CN102147606A - 一种高浓度次氯酸消毒液在线检测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统，包括硬件系统与软件系统。其中硬件系统包括嵌入式控制模块、信号采集模块、显示控制模块、上位机通信模块和电机控制模块；其中信号采集模块包括三个传感器，分别为酸度计、次氯酸计和温度计；上位机通信模块通过RS-232协议，将数据及指令与上位机进行上传和下载；显示控制模块包括一个触摸屏，负责人机交互的功能；电机控制模块参与控制四路液路泵。其中软件系统包括信号分析模块和动力输出模块。该硬件系统在软件系统的管理下进行工作。本发明通过直接使用低廉的克拉克电极，通过更改使用程序，首次在高浓度次氯酸的液体中进行直接、实时监测与控制。

Description

一种高浓度次氯酸消毒液在线检测控制系统

技术领域

本发明属于实时信号采集与监控领域，特别涉及一种高浓度次氯酸类消毒液的全自动信号采集，分析，自动加液系统。

背景技术

次氯酸作为一种常用的消毒剂，在生产生活的各行各业中应用十分广泛。然而，为了达到有效的消毒效果，必须在消毒液中维持一定的高浓度次氯酸。目前有多种方法进行次氯酸的标定，如：碘量法、N，N-二乙基-1，4-苯二胺滴定法(DPD法)、电流滴定仪测定法和比色法等。碘量法是《医院污水排放标准》(GBJ48-83)中规定的标准方法，该方法只能用于测定总余氯量＞1mg/L的水样，无法测出游离及化合氯；DPD法是国家标准方法，可测出水样中各种余氯成分，主要在实验室应用；电流滴定法也可用于测各种余氯成分，准确度也较高但需要进行仪器保养；比色法用于测定总余氯，但当水样中含高价锰或NO2＞2mg/L时，则不能采用此法。由于目视比色法便于现场操作及观察，因此常用于现场余氯的测定，但比色法检测精度低。

针对工业的高速生产线，以上各种方法都不能有效使用。碘量法，DPD法都是针对实验室的方法，尽管精度高，但是无法做到实时、在线、高速、无人值守等多方面的工业要求。目前在工业中应用较多的是基于电化学方法的克拉克(Clark)电极传感器，然而，目前这类传感器主要针对城市用水残留氯的测量，应用于小于5ppm的应用场合。对于直接将该传感器进行高浓度次氯酸测量时，则面对克拉克电极本身特性的限制，当浓度超过20ppm后，就开始出现传感器慢性中毒，信号飘升的现象，完全限制了该类电极在高浓度次氯酸中的使用。

发明内容

本发明的目的为了解决克拉克(Clark)电极传感器在在高浓度次氯酸中的使用受到限制的问题，从而提供了一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统。

本发明的创新点是采用了基于程序控制的循环退毒的液路流程，来维持次氯酸传感器的长时间正常工作。并针对现场工作过程的复杂与变化性，设计了一套基于信号反馈与前馈的自调整，自适应系统，可以让整个系统根据具体的工况，进行自动优化速度，并记忆优化结果。

本发明的技术方案

一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统包括硬件系统与软件系统。

其中硬件系统如图1所示，包括嵌入式控制模块、信号采集模块、显示控制模块、上位机通信模块和电机控制模块；

信号采集模块采集到pH、温度、余氯的值后，经嵌入式控制模块处理后，传给显示控制模块显示在显示器上，同时可以通过RS232通信模块和电脑进行数据交换，嵌入式控制模块可以通过判断采集到的信号值向电机控制模块传递信号进行动力控制。

上述嵌入式控制模块为51嵌入式微控制器；

信号采集模块包括三部分，分别为次氯酸的信号采集单元15、酸度的信号采集单元14和温度的信号采集单元13；

上述所述的次氯酸的信号采集包括稳压源1，克拉克电极传感器2，电流电压跨阻放大器3，二阶低通滤波器4，电压跟随器5；

上位机通信模块通过RS-232协议，将数据及指令与上位机进行上传和下载；

显示控制模块包括一个触摸屏，负责人机交互的功能；

电机控制模块参与控制四路液路泵，每路泵都有5种不同的进液速度，其中，泵1、泵2分别连接次氯酸母液和柠檬酸母液。泵4负责从次氯酸消毒系统中抽取样液，进而将其注入流通槽，而泵3连接自来水，负责流通槽中的冲洗工作。

