

先通过手动调节氧化电位水生成器的入水的流量、NaCl的浓度和NaCl的添加量、电解电压和电解电流，用pH计和ORP测定仪测量酸水的pH值和ORP值，再用综合滴定法测量酸水的有效氯浓度，直至酸水的pH值在2.2～2.7之间、ORP值在1130～1230之间、有效氯浓度在30～80之间为止，记录包括有效氯浓度、pH、ORP、电解电压、电解电流、流量数据，并将这些数据作为基准数据存储；

(3)实时检测工作过程中氧化电位水生成器的ORP、电解电压、电解电流、流量和温度数据，根据建立的式(1)、式(2)、式(3)计算出pH和有效氯浓度，再根据ORP、pH和有效氯浓度与保存的基准数据的差值按照式(4)、(5)式调节电解电流或电压。

本发明相比现有技术的主要优点在于：可以实时监测出水的ORP，pH和有效氯浓度；当由于单一因素的微小波动而导致出水指标发生变化时，可以通过其它因素的综合调节来达到维持出水指标稳定的目标。

附图说明

图1为本发明建立数学模型的拓扑结构图；

图2为本发明推算pH和有效氯浓度的过程框图；

图3为本发明反馈控制框图；

图4为本发明控制原理图；

图5为本发明控制程序流程图

具体实施方式：

参见附图1～3所示，该种对氧化电位水生成器进行智能化控制的方法，其步骤是：

(1)对氧化电位水的各项指标建立相应的数学表达式：

经过大量的实验，建立盐水脉冲泵频率(F)、电解电压(U)、电解电流(I)、入水流量(v)和温度(T)与ORP、pH和有效氯浓度之间的映射关系，通过数据分析及拟和方法，借助常用的模糊推理规则建立以下相应的数学模型式(1)、(2)、(3)的和神经网络学模型(4)、(5)：

1.1通过实验数据得到氧化电位水pH和ORP、电解电压、电解电流、流量、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{pH}={\mathrm{pH}}_{\mathrm{set}}+\left|(\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}\×100}{\mathrm{ORP}}+\frac{I_{\mathrm{set}}\×100}{I}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U}-200)\right|\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

1.2通过实验数据得到氧化电位水有效氯浓度CL和ORP、电解电压、电解电流、流量、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{CL}={\mathrm{CL}}_{\mathrm{set}}+(-\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP}}{50}+\frac{I_{\mathrm{set}}-I}{5}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U})\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

1.3通过实验数据得到氧化电位水ORP和电解电压、电解电流、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{ORP}={\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}+(-\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP}}{7}+\frac{3\×(I_{\mathrm{set}}-I)}{4}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U})\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

1.4建立电解电压、电解电流与ORP、pH、有效氯浓度和它们各自基准之间偏差的数学关系，如下下式；

I＝I_set+A×(ORP_set-ORP)+B(CL_set-CL)+C(pH_set-pH)……………(4)

$U=k\×\{I_{\mathrm{set}}+A\×({\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP})+B({\mathrm{CL}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{CL})+C({\mathrm{pH}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{pH})\}$

$\×\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

其中：1≤k≤3.0；0.5≤A≤3.0；-1≤B≤2.0；-0.5≤C≤1.0

上述数学关系中：

ORP_set表示ORP基准值；

ORP表示ORP测试(显示)值；

pH_set表示pH基准值；

pH表示pH计算(显示)值；

CL_set表示有效氯浓度基准值；

CL表示有效氯浓度计算(显示)值；

I_set表示电解电流基准值；

I表示输出的电解电流；

U表示输出的电解电压；

v_set表示酸水流量；

v表示入水总流量；

f表示NaCl的浓度(盐水脉冲泵频率)；

k表示比例系数；

(2)测量并记录数据：

先通过手动调节氧化电位水生成器的入水的流量、NaCl的浓度和NaCl的添加量、电解电压和电解电流，用pH计和ORP测定仪测量酸水的pH值和ORP值，再用综合滴定法测量酸水的有效氯浓度，直至酸水的pH值在2.2～2.7之间、OP值在1130～1230之间、有效氯浓度在30～80之间为止，记录包括有效氯浓度、pH、ORP、电解电压、电解电流、流量数据，并将这些数据作为基准数据存储；

