CN104090597B - 一种智能pH测控系统及pH测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能pH测控系统及pH测控方法，所述的pH测控系统包括：pH控制器、pH实时数据采集及曲线记录器、上位机、反应容器、酸瓶、碱瓶、加酸泵、加碱泵、下限继电器、上限继电器以及置于反应容器中用于检测反应容器中液体pH值的pH复合电极；所述的加酸泵和加碱泵均为蠕动泵；加碱泵用于将碱瓶内的碱液泵入反应容器中；加酸泵用于将酸瓶内储存的酸液泵入反应容器中；控制器通过下限继电器控制加碱泵向反应容器中补充碱液，通过上限继电器控制加酸泵向反应容器中补充酸液，使得反应容器中的pH值趋近并达到某一设定的pH值并迅速恒定在此pH值上。该pH测控系统及pH测控方法易于实施，且控制精度高。

Description

一种智能pH测控系统及pH测控方法

技术领域

本发明涉及一种智能pH测控系统及pH测控方法。

背景技术

在国内外市场上，工业用的各种pH测控系统非常普及，但是，目前国内外市场上沒有适用于实验室用的先进的小型pH测控系统的产品。现有的诸多pH测控系统产品中，只是简单使用一台pH控制器与一台或二台简单的液泵所构建的测控系统简易装置，面板上只有正反转，沒有调速旋钮，也就是说，液泵的速度是固定，控制方式是极限ON/OFF。

经检索，现有的PH控制器，一般是采用单独加入酸或碱的工作模式，如申请号为200910116101.4的酸碱中和控制器，基于pid和模糊控制实现ph值调节，调试和控制过程复杂，申请号为201320744260.0的一种PH控制器，主要功能只是进行pH值测量，无法实现pH值的控制。

公开号为CN1598729A的溶液pH值自动调节控制系统及其自动控制方法(申请号200410043812.0)，具有pH值采集和温度采集电路，以及加液泵和加热器，分别用于调节pH值和调节温度，但是其控制方法本身极为简单，而且是采用极限控制的方式，控制精度低，是属于粗放型的控制方式，很多时候无法满足使用者的要求。

因此，有必要设计一种智能pH测控系统及pH测控方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种智能pH测控系统及pH测控方法，该智能pH测控系统及pH测控方法采用闭环控制，控制精度高，易于实施。

发明的技术解决方案如下：

一种智能pH测控系统，包括控制器、反应容器、酸瓶、碱瓶、加酸泵、加碱泵、下限继电器、上限继电器以及置于反应容器中用于检测反应容器中液体pH值的pH复合电极；

所述的加酸泵和加碱泵均为(超静音迷你的)蠕动泵；

加碱泵用于将碱瓶内的碱液注入反应容器中；加酸泵用于将酸瓶内储存的酸液注入反应容器中；

pH复合电极的信号输出端与控制器的信号输入端相连，用于将采集的pH值信号传输到控制器中；

控制器通过下限继电器控制加碱泵向反应容器中补充碱液，通过上限继电器控制加酸泵向反应容器中补充酸液，使得反应容器中的pH值趋近并达到某一设定的pH值(并迅速恒定在此pH值上)。

pH复合电极为带有pT100温度补偿的pH复合电极；所述的控制器为单片机、DSP、ARM处理器或美国alphapH1000型控制器。

所述的智能pH测控系统还包括上位机；控制器将采集的pH值信号(数字信号)通过串行接口传输到该上位机。

所述的智能pH测控系统还包括pH实时数据采集及曲线记录器、加酸泵接线座、加碱泵接线座和用于联动/脱钩切换的切换开关，控制器将采集的pH值信号(模拟信号)通过4-20mA变送电流传输至pH实时数据采集及曲线记录器，pH实时数据采集及曲线记录器上集成有用于显示实时pH曲线的显示屏；【记录器可以将接收到的信号转成数字信号存储后再将该数字信号通过RS-232传输到上位机】