该硬件系统在软件系统的管理下进行工作。

软件系统包括信号分析模块和动力输出模块。其中信号分析模块包括：1)数字信号的低通滤波；2)数字信号的pH值，次氯酸ppm值，以及温度值的转换；3)pH值的温度补偿；4)基于pH值的次氯酸浓度分析；

所述动力输出模块包括：1)基于PWM控制的调节泵1和泵2进液速度的算法；2)次氯酸传感器脱毒过程算法；

一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统的工作过程

高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统在信号分析的基础上，整个系统可以按照流程模块所调控的液体流进流出过程进行控制，如图2所示：

首先进行系统初始化，预设初始酸度pH值为5.5，预设次氯酸浓度为300ppm。

在系统进入工作状态后，先打开泵4进样液并进行温度信号采集，待系统温度稳定后，打开次氯酸母液泵1与柠檬酸泵2，以速度N1进液m秒，当m秒到达后，停止次氯酸母液泵1，维持柠檬酸进液泵2，此时进行酸度采样，如果达不到预先设定的酸度要求，维持进酸状态，持续测量酸度，如果酸度达到要求，则进入次氯酸测量过程。

次氯酸测量过程如下：

首先关掉柠檬酸泵2，以最低速打开次氯酸母液泵1，同时打开清水泵P3共4分钟，4分钟后关闭清水泵3，打开次氯酸样液泵4进液1分钟，在泵4进样液达到30秒钟的时刻，进行次氯酸数据采集，并维持采集30秒钟。采集到的次氯酸数据与预先设定好的次氯酸值进行比较，根据该数据判断是否次氯酸达标。如不达标，继续重复4分钟的脱毒和1分钟的进样液过程，其后30秒进行采样判断。如果达标，系统进入下述的正常工作的主循环流程。

主循环流程如下：

首先调整泵2，使进柠檬酸速度达到N2，并将该速度值贮存，然后测量酸度值是否达标，如果达标则关泵2，开泵1、泵P3，进清水洗脱传感器4分钟，然后关泵3，开泵4，抽取次氯酸钠样液并测次氯酸浓度是否达标，如果未达标，则调整泵1，使进次氯酸钠母液速度到N3，并贮存，再次进行洗脱检测，如果达标则再次进入主循环。

上述所说的脱毒过程即次氯酸传感器在清水中持续浸泡4分钟，以使次氯酸传感器恢复到能够正常工作的状态；

上述所说的主循环流程即酸度检测与次氯酸度检测。

每次次氯酸检测都同样采用先清水退毒4分钟，再进液1分钟的方式。对于每次测试，都进行了一套基于前馈与反馈相结合的算法，实时调整次氯酸泵和柠檬酸泵的进液速度。对每次调整的结果进行记录，从而通过一套权证算法来完成目前进液速度的最优选择。这一套算法主要涉及定时采样，加权分析，数据递归保存，并根据实际情况进行优化判断。

本发明的有益效果

本发明高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统，其优点主要体现在：

(1)、最重要的部分为传感器测定与毒性洗脱程序的设计，该设计可以切断克拉克电极在高浓度次氯酸中的中毒过程，并进行脱毒处理，使其可以有效的在高浓度次氯酸液体中保持稳定，并有效的完成测量任务。

(2)、酸度和次氯酸调节流路的程序设计，可以根据实时测定的pH值和次氯酸值，进行必要的消毒剂补充，从而维持消毒效果。

(3)、在进液流路中，系统可以根据具体现场，实时进行学习、分析、记录，从而在最优的工作条件下工作。

即本发明通过直接使用低廉的克拉克电极传感器，通过更改使用程序，扩展其测量区间。因此，本发明的高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统使得克拉克电极传感器在连续工作的情况下，漂移小于2％，达到消毒监测的指标，即通过对克拉克电极循环脱毒，实现在高浓度次氯酸液体中保持稳定，并有效的完成测量任务。

附图说明

图1、高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统的整体结构原理图

图2、系统程序执行流程图

图3、克拉克电极信号采集的方框图

图4、酸度计信号采集的方框图

图5、温度信号采集的方框图

图6、高浓度次氯酸传感器中毒洗脱曲线

图7、高浓度次氯酸监测系统主框架图

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步的描述，但并不限制本发明。

实施例1

一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统

一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统，其特征在于包括硬件系统与软件系统。

该硬件系统在软件系统的管理下进行工作，如图1所示，其中硬件系统包括嵌入式控制模块、信号采集模块、显示控制模块、上位机通信模块和电机控制模块；

信号采集模块采集到pH、温度、余氯的值后，经嵌入式控制模块处理后，传给显示控制模块显示在显示器上，同时可以通过RS232通信模块和电脑进行数据交换，嵌入式控制模块可以通过判断采集到的信号值向电机控制模块传递信号进行动力控制；

