CN111103338A - 基于网络的多模式自动pH测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络的多模式自动pH测量仪及其测量方法，其中三个标定液容器、电极存储液容器、pH待测液容器下方连接装有电磁阀的管道接入电极存放槽，电极存放槽内装有pH电极，pH电极的与模拟数字转换器连接。FPGA控制模块上接有LED显示屏、摄像头、4G芯片，模拟数字转换器、电压转换电路板。摄像头前方装有传送pH试纸的传动装置。FPGA控制模块可实现电极法pH值和图像比色法pH值的自动测量与电极的自动清洗，可判断何时需要标定并完成自动标定的功能，并完成pH值的无线网络数据的传输，可避免人工操作的繁琐。

Description

基于网络的多模式自动pH测量仪及其测量方法

技术领域

本发明属于pH值自动测量装置，具体涉及一种基于网络的多模式自动pH测量仪及其测量方法。

背景技术

当今工业生产中水体pH值的检测应用十分广泛, 目前检测水体pH的常用方法即为目视比色法和电位法（即电极法）。比色法的依据是观察pH试纸与不同pH值的介质相互作用产生的颜色变化。电位法是基于能斯特方程检测化学反应中的氢离子浓度变化，该方法通过电极内部反应产生的电势差，传递到pH控制器，对应算法变送显示pH值。

电极法操作复杂，通常需要专业人员操作实现，在成本效益和便捷性方面仍有较大缺陷。且玻璃电极对存放条件要求很高。实际应用中，多种物质极易粘附在pH计探头表面，故要频繁清洗。同时需把电极探头取出进行保养存放，工作时又再放进测量试槽中，由于经常重复性的工作会致使维护人员麻痹大意抑或不进行处理而造成损失。且每隔一定时间使用之前需要进行“标定”操作，否则会造成测量偏差。

每一类pH试纸都有对应的标准比色卡，通过人眼目视检测变色后试纸的颜色，与标准比色卡进行对比，这种技术简单、快捷，但因只提供pH值的近似值而缺乏准确性。

201910309658.3公开了《一种基于手机的pH试纸条pH值测量方法》，通过智能手机拍照试纸图像并进行RGB转HSV色域的图像处理，得到待测液体的pH值。该方法虽操作简易，但仍需人工进行操作，且单模式的pH试纸比色法精度较低、结果易受试纸品质影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于网络的多模式自动pH测量仪及其测量方法，克服了现有技术中电极测量pH操作过程复杂、需人工操作成本较高、便捷性低及目视比色法准确性低等缺陷。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于网络的多模式自动pH测量仪，包括第一标定液容器、第二标定液容器、第三标定液容器、清洗液容器、电极存储液容器、pH待测液容器、电极存放槽、pH电极、模拟数字转换器、FPGA控制模块、LCD显示屏、电压转换电路板、摄像头、4G芯片、传动装置、pH试纸和七个电磁阀；

这六个容器分别通过管道通入电极存放槽中，每条管道上设有一个电磁阀；电极存放槽底面接有管道，用来排空槽内废液，管道上设有电磁阀；

FPGA控制模块输出的高电平通过导线连接到电压转换电路板上，七个电磁阀均与电压转换电路板连接，通过电压转换电路板转换成24V电压，pH电极放置于电极存放槽中，pH电极与模拟数字转换器连接，数字转换器连接FPGA控制模块，模拟数字转换器将电极模拟信号转为数字信号并传输至FPGA控制模块，传动装置上安装pH试纸，将pH试纸测量后传动至摄像头的采集范围，FPGA控制模块再与摄像头、4G芯片和LCD显示屏连接，显示屏显示pH电极的pH值，摄像头采集pH试纸的图像，4G芯片将pH值发送至服务器。