加酸泵接线座、加碱泵接线座均采用直流24V供电；

切换开关中集成有2个切换模块，第一个切换模块的一侧接下限继电器的输出端子，另一侧与加碱泵接线座上的2个控制端子相连，该2个控制端子接加碱泵的2个供电端；

第二个切换模块的一侧接上限继电器的输出端子，另一侧与加酸泵接线座上的2个控制端子相连，该2个控制端子接加酸泵的2个供电端；【工作原理说明：在切换开关处于联动模式下，下限继电器的输出端子短接(相当于常开触点闭合)时，24V直流电通过该下限继电器的输出端子加载到加碱泵的供电端，加碱泵启动；同理，在切换开关处于联动模式下，上限继电器的输出端子短接(相当于常开触点闭合)时，24V直流电通过该上限继电器的输出端子加载到加酸泵的供电端，加酸泵启动】

pH实时数据采集及曲线记录器上具有与上位机通信的串行接口；

pH实时数据采集及曲线记录器上设有用于连接U盘的USB接口；

加碱泵和加酸泵的供电侧均并联有一条泵运行状态监视支路；所述的泵运行状态监视支路由电阻和二极管串联而成。

控制器采用脉冲宽度比例控制(PLC)方式控制加酸泵和加碱泵以实现pH值控制；

控制过程为：

步骤1：设定参数：

(1)设置目标pH值SP_obj：【具体对应到alphapH1000型控制器，可以通过下限pH值SP1和上限pH值SP2设定参数，只要满足SP1＜SP2，pH控制器会自动判断。在通常使用情况下，在整个测控过程中，只有一个加液泵在工作，另一个加液泵是不作的，也就是说，只控制一个pH设置点，如果需要加酸或加碱的流量能力加倍，可设定SP1＝SP2，而且均设定为下限L/L或上限H/H，，即一个pH控制点能同时控制二个泵加碱或加酸，同时加酸或加碱时，需要将2个泵都连酸液瓶或都连碱液瓶，此时的加碱或加酸的流量能力将翻倍。】

(2)在10-200％范围内设置比例带；

比例带是指一个从某一pH值SP0到SP_obj的pH区间；只有当pH值进入该pH区间后，控制器开启脉冲宽度比例控制模式；取值越小表明SP0越接近于SP_obj，即该pH区间的宽度越小；【参见图2】

(3)在0.5～20秒内设置脉冲周期T；

【在脉冲宽度控制模式下，继电器输出的是时钟。开关周期T是固定的。取决于和设定值的差值，开关开启的时间增加和减少与比例范围XP是一致的。也就是说：t_ON+toff＝T(固定)，比例带偏离目标越远，ON就越大，当XP超出用户设定的比例带，继电器保持长开状态，此时，蠕动泵以恒流的方式进行。

当蠕动泵以上述方式进入至比例带，在比例带和脉冲周期T的共同作用下，液体的流量以逐步递减的形式接近并到达SP_obj。】

步骤2：闭环控制脉冲宽度比例比例控制控制：

当前pH值为x，当x＜SP_obj时，实施加碱控制；当x＞SP_obj时，实施加酸控制；

(1)加碱控制：

未进入比例带时，即当前的pH值不位于所述pH区间时，加碱泵保持全开的状态，以100％的流量加碱；

进入比例带后，控制器启动脉冲宽度比例控制模式，即在每一个脉冲周期T内，某一段时间t_ON内下限继电器处于开启(ON)状态，该脉冲周期T内的其他时间t_OFF内下限继电器处于关闭(OFF)状态；t_ON时间的长短由误差e决定，e＝abs[SP_obj-x]，abs[.]表示取绝对值；【具体如何确定每一个周期T内的t_ON为现有技术，最简单的控制方式是采用传统的PID控制，并保证每一个整体的控制过程内只能单纯加碱】

【也可以说：每一个脉冲周期内的占空比D由误差e决定，e＝SP_obj-x；占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。方波的占空比为50％，占空比为0.5，具体如何确定占空比，为现有技术，最简单的控制方式是采用传统的PID控制，并保证每一个整体的控制过程内只能单纯地加碱，脉冲周期内的高电平和低电平分别对应下限继电器的开启和关闭】

(2)加酸控制：

未进入比例带时，即当前的pH值的不位于所述pH区间时，加酸泵保持全开的状态，以100％的流量加酸；

进入比例带后，控制器启动脉冲宽度比例控制模式，即在每一个脉冲周期T内，某一段时间t_ON内上限继电器处于开启(ON)状态，该脉冲周期T内的其余的时间t_OFF内上限继电器处于关闭(OFF)状态；t_ON时间的长短由误差e决定，e＝abs[SP_obj-x]，abs[]表示取绝对值；【具体如何确定每一个周期T内的t_ON为现有技术，最简单的控制方式是采用传统的PID控制，并保证每一个整体的控制过程内只能单纯的加酸，也可以说：每一个脉冲周期内的占空比D由误差e决定，e＝SP_obj-x；占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。方波的占空比为50％，占空比为0.5，具体如何确定占空比，为现有技术，最简单的控制方式是采用传统的PID控制，并保证每一个整体的控制过程内只能单纯的加酸，脉冲周期内的高电平和低电平分别对应上限继电器的开启和关闭】