(3)实时检测工作过程中氧化电位水生成器的ORP、电解电压、电解电流、流量和温度数据，根据建立的式(1)、式(2)、式(3)计算出pH和有效氯浓度，再根据ORP、pH和有效氯浓度与保存的基准数据的差值按照式(4)、(5)式调节电解电流或电压。

系统实时检测电压(U)、电解电流(I)、入水流量(V)、温度(T)和ORP，根据建立的式(1)、式(2)、式(3)的数学关系模型计算出出水的pH值和有效氯浓度数值。

实际实验表明：pH和有效氯与脉冲盐泵频率(F)、电解电压(U)、电解电流(I)、入水流量(V)，ORP和温度(T)之间虽然存在一定的对应关系，但它们之间并非呈严格的线性关系。因此，通过对实验数据进行分段处理，在各段内通过数据拟和算法找出近似的线性关系，这样在整个数据域内就可以建立起模糊推理规则和神经网络学习模型，根据模糊推理原则先得出pH和有效氯。

根据实际工作中测得的ORP、pH和有效氯浓度与它们各自基准值之间的偏差大小，按照图3的网络结构，通过不断更新加权因子的值，即更新式(4)、式(5)中的k、A、B、C的数值，在每一个采样周期后，帮助控制器产生一个自适应控制信号，以达到稳定出水指标的控制目标。

以下通过具体示例来说明本发明实施方法：

先通过手动调节氧化电位水生成器的入水的流量、NaCl的浓度和NaCl的添加量、电解电压和电解电流，用pH计和ORP测定仪测量酸水的pH值和ORP值，再用综合滴定法测量酸水的有效氯浓度，得到酸水的出水指标数据如下：

ORP：1169；

pH：2.32；

CL：46；

酸水流量：1.5升/分；

入水总流量：3.1升/分；

电解电流：21.4安；

电解电压：9.2伏；

盐水浓度换算值：1.1；

将上述的ORP、pH、CL、电解电流、电解电压分别作为基准值存储到机器中，然后重新开机后，机器通过传感器检测酸水的ORP和电流及总流量分别为1172、21.2、3.1，按上述的式(1)、式(2)、式(3)计算得到实际的显示值分别为：

pH：2.39；

CL：46.16；

ORP：1169.6；

将计算得到的pH、CL、ORP与前面存储的基准值进行比较，若误差超过允许范围，则按式(4)、式(5)计算调节的电流和电压，通过PWM输出去控制调节电解电压(电流)，进而维持出水指标稳定。

参见附图4～5所示，采用Atmel公司高性价比的MEGA128单片机作为中央处理器，它采用先进的RISC精简指令集结构，内置128K字节在线可重复编程Flash，4K字节EEPROM，4K字节内部SRAM，二通道8位PWM，6通道2到16位精度PWM，8通道10位A/D转换。

中央处理器接受来自ORP、流量、电流和温度传感器的数据信号，经过运算放大器变换输入到单片机，由单片机自带的10位A/D转换器完成摸/数转换。对电解电压/电流的调节通过单片机输出PWM波经隔离后送到驱动电路，驱动功率开关管来调节电解电压/电流。同时单片机通过控制脉冲计量泵的频率来调节NaCl的浓度。

上述中央处理器已按本发明技术方案的方法被编程，其流程的示意图所图5所示，系统启动后按照图5所示的流程循环运行，在每一周期均要对水流、液位、ORP等条件进行检查以作出故障判断，出现故障则进行报警提示并停止电解。在相关工作条件均满足时则根据检测的电压、电流、流量和ORP等参数，用建立的模糊推理规则计算出pH和有效氯，再根据ORP、pH和有效氯与各自基准值的偏差以确定PWM的输出数值和脉冲计量泵的频率大小，以维持出水指标的稳定。