一种基于网络的多模式自动pH测量仪的测量方法，步骤如下：

步骤1、电极法测量pH值时，电极存放槽下方的电磁阀打开排空液体并关闭，清洗液容器下方的电磁阀打开，清洗液流入电极存放槽中数秒后关闭该电磁阀，静置数分钟后，电极存放槽下方的电磁阀打开，排空其内的清洗液后电磁阀关闭，pH待测液容器下方的电磁阀打开，待测液没过电极存放槽中pH电极头后该电磁阀关闭，同时转入步骤2和步骤3；

步骤2、电极pH测量模块读取经过模拟数字转换器转换后的pH电极的数字信号，通过能斯特方程，计算出电极法pH值，显示到LCD显示屏上并传入pH比较模块，转入步骤4；

步骤3、pH试纸通过传动装置浸入电极槽存放槽后传动至摄像头的采集范围内，摄像头采集pH试纸的图像，并传输给图像处理模块处理分析得到pH值，将图像比色法pH值显示到LCD显示屏上并传入pH比较模块，转入步骤4；

步骤4、排空待测液并清洗：

电极存放槽下方的电磁阀打开，排空待测液并关闭；清洗液容器下方的电磁阀打开，清洗液流入电极存放槽后关闭该电磁阀，静置数分钟后，电极存放槽下方电磁阀打开排空清洗液并关闭，再打开电极存储液容器下方电磁阀，流入存储液后关闭，转入步骤5；

步骤5、pH比较模块将图像比色法pH值与电极法pH值进行比对，若误差超过规定范围则判断电极应重新标定，进入步骤6，若误差符合规定范围，将电极法测量pH值送入芯片数据发送模块，则进入步骤7；

步骤6、 电极法自动标定：

电极存放槽下方电磁阀打开排空存储液并关闭，第一标定液容器下方电磁阀打开流入第一标定液，电极存放槽下方电磁阀打开排空废液并关闭，获得第一组pH电极的电流信号，第二标定液容器下方电磁阀打开流入第二标定液，电极存放槽下方电磁阀打开排空废液并关闭，获得第二组pH电极的电流信号，第三标定液容器下方电磁阀打开流入第三标定液，获得第三组pH电极的电流信号，根据上述三组pH电极的电流信号重新计算能斯特公式的斜率，完成标定，返回步骤1；

步骤7、芯片数据发送模块将电极法pH值发送到4G芯片上，从而完成无线网络数据的传输。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）避免了目视比色法的主观因素影响，还可实现试纸的颜色信息量化。

（2）将pH试纸图像比色法与电极法结合，将试纸比色法作为电极标定时间的判断依据，使电极及时重新标定，降低仪表的维护工作量及人力成本。

（3）能够实现pH电极的自动测量、标定、清洗功能，并将获取到的数据发送到服务器，有利于高效的管理，保证pH测量仪的连续、可靠工作。

附图说明

图1为本发明的基于网络的多模式自动pH测量仪结构示意图。

图2为本发明的FPGA控制模块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，所述的基于网络的多模式自动pH测量仪包括第一标定液容器1、第二标定液容器2、第三标定液容器3、清洗液容器4、电极存储液容器5、pH待测液容器6、电极存放槽7、pH电极8、模拟数字转换器9、FPGA控制模块10、LCD显示屏11、电压转换电路板12、摄像头17、4G芯片18、传动装置19、pH试纸20和七个电磁阀16。

所述第一标定液容器1、第二标定液容器2、第三标定液容器3分别存放三种电极标定液，清洗液容器4存放用于清洗电极的蒸馏水，电极存储液容器5存放电极存储液，pH待测液容器6存放pH值待测液。这六个容器分别通过管道15通入电极存放槽7中，每条管道15上设有一个电磁阀16。电极存放槽7底面接有管道，用来排空槽内废液，管道上设有电磁阀16。电磁阀16为24V直流常闭型。