若设置有2个目标ph值：下限pH值SP1，上限pH值SP2，SP1＜SP2；则执行以下控制：

当x＜SP1，以SP1代替SP_obj，执行所述的加碱控制；

当x＞SP2，以SP2代替SP_obj，执行所述的加酸控制。

【在通常使用情况下，在整个测控过程中，只有一个加液泵在工作，另一个加液泵是不工作的，只控制一个pH设置点，因此，一般不会出现一开始的时候x就会处于SP1和SP2之间的情况】

一种智能pH测控方法，其特征在于，采用前述的智能pH测控系统，控制器通过下限继电器控制加碱泵向反应容器中补充碱液，通过上限继电器控制加酸泵向反应容器中补充酸液，使得反应容器中的pH值趋近并达到某一设定的pH值；

pH复合电极为带有pT100温度补偿的pH复合电极，由pH复合电极采集反应容器中的溶液的实时的pH值数据；pH值数据为经过自动温度补偿后的pH值数据【具体为补偿到25℃的pH数据】。

控制器采用极限控制(ON/OFF)方式实现pH值控制。

控制器采用脉冲宽度比例控制(PLC)方式实施pH值控制；

控制过程为：

步骤1：设定参数：

(1)设置目标pH值SP_obj：(2)在10-200％范围内设置比例带；

比例带是指一个从某一pH值SP0到SP_obj的pH区间；只有当pH值进入该pH区间后，控制器开启脉冲宽度比例控制模式；取值越小表明SP0越接近于SP_obj，即该pH区间的宽度越小；【参见图2】

(3)在0.5～20秒内设置脉冲周期T；

【蠕动泵的转速需要事先设定。】

步骤2：闭环控制脉冲宽度比例比例控制(PLC)控制：

当前ph值为x，当x＜SP_obj时，实施加碱控制；当x＞SP_obj时，实施加酸控制；

(1)加碱控制：

未进入比例带时，即当前的pH值不位于所述pH区间时，加碱泵保持全开的状态，以100％的流量加碱；

进入比例带后，控制器启动脉冲宽度比例控制模式，加碱流量递減的方式接近SP_obj，即在每一个脉冲周期T内，某一段时间t_ON内下限继电器处于开启(ON)状态，该脉冲周期T内的其他时间t_OFF内下限继电器处于关闭(OFF)状态；t_ON时间的长短由误差e决定，e＝abs[SP_obj-x]，abs[.]表示取绝对值；【具体如何确定每一个周期T内的t_ON为现有技术，最简单的控制方式是采用传统的PID控制，并保证每一个整体的控制过程内只能单纯的加碱】

【也可以说：每一个脉冲周期内的占空比D由误差e决定，e＝SP_obj-x；占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。方波的占空比为0.5，具体如何确定占空比，为现有技术，最简单的控制方式是采用传统的PID控制，并保证每一个整体的控制过程内只能单纯的加碱，脉冲周期内的高电平和低电平分别对应下限继电器的开启和关闭】

(2)加酸控制：

未进入比例带时，即当前的pH值的不位于所述pH区间时，加酸泵保持全开的状态，以100％的流量加酸；

进入比例带后，控制器启动脉冲宽度比例控制模式，加碱流量递減的方式接近SP_obj，即在每一个脉冲周期T内，某一段时间t_ON内上限继电器处于开启(ON)状态，该脉冲周期T内的其余的时间t_OFF内上限继电器处于关闭(OFF)状态；t_ON时间的长短由误差e决定，e＝abs[SP_obj-x]，abs[]表示取绝对值；【具体如何确定每一个周期T内的t_ON为现有技术，最简单的控制方式是采用传统的PID控制，并保证每一个整体的控制过程内只能以恒流形式单纯的加酸，也可以说：每一个脉冲周期内的占空比D由误差e决定，e＝SP_obj-x；占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。方波的占空比为50％，具体如何确定占空比，为现有技术，最简单的控制方式是采用传统的极限控制，并保证每一个整体的控制过程内只能单纯的加酸，脉冲周期内的高电平和低电平分别对应上限继电器的开启和关闭】

比例带设置为100％、30％或10％，脉冲周期设置为2秒。

若设置有2个目标ph值：下限pH值SP1，上限pH值SP2，SP1＜SP2；则执行以下控制：

当x＜SP1，以SP1代替SP_obj，执行所述的加碱控制；

当x＞SP2，以SP2代替SP_obj，执行所述的加酸控制。有益效果：

本发明智能pH测控系统及pH测控方法，具有以下特点：

(1)本发明具有脉冲宽度比例比例控制(PLC)比例控制及ON/OFF极限控制双控制模式：

pH比例控制方式为PLC(pulseLengthProportionalControl/脉冲宽度比例控制。比例控制的特点：pH控制精度高，中和pH溶液的速度较快。而PFC全称为PulseFrequencyProportionalControl/脉冲频率比例控制。