本发明技术与现有技术相比具有以下两点优势：

1、通过在氧化电位水生成器出水的三个指标(ORP、pH、有效氯浓度)之间建立相关的数学模型，实现在线监测氧化电位水生成器出水的三项指标(ORP、pH、有效氯)，并根据出水指标的变化来反馈控制系统实现自动调节各个控制因子(电解电压、电解电流、NaCl的浓度)，用闭环控制回路来保证出水指标稳定。

2、这种数学模型方法会给氧化电位水在应用中实现实时监测提供低成本的解决方法，能够有效地提升氧化电位水生成器的智能化水平，使用户的操作使用更为方便和简单，这会进一步推动氧化电位水在各相关行业的广泛使用。

Claims (1)

1.一种对氧化电位水生成器进行智能化控制的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)对氧化电位水的各项指标建立相应的数学表达式：

1.1通过实验数据得到氧化电位水pH和ORP、电解电压、电解电流、流量、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{pH}={\mathrm{pH}}_{\mathrm{set}}+\left|(\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}\×100}{\mathrm{ORP}}+\frac{I_{\mathrm{set}}\×100}{I}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U}-200)\right|......\left(1\right)$

1.2通过实验数据得到氧化电位水有效氯浓度CL和ORP、电解电压、电解电流、流量、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{CL}={\mathrm{CL}}_{\mathrm{set}}+(-\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP}}{50}+\frac{I_{\mathrm{set}}-I}{5}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U})..........\left(2\right)$

1.3通过实验数据得到氧化电位水ORP和电解电压、电解电流、NaCl的浓度之间的数学关系，如下所示：

$\mathrm{ORP}={\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}+(-\frac{{\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP}}{7}+\frac{3\×(I_{\mathrm{set}}-I)}{4}+\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f-\frac{U_{\mathrm{set}}}{U})......\left(3\right)$

1.4建立电解电压、电解电流与ORP、pH、有效氯浓度和它们各自基准之间偏差的数学关系，如下式：

I＝I_set+A×(ORP_set-ORP)+B(CL_set-CL)+C(pH_set-pH)...............(4)

$U=k\×\{I_{\mathrm{set}}+A\×({\mathrm{ORP}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{ORP})+B({\mathrm{CL}}_{\mathrm{set}}-\mathrm{CL})+C({\mathrm{pH}}_{\mathrm{set}}-$

$\mathrm{pH})\}\×\frac{v_{\mathrm{set}}\×2}{v}\×f....................\left(5\right)$

其中：1≤k≤3.0；0.5≤A≤3.0；-1≤B≤2.0；-0.5≤C≤1.0

上述数学关系中：

ORP_set表示ORP基准值；

ORP表示ORP测试值；

pH_set表示pH基准值；

pH表示pH计算值；

CL_set表示有效氯浓度基准值；

CL表示有效氯浓度计算值；

I_set表示电解电流基准值；

I表示输出的电解电流；

U表示输出的电解电压；

v_set表示酸水流量；

v表示入水总流量；

f表示NaCl的浓度；

k表示比例系数；

(2)测量并记录数据：

先通过手动调节氧化电位水生成器的入水的流量、NaCl的浓度和NaCl的添加量、电解电压和电解电流，用pH计和ORP测定仪测量酸水的pH值和ORP值，再用综合滴定法测量酸水的有效氯浓度，直至酸水的pH值在2.2～2.7之间、ORP值在1130～1230之间、有效氯浓度在30～80之间为止，记录包括有效氯浓度、pH、ORP、电解电压、电解电流、流量数据，并将这些数据作为基准数据存储；

(3)实时检测工作过程中氧化电位水生成器的ORP、电解电压、电解电流、流量和温度数据，根据建立的式(1)、式(2)、式(3)计算出pH和有效氯浓度，再根据ORP、pH和有效氯浓度与保存的基准数据的差值按照式(4)、(5)式调节电解电流或电压。

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