FPGA控制模块10输出的高电平通过导线连接到电压转换电路板12上，七个电磁阀16均与电压转换电路板12连接，通过电压转换电路板12转换成24V电压，控制电磁阀16打开。pH电极8放置于电极存放槽7中，pH电极8与模拟数字转换器9连接，数字转换器9连接FPGA控制模块10，模拟数字转换器9将电极模拟信号转为数字信号并传输至FPGA控制模块10。传动装置19上安装pH试纸20，负责将pH试纸20测量后传动至摄像头17的采集范围。FPGA控制模块10再与摄像头17、4G芯片18和LCD显示屏11连接，显示屏11显示pH电极8的pH值，摄像头17采集pH试纸20的图像，4G芯片18负责将pH值发送至服务器。

结合图2，所述的FPGA控制模块10包括图像处理模块、电极pH测量模块、时序控制模块、芯片数据发送模块、pH比较模块、电极标定模块、pH值显示模块，pH比较模块分别与图像处理模块、电极标定模块和电极pH测量模块连接，pH值显示模块分别与图像处理模块和电极pH测量模块连接，电极pH测量模块分别与时序控制模块和芯片数据发送模块连接，芯片数据发送模块与4G芯片18连接，图像处理模块连接摄像头17，模拟数字转换器9连接电极pH测量模块，LCD显示屏11连接pH值显示模块，时序控制模块与电压转换电路板12，从而控制七个电磁阀16的开闭。

其中，图像处理模块驱动摄像头17，并将采集到的图像进行图像处理分析得出待测液的图像比色法pH值，并送入pH比较模块，对pH试纸20的图像处理能够实现pH试纸20上的信息具体的数字量化，避免了人眼目视比色法的主观因素影响。

pH电极8产生电流信号，通过模拟数字转换器9变为数字信号，传输至电极pH测量模块，便于FPGA控制模块10进行电极信号的处理，电极pH测量模块通过能斯特方程计算出待测液的电极法pH值，并送入pH比较模块。

pH比较模块对图像比色法pH值与电极法pH值进行比对，若误差超过规定范围则判断电极应重新标定，控制电极标定模块进行自动标定，即通过能斯特方程重新计算待测液的电极法pH值，若误差符合规定范围，则通过芯片数据发送模块将电极法pH值发送到4G芯片18上，从而完成无线网络数据的传输。传统的pH电极需维护人员定期检测，判断何时标定，pH比较模块将图像比色法pH值与电极法pH值进行比对，自动判断且自动标定，能够及时发现问题并及时解决pH电极8的测量结果误差。

所述pH值显示模块可实时显示获得的电极法pH值和图像比色法pH值。

所述时序控制模块规范了自动测量、清洗、标定的时序逻辑，使整个系统有序运行。

一种基于网络的多模式自动pH测量仪的测量方法，步骤如下：

步骤1、此步骤是测量pH值之前的准备工作，首先排空存储液对pH电极8进行清洗，再排空清洗液后流入待测液，再进行后续的测量步骤：测量pH值前，电极存放槽7下方的电磁阀16打开排空液体并关闭。清洗液容器4下方的电磁阀16打开，清洗液流入电极存放槽7中数秒后关闭该电磁阀16，静置数分钟后，电极存放槽7下方的电磁阀16打开，排空其内的清洗液后电磁阀16关闭，pH待测液容器6下方的电磁阀16打开，待测液没过电极存放槽7中pH电极8头后该电磁阀16关闭，同时转入步骤2和步骤3。

步骤2、图像比色法模式下的pH测量方法：电极pH测量模块10读取经过模拟数字转换器9转换后的pH电极8的数字信号，通过能斯特方程，计算出电极法pH值，显示到LCD显示屏11上并传入pH比较模块，转入步骤4。

步骤3、电极法模式下的pH测量方法：pH试纸20通过传动装置19浸入电极槽存放槽7后传动至摄像头17的采集范围内，避免人工操作的繁琐，摄像头17采集pH试纸20的图像，并传输给图像处理模块处理分析得到pH值，将图像比色法pH值显示到LCD显示屏11上并传入pH比较模块，转入步骤4。