另外，在中国工业pH控制领域，如自来水厂，较多使用的加液泵为带冲程的电磁隔膜泵，设备之间大都使用硬管连接，而由于蠕动泵管为软管，耐压低，使用蠕动泵是不合适的，因此，大多数工程技术人员不知道蠕动泵，而在小型pH测控领域，基本上沒有基于蠕动泵的产品，即使有，也只是采用简单的极限ON/OFF控制。

虽然pH的极限ON/OFF控制方法是简单的一种控制方法，在特殊情况下，用户也可使用极限ON/OFF控制模式。因此，本发明支持双控模式，兼容性和灵活性好。

(2)本发明的控制精度高。由于采用PLC脉冲比例控制，控制精度可以远远高于极限控制，因此，本发明的控制精度是现有的极限控制不能同日而语的。

(3)二台加液泵为带触点启停及具有正/反转及数码旋钮调速功能的OLED(有机发光二极管)数显迷你蠕动泵

(4)数码调速有如下特点，旋转旋纽可预置速度，按下旋钮则全速运行，松开旋钮则又回到原来的预置速度。数显屏上则显示转速，正/反转，暂停等符号。

小型pH自动控制装置的加液泵采用蠕动泵，对于蠕动泵而言，在工作前，需要事先将蠕动泵软管一头插入瓶内的酸或碱液内，另一头接反应器的进液口后，要求蠕动泵能快速正转，以确保泵软管全部充满酸或碱液且管内不能有气泡，工作结束后，要求蠕动泵能快速反转，将泵软管内酸或碱液迅速回收到酸及碱瓶内，用清水彻底清洗泵软管内的酸或碱液的残渣也需要利用蠕动泵的快速正反转功能。用户也可方便地从观察OLED显示屏上的转速及正/反转及暂停状态。本发明装置采用的“先进的数码调速”功能的蠕动泵是专门针对上述对于蠕动泵的操作要求选定的，更多地强调了操作人性化的功能，用户使用更方便！蠕动泵主要功能仅是加液之用，但是我们設计安排蠕动泵具有上述的辅助的操作功能.在国内外也属首创。

(5)本发明装置内有一台带兰色LCD显示屏的小型pH实时数据采集及曲线记录器，能将本发明装置从开始工作至结束的实时PH数据采集/变化曲线完整地记录下来并能备份在U盘内，同时也可通过RS232通信接口，在计算机大屏幕上实时观察pH变化曲线并予以保存，采集的pH数据则可以Excel文件形式予以保存，给广大科研人员提供重要的科学数据。

(6)一机二用，要求pH控制器与二台加液泵以”联动”或”脫钩”有二种工作模式，脫沟后的二台蠕动泵将不接受pH控制器的控制，此时的二台泵可另作他用，另外，如以上第2点所述，本发明装置在工作前，蠕动泵需要做些准备工作，pH控制器也需要做pH校正及各项参数调节及设置，这些都可在脫沟模式下进行，各调各的，互不干扰，在开始工作前，只须将工作模式可切換至联动即可。

综上所述，本发明结构紧凑，集成度高，功能强大，控制精度高。适应于广大实验室科研人员组织培养特定pH溶液的配制、教学；生化制药厂、工业环保、电镀厂或中试车间、反应罐、反应釜、反应器中的pH调节控制加液；植物提取物车间、生物反应器及发酵工厂，pH缓冲液的配制及培养过程调节控制、新产品开发等领域的应用。

附图说明

图1为智能pH测控系统的总体结构示意图；

图2为比例带示意图(以加碱为例)；

图3为单一控制目标的PLC控制过程示意图；

图4为ON/OFF控制过程示意图；

图5为2个预设值(SP1和SP2)d的控制过程示意图。

图6为智能pH测控系统的接线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1-6，本发明装置有三个功能模块及一个带PT100温补的三复合pH复合电极所构成

总体结构：长宽高30CMX24CMX36CM台式装置；三个功能模块分别为：

1.一台pH1000控制器，用户在本装置更多的使用pH控制模式为PLC(pulseLengthProportionalControl/脉冲宽度比例控制)以实现较快速度中和pH溶液以及更高的pH控制精度。