上述嵌入式控制模块为51嵌入式微控制器。

上述信号采集模块包括三个部分，分别为次氯酸的信号采集单元15、酸度的信号采集单元14和温度的信号采集单元13；

上述上位机通信模块通过RS-232协议，将数据及指令与上位机进行上传和下载；

上述显示控制模块包括一个触摸屏，负责人机交互的功能；

上述电机控制模块参与控制四路液路泵，其中，泵1、泵2分别连接次氯酸母液和柠檬酸母液，泵4负责从次氯酸消毒系统中抽取样液，进而将其注入流通槽，而泵3连接自来水，负责流通槽中的冲洗工作；

其中软件系统包括信号分析模块和动力输出模块；

所述信号分析模块包括：1)数字信号的低通滤波；2)数字信号pH值，次氯酸ppm值，以及温度值的转换；3)pH值的温度补偿；4)基于pH值的次氯酸浓度分析；

所述动力输出模块包括：1)基于PWM控制的调节泵1和泵2进液速度的算法；2)次氯酸传感器脱毒过程算法。

如图3所示，一种次氯酸的信号采集单元15包括稳压源1，克拉克电极传感器2，电流电压跨阻放大器3，二阶低通滤波器4，电压跟随器5。

为达到优化克拉克电极在高浓度次氯酸测量值的效果，这里极化克拉克电极的稳压源1输出为50mV，在这里采用了高精度电压参考集成电路为电压源，采用高精，低温飘的电阻进行分压，获得50mV。

克拉克电极传感器2的内阻在107Ω左右，因此极化后的电流非常微弱，因此需要采用高精度，超高放大倍数的转换电路，因此，电流电压跨阻放大器3采用了高精度I-V放大电路，通过三个105Ω级的普通电阻和一个105Ω级滑阻完成108-109V/A的放大效果。

由于克拉克电极较慢的感应速度，理论上需要15-30秒的时间来稳定次氯酸浓度信号，因此克拉克电极后跟随一个二阶低通KRC滤波器4，在这里该滤波器的截止频率设定在1Hz，相对于实际的信号速度，该滤波器可以做到高效过滤快噪音的效果，而保留有效信号的目的。

过滤后所得到的平滑电压信号被传入下一功能模块--电压跟随器5，来达到输出阻抗匹配的目的。经过电压跟随模块的信号最终被送入模拟数字转换器。

如图4所示，一种酸度的信号采集单元14包括工业级酸度计电极6，由双运算仪器放大器组成的差分放大器7，在双运算差分放大器的第一级，采用了输入阻抗为1.6TΩ的超高阻抗运算放大器，第二级采用低偏置电压的，高直流属性的精密运算放大器。由于酸度计电极6也是低速传感器，因此，在双运算仪器放大器后添加了二阶低通KRC滤波器8，与电压跟随器9。

由于酸度计在酸中电压为负，在碱中电压为正，因此，在双运算放大器放大电压的同时，在仪器放大的一个参考引脚上外加有调节偏置电压的电路，以使该路信号处理电路输出的电压为供电区域内的任意值，以满足今后现场调节的需要。

该信号处理电路也需要一个二阶低通滤波器8，以实现高效过滤快噪音的效果，而保留有效信号。过滤后的平滑信号被传入之后的电压跟随器9，同上，然后被送入之后的模拟数字转换器。

如图5所示，一种温度的信号采集单元13信号的电路。它包括负温度系数的热敏电阻10，惠斯通电桥11，差分放大电路12。

由于该检测系统对温度的精度要求较低，所以采用了高灵敏度，低价位的，具备负温度系数的热敏电阻作为温度传感器，在这里采用的是阻值为2.25KΩ的热敏电阻。采用惠斯通电桥11，将由温度引起的电阻变化转换为电压变化，同时降低由温度带来的共模噪音，这里的电阻采用高温度稳定性的2.25KΩ的金属膜电阻。随后将电压信号经差分放大电路放大1倍后送入模数转换器。