步骤4、测量完毕后需要排空待测液并清洗：

电极存放槽7下方的电磁阀16打开，排空待测液并关闭。清洗液容器4下方的电磁阀16打开，清洗液流入电极存放槽7后关闭该电磁阀16，静置数分钟后，电极存放槽7下方电磁阀16打开排空清洗液并关闭，再打开电极存储液容器5下方电磁阀16，流入存储液后关闭，转入步骤5。

步骤5、pH比较模块将图像比色法pH值与电极法pH值进行比对，若误差超过规定范围则判断电极应重新标定，进入步骤6，若误差符合规定范围，将电极法测量pH值送入芯片数据发送模块，则进入步骤7。

步骤6、 电极法自动标定：

pH电极的重新标定需要三种标准标定液，通过测量三组标定溶液下pH电极的电流信号重新计算能斯特公式的斜率。电极存放槽7下方电磁阀16打开排空存储液并关闭，第一标定液容器1下方电磁阀16打开流入第一标定液，电极存放槽7下方电磁阀16打开排空废液并关闭，获得第一组pH电极8的电流信号，第二标定液容器2下方电磁阀16打开流入第二标定液，电极存放槽7下方电磁阀16打开排空废液并关闭，获得第二组pH电极8的电流信号，第三标定液容器3下方电磁阀16打开流入第三标定液，获得第三组pH电极8的电流信号，根据上述三组pH电极8的电流信号重新计算能斯特公式的斜率，完成标定，返回步骤1。

步骤7、芯片数据发送模块将电极法pH值发送到4G芯片18上，从而完成无线网络数据的传输，便于更高效的统一管理。

Claims (6)

1.一种基于网络的多模式自动pH测量仪，其特征在于：包括第一标定液容器（1）、第二标定液容器（2）、第三标定液容器（3）、清洗液容器（4）、电极存储液容器（5）、pH待测液容器（6）、电极存放槽（7）、pH电极（8）、模拟数字转换器（9）、FPGA控制模块（10）、LCD显示屏（11）、电压转换电路板（12）、摄像头（17）、4G芯片（18）、传动装置（19）、pH试纸（20）和七个电磁阀（16）；

这六个容器分别通过管道（15）通入电极存放槽（7）中，每条管道（15）上设有一个电磁阀（16）；电极存放槽（7）底面接有管道，用来排空槽内废液，管道上设有电磁阀（16）；

FPGA控制模块（10）输出的高电平通过导线连接到电压转换电路板（12）上，七个电磁阀（16）均与电压转换电路板（12）连接，通过电压转换电路板（12）转换成24V电压，pH电极（8）放置于电极存放槽（7）中，pH电极（8）与模拟数字转换器（9）连接，数字转换器（9）连接FPGA控制模块（10），模拟数字转换器（9）将电极模拟信号转为数字信号并传输至FPGA控制模块（10），传动装置（19）上安装pH试纸（20），将pH试纸测量后传动至摄像头（17）的采集范围，FPGA控制模块（10）再与摄像头（17）、4G芯片（18）和LCD显示屏（11）连接，显示屏（11）显示pH电极（8）的pH值，摄像头（17）采集pH试纸（20）的图像，4G芯片（18）将pH值发送至服务器。

2.根据权利要求1所述的基于网络的多模式自动pH测量仪，其特征在于：所述第一标定液容器（1）、第二标定液容器（2）、第三标定液容器（3）分别存放三种电极标定液，清洗液容器（4）存放用于清洗电极的蒸馏水，电极存储液容器（5）存放电极存储液，pH待测液容器（6）存放pH值待测液。

3.根据权利要求1所述的基于网络的多模式自动pH测量仪，其特征在于：电磁阀（16）为24V直流常闭型。

4.根据权利要求1所述的基于网络的多模式自动pH测量仪，其特征在于：所述的FPGA控制模块（10）包括图像处理模块、电极pH测量模块、时序控制模块、芯片数据发送模块、pH比较模块、电极标定模块和pH值显示模块，pH比较模块分别与图像处理模块、电极标定模块和电极pH测量模块连接，pH值显示模块分别与图像处理模块和电极pH测量模块连接，电极pH测量模块分别与时序控制模块和芯片数据发送模块连接，芯片数据发送模块与4G芯片（18）连接，图像处理模块连接摄像头（17），模拟数字转换器（9）连接电极pH测量模块，时序控制模块与电压转换电路板（12），从而控制七个电磁阀（16）的开闭。