该控制器也含有极限ON/OFF控制模式，在特殊情况下，如果用户需要快速中和pH溶液，而不强调控制精度，如用在pH溶液配比场合，或者导师指导研究生或学生，了解或熟悉，比较比例控制及极限控制的二种不同控制方法的情况下，了解或比较复杂的pH中和溶液及控制精度的全过程，这种全过程的pH变化可在pH显示屏或在电脑屏上可视的，pH显示屏或在电脑屏上将显示实时pH的变化曲线趋势并保存，pH的数据采集则以Excel形式保存。

2.二台带OLED数显屏，可正/反转，数码调速旋钮的高级迷你蠕动泵(高细分步进马达)

SP-Minipump(迷你蠕动泵)技术指标

转速范围：0.1～300rpm，正反转可逆

速度分辨率：0.1rpm；

调速方式：数码旋钮调速，具有预置速度，按下数码旋钮，则全速运行松开数码旋钮，则立即按预置速度运行

OLED数显屏：显示转速，正/反转及暂停符号

适用电源：24V直流电源

消耗功率：＜15W

本装置已包含三种规格/各2米的经铂金涂复的硅胶管，用户根据需要的流量范围，可以方便地选用三种内径的泵管：

蠕动泵速度范围0.1至300rpm时三种内径管子对应的流量范围：

14#管，内径1.6mm流量范围0.01至33.88ml。

16#管，内径3.1mm流量范围0.039至114.3ml。

25#管，内径4.8mm流量范围0.06至190ml。3.一台有128*64点阵蓝屏液晶显示器(LCD)的PH数据采集/实时曲线趋势记录器，该记录器包含相应的上位机软件以与计算机连接的RS232通信接口，面板下方有U盘插口，能将历史数据采集/曲线趋势图保存至U盘上。

详见附图1.

浸在溶液中的pH传感器将实测到的反应器中的pH值传送至pH控制器上，并在显示屏的上方显示，屏的下方则显示25度而不是实际温度，其用意是提醒用户，上方显示的pH值是由PT100温度传感器器将溶液中的实际温度自动补偿(ATCAutomatictemperaturecompensation)至25度的标淮pH值而不是溶液中的pH值。

pH控制器的控制输出有二路，通过二个继电器的触点闭合或断开(开关信号)控制二个蠕动泵，二个继电器由用户在pH控制器中根据需要設置并指定的，L/L为下限继电器，此继电器将控制加碱泵H/H为上限继电器，此继电器将控制加碱泵，A1及B1分别表示下限继电器及上限继电器触点开关，由于这二台蠕动泵的启动口的要求是开路为启动，闭合为停止，因此控制器的二个继电器的触点开关的输出A1及B1接线接在常闭触点上，。A2及B2分别表示加碱泵及加酸泵的启停端口，D为”联动”或”脫钩”拔动开关，在”联动”位置时，加碱泵的启停经由下限继电器A1→D→A2控制，加酸泵的启停经由上限继电器B1→D→B2控制，当下限继电器触点为开路时，启动加碱泵，当上限继电器触点为开路时，启动加酸泵。当拔动开关为”脱钩”时，由于拨动开关中断了A1→D→A2及B1→D→B2的控制通道，此时的二台蠕动泵的启动口均处于开路状态，在脫钩状态时，二台蠕动泵将不接收pH控制器的控制指令，二台蠕动泵可以独立运行。本发明在线路设计上巧妙地加上一个”脱钩”或”联动”拨动开关，以达到上述功能，在国内外也属首创。

在使用之前，须将拨动开关拨至脫钩位置后，需要分别在pH控制器上设置各项参数以及使用蠕动泵作好工作前的淮备。操作过程说明如下：

1.在pH控制器上选择PLC控制方式，以及需设置PLC的二个重要参数，即设置脉冲长度时间T(0.5至20秒可调)，设置比例带％Prp(10至200可调)。

在控制器上设定SP1为需控制的下限pH值(控制加碱泵)设定SP2为需控制的上限pH值(控制加酸泵)。

在pH控制器上设置变送电流为4-20mA，另外需设置需记录的PH量程范围，如对应4pH为4mA，8pH为20mA，记录器将记录4-8pH范围内采集pH的数据及显示pH实时曲线。pH控制器的变送电流C1连接至PH数据采集/实时曲线趋势记录器的4-20mA输入端C2。