如图7所示，显示了整个控制机构的框图。

框图中15即为图1中所描述的高浓度次氯酸的信号采集系统，框图中13为温度的信号采集系统。框图中14为酸度的信号采集系统，此处采用了工业电极，可进行持续稳定的测试。框图中13、14、15的输出均为模拟信号。模拟信号被送入模拟数字转换器16，将模拟的电压信号转变为可被MCU 17进行后处理的数字信号。在这里，模拟数字信号选用的是4通道的IC(集成电路)，MCU(微控制处理器)选用的是基于51内核的控制器。对收集到的信号进行基本的计算和过滤，同时结合图6所示的实验数据，以及工厂生产实际过程中的具体工业参数，在MCU中，进行了综合分析以及算法应用，从而控制框图中的泵1、2、3、4。泵2与泵1分别为酸液与次氯酸液的进料泵，过程通过脉宽调制(PWM)来达到实时控制的目的。泵4与泵3则为高浓度次氯酸液体与自来水控制，来控制检测与洗脱的过程。

如图6所示，显示了在高浓度次氯酸的环境中，对传感器中毒进行洗脱并进行连续测试后所得的时间电压关系。

首先将克拉克电极放入浓度为300ppm的次氯酸溶液中进行为期1分钟的测量后，迅速进行自来水冲洗。

图2中的横坐标即为使用自来水进行冲洗的时间。可以看出在冲洗10s钟后，传感器的中毒情况持续增加。而当冲洗的时间达到120s时，数据上可以得出传感器达到稳定的结论。而进一步增加传感器的洗涤时间，数据出现了负数，这应该主要是由于高浓的次氯酸在长时间的高速搅拌过程中的浓度损耗的反应。因此综合时间因素，浓度因素，可以看出在为时1min的300ppm的测量后，进行至少3min的洗脱过程是可靠和可接受的。

根据图7的主框架，泵3与泵4每4分钟进行一轮的数据测定，测定的数据反馈给MCU，进行计算后，根据实际的酸度或次氯酸度，对泵1与泵2进行控制，从而达到对浓度的调控。

Claims (4)

1.一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统，其特征在于包括硬件系统与软件系统，该硬件系统在软件系统的管理下进行工作；

其中硬件系统包括嵌入式控制模块、信号采集模块、显示控制模块、上位机通信模块和电机控制模块；

信号采集模块采集到pH、温度、余氯的值后，经嵌入式控制模块处理后，传给显示控制模块显示在显示器上，同时可以通过RS232通信模块和电脑进行数据交换，嵌入式控制模块通过判断采集到的信号值向电机控制模块传递信号进行动力控制；

上述嵌入式控制模块为51嵌入式微控制器；

上述信号采集模块包括三个部分，分别为次氯酸的信号采集单元(15)、酸度的信号采集单元(14)和温度的信号采集单元(13)；

上述上位机通信模块通过RS-232协议，将数据及指令与上位机进行上传和下载；

上述显示控制模块包括一个触摸屏，负责人机交互的功能；

上述电机控制模块参与控制四路液路泵，即泵1、泵2、泵3及泵4；其中，泵1，泵2分别连接次氯酸母液和柠檬酸母液，泵4负责从次氯酸消毒系统中抽取样液，进而将其注入流通槽，而泵3连接自来水，负责流通槽中的冲洗工作；

其中软件系统包括信号分析模块和动力输出模块；

所述信号分析模块包括：1)数字信号的低通滤波；2)数字信号pH值，次氯酸ppm值，以及温度值的转换；3)pH值的温度补偿；4)基于pH值的次氯酸浓度分析；

所述动力输出模块包括：1)基于PWM控制的调节泵1和泵2进液速度的算法；2)次氯酸传感器脱毒过程算法。

2.如权利要求1所述的一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统，其特征在于所述的次氯酸的信号采集单元(15)包括稳压源(1)，克拉克电极传感器(2)，电流电压跨阻放大器(3)，二阶低通滤波器(4)，电压跟随器(5)；

稳压源(1)给克拉克电极传感器(2)提供稳定的50mv电压，克拉克电极传感器(2)输出NA级的电流信号，经电流电压跨阻放大器(3)转换成电压信号，然后依次通过二阶低通滤波器(4)、电压跟随器(5)。

3.如权利要求1所述的一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统，其特征在于所述的酸度的信号采集单元(14)包括工业级酸度计电极(6)，由双运算仪器放大器组成的差分放大器(7)，二阶低通KRC滤波器(8)，电压跟随器(9)；

酸度计电极(6)采集到的电压信号经差分放大器(7)放大后，依次通过二阶低通滤波器(8)、电压跟随器(9)。

4.如权利要求1所述的一种高浓度次氯酸消毒液自动化检测控制系统，其特征在于所述的温度的信号采集单元(13)包括负温度系数的热敏电阻(10)，惠斯通电桥(11)，差分放大电路(12)；

由惠斯通电桥(11)和热敏电阻(10)组成的电路将温度信号转换成电压信号，经差分放大电路(12)放大后输出。

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