5.根据权利要求4所述的基于网络的多模式自动pH测量仪，其特征在于：图像处理模块驱动摄像头（17），并将采集到的图像进行图像处理分析得出待测液的图像比色法pH值，并送入pH比较模块；

pH电极（8）产生电流信号，通过模拟数字转换器（9）变为数字信号，传输至电极pH测量模块，模拟数字转换器（9）通过能斯特方程计算出待测液的电极法pH值，并送入pH比较模块；

pH比较模块对图像比色法pH值与电极法pH值进行比对，若误差超过规定范围则判断电极应重新标定，控制电极标定模块进行自动标定，即通过能斯特方程重新计算待测液的电极法pH值，若误差符合规定范围，则通过芯片数据发送模块将电极法pH值发送到4G芯片（18）上，从而完成无线网络数据的传输；

所述pH值显示模块实时显示获得的电极法pH值和图像比色法pH值。

6.一种基于网络的多模式自动pH测量仪的测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、电极法测量pH值时，电极存放槽（7）下方的电磁阀（16）打开排空液体并关闭，清洗液容器（4）下方的电磁阀（16）打开，清洗液流入电极存放槽（7）中数秒后关闭该电磁阀（16），静置数分钟后，电极存放槽（7）下方的电磁阀（16）打开，排空其内的清洗液后电磁阀（16）关闭，pH待测液容器（6）下方的电磁阀（16）打开，待测液没过电极存放槽（7）中pH电极（8）头后该电磁阀（16）关闭，同时转入步骤2和步骤3；

步骤2、电极pH测量模块（10）读取经过模拟数字转换器（9）转换后的pH电极（8）的数字信号，通过能斯特方程，计算出电极法pH值，显示到LCD显示屏（11）上并传入pH比较模块，转入步骤4；

步骤3、pH试纸（20）通过传动装置（19）浸入电极槽存放槽（7）后传动至摄像头（17）的采集范围内，摄像头（17）采集pH试纸（20）的图像，并传输给图像处理模块处理分析得到pH值，将图像比色法pH值显示到LCD显示屏（11）上并传入pH比较模块，转入步骤4；

步骤4、排空待测液并清洗：

电极存放槽（7）下方的电磁阀（16）打开，排空待测液并关闭；清洗液容器（4）下方的电磁阀（16）打开，清洗液流入电极存放槽（7）后关闭该电磁阀（16），静置数分钟后，电极存放槽（7）下方电磁阀（16）打开排空清洗液并关闭，再打开电极存储液容器（5）下方电磁阀（16），流入存储液后关闭，转入步骤5；

步骤5、pH比较模块将图像比色法pH值与电极法pH值进行比对，若误差超过规定范围则判断电极应重新标定，进入步骤6，若误差符合规定范围，将电极法测量pH值送入芯片数据发送模块，则进入步骤7；

步骤6、 电极法自动标定：

电极存放槽（7）下方电磁阀（16）打开排空存储液并关闭，第一标定液容器（1）下方电磁阀（16）打开流入第一标定液，电极存放槽（7）下方电磁阀（16）打开排空废液并关闭，获得第一组pH电极（8）的电流信号，第二标定液容器（2）下方电磁阀（16）打开流入第二标定液，电极存放槽（7）下方电磁阀（16）打开排空废液并关闭，获得第二组pH电极（8）的电流信号，第三标定液容器（3）下方电磁阀（16）打开流入第三标定液，获得第三组pH电极（8）的电流信号，根据上述三组pH电极（8）的电流信号重新计算能斯特公式的斜率，完成标定，返回步骤1；

步骤7、芯片数据发送模块将电极法pH值发送到4G芯片（18）上，从而完成无线网络数据的传输。

Images