如果用户希望在大屏幕上观察，可将pH数据采集/实时曲线趋势记录器用RS232通信电缆连接后面RS-232接口至笔记本电脑接口

2.在pH记录器上按下电源开关

a).在pH记录器的”系统”菜单中設置4-20mA对应的pH量程范围，此pH量程范围必须与用户在pH控制器设定的pH量程范围一致。

b).选择采样速率，1/2/4/8/12/24/36/60/120/180/240秒可选。

3.操作二台蠕动泵，将连接酸或碱液瓶至反应器的软管灌满，预置好蠕动泵速度。

a)将钮子开关从”脱钩”拨至”联动”位置。

开始pH测控：

在pH控制器屏上将显示实时pH数据，在电脑上也将同步显示一条pH实时变化曲线。

假如pH传感器测量到的容器中的pH值低于SP1设定值，下限继电器触点A1为开路，加碱泵的启停控制端A2也为开路，加碱泵启动，初始时，溶液的pH值离SP1设定值较远，加碱泵将以较高速度恒速(恒流)运行，容器中的pH值较快地上升，在接近SP1值时，进入PLC的比例区域，此时，碱液将逐渐递減，溶液中的pH值的上升速度也将越来越慢地接近SP1，当到达SP1时，碱液几乎为0，转而迅速地恒定在SP1的pH值，进行精密控制，同理假如溶液中的PH值高于SP2，通过B1至B2，启动加酸泵，溶液中的PH值将较快地降低......。

这是一个完整的由pH传感器，pH控制器，加液泵构成的PLC闭环控制(负反馈)的过程。

需要说明的是，由于本发明装置适用于500ML至80升范围的大小不一反应器，通常来说，对于小的反应器，比例带的％可选择小一些，脉冲长度的时间也可设置小一些，而对于大的反应器，由于有大的滞后效应，比例带的％可选择较大，脉冲长度的时间也可设置较大，而且中和溶液中的pH值是非线性的，非常复杂的一个过程，除以上所述，预设的泵的初始速度及反应器中的搅伴速度也是一个必须考虑的，要想获得理想的中和溶液的pH变化曲线及控制精庚，必须经过多次调试。

以上描述的pH变化过程也将在pH数据记录器上的LCD小显示屏上显示一条实时pH的变化曲线，测控完成后，用户可将数据考贝到U盘，再将U盘插入电脑，此时电脑上显示是pH历史数据及历史pH变化曲线，如前所述，当pH数据记录器与电脑实时通信时，电脑上也同步显示实时pH变化曲线。这些资料的后处理不在此叙述。

三大功能模块及各种操作器件都安排总体结构图的二块机箱面板上，其中PH数据采集/实时曲线趋势记录器单独安排在上方机箱面板，这样的工艺结构的安排，更多的考虑用户的人性化的实际使用需要，对于小型的反应器，用户通常会将反应器连同本发明装置都放在通风橱内，尤其考虑是化学反应器更是如此，

本发明采用带数显，正/转，数码调速旋钮的迷你蠕动泵，其先进的操作功能展现操作人性化的特点。

pH记录器小机箱既可移动，也可与下方机箱叠成一体，展现操作人性化的特点，本设备的特点如下：

1.体积小，可叠加，可分离，可以由二个长宽高30X24x10CM及30X24x26CM的机箱组成，可叠加，可分离

2.所有功能器件均可集成在控制面板上，使用方便。

3.更方便地实现操作人性化的特点

图3和图4为PLC控制与极限ON/OFF控制方式的控制加碱泵时的效果对比图。

假如当时反应器中的溶液的pH值为0.5，而SP1设定的需控制的pH值为7pH，PLC有二个参数需选择，一个参数为比例带，从图中可看出，当比例带为30％时，刚开始时，蠕动泵将以较高速度恒速运行，此时加入反应器的碱液流量也以较高恒定流量加入反应器，以较高速度中和溶液，当溶液的pH值升至3.5pH时，开始进入比例带，此时加碱量将逐渐递减，当快到达7pH控制点，将以1滴1滴的加碱方式，小心翼翼地接近，当到达时pH时，加碱量也几乎接近为0。

第二个参数为脉冲长度，假如选择为2s，进入比例带的同时，蠕动泵以将“开停开停的动作方式运行，如在第一个2s内，泵开为1.8s，停为0.2，下一个2s内，泵开为1.2s，停为0.8s，再下一个2s内，泵开为0.7s，泵关为1.3s，泵开的时间长度成比例地越来越小，此时流量将逐渐递減并慢慢地接近7pH，并到达7pH控制值，酸流量几乎为0，并迅速控制在7pH值。

脉冲宽度比例比例控制(PLC)这种控制方法的优点是溶液中和速度快，控制精度高，而极限ON/OFF控制方式优点是溶液中种速度快，缺点是控制精度差。

本发明装置主要应用于实验室的研发人员，通过对各种小型化学，生物反应器等中的溶液的酸碱度测量及控制的试验要求，用户可在本系统装置的高级pH控制器的菜单上設定1点(SP1或SP2)或2点(如SP1和SP2)的所需要控制的pH值后，本pH控制器能根据pH探头的实测到的pH值与SP1或SP2的设定值进行比较，自动判断而且驱动本装置上的一台迷你加酸或加碱泵以PLC比例控制方式将酸或碱液加入反应器中，较快地中和原来的pH溶液，直至反应器中的溶液到达pH的预設值SP1或SP2，并始终在pH预設值上进行微调控，控制精度高，而全过程的实时PH数据采集/变化曲线记录器给研发人员提供了一批重要的科学试验数据和变化曲线图，采集的pH数据以Excel文件形式予以保存。

本高级pH控制器也各有极限ON/OFF控制方式，这二种控制方式都可在控制器的菜单上很方便地进行选择。

采用迷你蠕动的流量范围为0.01至190ml，可以满足500ml至80升左右的反应器的测控需要。如果整个反应器的工作过程仅需要加碱或者仅需要加酸，也可以设置一个点同时控制二台泵，此时的流量范围将扩大2倍，即为0.02至380mI。例如，用户需要将控制点设置在8.00pH，而且在使用过程中仅需要加碱液，用户可以在pH控制器面板上，选择菜单，将SP1及SP2都设置为8.00pH，SP1及SP2均设置为L/L即可，反之，如果用户需要将控制点设置在8.00pH，而在使用过程中仅需要加酸液，可以将SP1及SP2均设置为H/H即可。

实施例2，采用通用的控制器代替实施例1中的pH1000控制器，所述的通用的控制器是指DSP、单片机(如51系列单片机)或ARM处理器，处理器在控制程序的驱动下实现控制过程。控制器驱动继电器的驱动电路、4-20mA电流变送器的实现均为现有成熟技术。

Claims (8)

1.一种智能pH测控系统，其特征在于，包括控制器、反应容器、酸瓶、碱瓶、加酸泵、加碱泵、下限继电器、上限继电器以及置于反应容器中用于检测反应容器中液体pH值的pH复合电极；

所述的加酸泵和加碱泵均为蠕动泵；

加碱泵用于将碱瓶内的碱液注入反应容器中；加酸泵用于将酸瓶内储存的酸液注入反应容器中；

pH复合电极的信号输出端与控制器的信号输入端相连，用于将采集的pH值信号传输到控制器中；

控制器通过下限继电器控制加碱泵向反应容器中补充碱液，通过上限继电器控制加酸泵向反应容器中补充酸液，使得反应容器中的pH值趋近并达到某一设定的pH值；

pH复合电极为带有pT100温度补偿的pH复合电极；所述的控制器为单片机、DSP、ARM处理器或美国alphapH1000型控制器；

所述的智能pH测控系统还包括pH实时数据采集及曲线记录器、加酸泵接线座、加碱泵接线座和用于联动/脱钩切换的切换开关，控制器将采集的pH值信号通过4-20mA变送电流传输至pH实时数据采集及曲线记录器，pH实时数据采集及曲线记录器上集成有用于显示实时pH曲线的显示屏；

加酸泵接线座、加碱泵接线座均采用直流24V供电；

切换开关中集成有2个切换模块，第一个切换模块的一侧接下限继电器的输出端子，另一侧与加碱泵接线座上的2个控制端子相连，该2个控制端子接加碱泵的2个供电端；

第二个切换模块的一侧接上限继电器的输出端子，另一侧与加酸泵接线座上的2个控制端子相连，该2个控制端子接加酸泵的2个供电端；

pH实时数据采集及曲线记录器上具有与上位机通信的串行接口；

pH实时数据采集及曲线记录器上设有用于连接U盘的USB接口；

加碱泵和加酸泵的供电侧均并联有一条泵运行状态监视支路；所述的泵运行状态监视支路由电阻和二极管串联而成。

2.根据权利要求1所述的智能pH测控系统，其特征在于，还包括上位机；控制器将采集的pH值信号通过串行接口传输到该上位机。

3.根据权利要求1-2任一项所述的智能pH测控系统，其特征在于，控制器采用脉冲宽度比例控制方式控制加酸泵和加碱泵以实现pH值控制；控制过程为：

步骤1：设定参数：

(1)设置目标pH值SP_obj ；

(2)在10-200％范围内设置比例带；

比例带是指一个从某一pH值SP0到SP_obj的pH区间；只有当pH值进入该pH区间后，控制器开启脉冲宽度比例控制模式；比例带取值越小表明SP0越接近于SP_obj，即该pH区间的宽度越小；

(3)在0.5～20秒内设置脉冲周期T；

步骤2：闭环控制脉冲宽度比例控制：

当前pH值为x，当x<SP_obj时，实施加碱控制；当x>SP_obj时，实施加酸控制；

(1)加碱控制：

未进入比例带时，即当前的pH值不位于所述pH区间时，加碱泵保持全开的状态，以100％的流量加碱；

进入比例带后，控制器启动脉冲宽度比例控制模式，即在每一个脉冲周期T内，某一段时间t_ON内下限继电器处于开启(ON)状态，该脉冲周期T内的其他时间t_OFF内下限继电器处于关闭(OFF)状态；t_ON时间的长短由误差e决定，e＝abs[SP_obj–x]，abs[.]表示取绝对值；

(2)加酸控制：

未进入比例带时，即当前的pH值不位于所述pH区间时，加酸泵保持全开的状态，以100％的流量加酸；

进入比例带后，控制器启动脉冲宽度比例控制模式，即在每一个脉冲周期T内，某一段时间t_ON内上限继电器处于开启(ON)状态，该脉冲周期T内的其余的时间t_OFF内上限继电器处于关闭(OFF)状态；t_ON时间的长短由误差e决定，e＝abs[SP_obj–x]，abs[]表示取绝对值；

若设置有2个目标pH值：下限pH值SP1，上限pH值SP2，SP1＜SP2；

则执行以下控制：

当x<SP1,以SP1代替SP_obj,执行所述的加碱控制；

当x>SP2,以SP2代替SP_obj,执行所述的加酸控制。

4.一种智能pH测控方法，其特征在于，采用权利要求1所述的智能pH测控系统，控制器通过下限继电器控制加碱泵向反应容器中补充碱液，通过上限继电器控制加酸泵向反应容器中补充酸液，使得反应容器中的pH值趋近并达到某一设定的pH值；

pH复合电极为带有pT100温度补偿的pH复合电极，由pH复合电极采集反应容器中的溶液的实时的pH值数据；pH值数据为经过自动温度补偿后的pH值数据。

5.根据权利要求4所述的智能pH测控方法，其特征在于，控制器采用极限控制方式实现pH值控制。

6.根据权利要求4所述的智能pH测控方法，其特征在于，控制器采用脉冲宽度比例控制方式实施pH值控制；

控制过程为：

步骤1：设定参数：

(1)设置目标pH值SP_obj ；(2)在10-200％范围内设置比例带；

比例带是指一个从某一pH值SP0到SP_obj的pH区间；只有当pH值进入该pH区间后，控制器开启脉冲宽度比例控制模式；比例带取值越小表明SP0越接近于SP_obj，即该pH区间的宽度越小；

(3)在0.5～20秒内设置脉冲周期T；

步骤2：闭环控制脉冲宽度比例控制：

当前pH值为x，当x<SP_obj时，实施加碱控制；当x>SP_obj时，实施加酸控制；

(1)加碱控制：

未进入比例带时，即当前的pH值不位于所述pH区间时，加碱泵保持全开的状态，以100％的流量加碱；

进入比例带后，控制器启动脉冲宽度比例控制模式，加碱流量递减的方式接近SP_obj,即在每一个脉冲周期T内，某一段时间t_ON内下限继电器处于开启(ON)状态，该脉冲周期T内的其他时间t_OFF内下限继电器处于关闭(OFF)状态；t_ON时间的长短由误差e决定，e＝abs[SP_obj–x]，abs[.]表示取绝对值；

(2)加酸控制：

未进入比例带时，即当前的pH值不位于所述pH区间时，加酸泵保持全开的状态，以100％的流量加酸；

进入比例带后，控制器启动脉冲宽度比例控制模式，加酸流量递减的方式接近SP_obj,即在每一个脉冲周期T内，某一段时间t_ON内上限继电器处于开启(ON)状态，该脉冲周期T内的其余的时间t_OFF内上限继电器处于关闭(OFF)状态；t_ON时间的长短由误差e决定，e＝abs[SP_obj–x]，abs[]表示取绝对值；

7.根据权利要求6所述的智能pH测控方法，其特征在于，比例带设置为100％、30％或10％，脉冲周期设置为2秒。

8.根据权利要求6或7所述的智能pH测控方法，其特征在于，若设置有2个目标pH值：下限pH值SP1，上限pH值SP2，SP1＜SP2；则执行以下控制：

当x<SP1,以SP1代替SP_obj,执行所述的加碱控制；

当x>SP2,以SP2代替SP_obj,执行所述的加酸控制。