智能pH测控仪原理结构及其应用

酸碱中和是各类化工过程普遍存在的化学反应。反应中，pH值的变化通常呈严重非线性和时滞特性；加上不同生产工艺过程对pH值的要求各不相同，要取得理想控制比较困难。传统采用的由单元组合仪表构成的pH值控制系统，其设计复杂、成本高且通用性差。国外于90年代开始研究用专家系统实现pH控制，已取得较好效果。专家系统智能pH测控仪在化工、环保等行业中推广应用，并取得良好效果。本文为大家介绍了智能pH测控仪原理结构及其应用。

一、智能pH测控仪控制原理
1、酸碱中和特性
酸碱中和特性曲线两端的变化缓慢，即随酸(或碱)的加入其pH值变化很小；而在中和点附近灵敏度很高，这时少量酸(或碱)的加入都会使pH值显著变化。此外，这些反应通常在一些大容器里进行，从中和剂加入到溶液pH值的变化要经过较长时间；如果因检测不到pH值的变化而一味增加中和剂，很容易造成pH值超调。以上两点，使传统的pH控制系统很难取得理想效果。

2、专家智能pH控制仪
专家智能pH控制仪的基本特点是根据系统运行的不同工况与特点，分别采取不同的控制模式，以获取最佳的控制效果。对于酸碱中和过程，可分成三种情况如下。

其一是pH值变化较平缓的阶段。该阶段需加入较多中和剂才能使pH值上升(或下降)，因而应根据化学反应规律计算中和剂的需要量并一次性投入，使pH值迅速接近目标值。设N1、N2分别表示中和剂与被中和溶液的浓度，L1、L2分别表示两者体积，则由当量定律不难求得
　　　　　　　　　L1=L2．N2/N1
然而实际检测到的是两者的pH值而非浓度，还需转换。设N1为碱性，N2为酸性，pH1、pH2分别为它们的pH值，则由酸碱定义得
　　　　　　　　　N1=〔OH-〕=10-(14-pH1)
　　　　　　　　　N2=〔H+〕=10-pH2
第二阶段取pH值变化较快的阶段。Kv、Kc、Kp、Kd分别表示溶液体积大小、搅拌作用强弱、pH变化斜率大小、中和剂单位时间的流量系数；ΔpH为pH检测值与目标值之差；a为限速因子。采取限速的目的是避免因pH变化的时滞而造成中和剂的过量加入。

第三阶段该段pH值随中和剂的加入而迅速变化。另一方面，pH电极在pH值变化越小时其响应时间越长，因而尤需谨慎控制。为此采用间隙控制模式，即每添加一次中和剂后，等待一段时间再进行下一次检测控制。间隔时间T的长短，同样与溶液多少、搅拌作用强弱等因素有关。　　

除上述因素外，控制模式还与生产工艺对pH值的控制要求有关。有些化工过程(如烟碱提炼和工业废水处理)要求pH值达到某一目标值即可。有些过程(如肥皂生产中的皂化过程)则要求pH值按某一时间规律变化。还有一些过程(如炸药生产)甚至要求酸、碱严格按一定比例送入反应塔进行反应。针对不同控制要求，上述控制模式及其参数的选择也不相同。

“化学反应”指出系统所进行的化学反应性质和参与反应的酸碱化学成份等；“控制指标”反映要求控制的类型、精度和目标值等；“系统工况”则反映系统容积、搅拌、加料等基本运行参数。化学反应、控制指标和系统工况，从知识库查取相应的数据资料并进行综合、分析、推理，再从知识库搜索相应的控制模式和控制参数，确定“控制输出”。

3、知识库
在专家智能控制系统中，知识库显然起着重要的作用。本仪器的知识库中包含化学库、系统信息库、控制模式库、控制参数库、动态分析库、故障库等6个子库。其中，化学库装载基本化学反应关系、常用的中和特性曲线以及当量计算等与pH控制有关的化学知识。这些知识可以是软件编入，也可以根据控制需要通过人机界面进行输入或修改。系统信息库反映系统的物理特性(如反应罐容积系数、基本流量公式等)，这些数据与系统工况相结合，即可算出溶液体积、中和剂加入量等，为控制计算提供依据。控制模式库装载着各种控制模式，供推理机选取。控制参数库是一系列参数表，每一个参数的选取都与化学特性、控制要求和系统状态有关。这些表既有分析计算结果，也有通过试验取得的经验数据，它们是实现理想控制效果的重要因素之一。动态分析库存放检测结果和推理机的中间分析计算结果，其内容随系统运行而不断变化。故障库则装载着各种可能出现的特殊情况的分析与排除方法。

知识库是专家系统的核心。除知识内容外，知识的表达方式也很重要。本文采用产生式规则描述知识，其特点是每个规则都是一个独立的知识块，因此易于建立和修改；而且每个规则的形式一致，与专家经验的表述方式相同，易于表达和理解。其基本形式为
　　if condition-1 and condition-2 …… and condition-n then result
例：设反应是NaOH中和C10H14N2、要求定值控制、pH的目标值是10.5、当前值是4.5，由化学库已查知处于过渡阶段，从而应对NaOH的加入量采用限速比例控制。然后根据其他规则确定控制参数Kv、Kc、Kp、Kd和限速因子a等，最后确定出控制输出。

二、智能pH测控仪仪表结构
来自传感器的信号经处理转换后通过光电隔离输入计算机。计算机内部的专家系统经分析推理形成控制输出，再经光电隔离、功率驱动后，带动电磁阀、计量泵等执行器实现各种控制。

信号处理转换单元由高阻放大、温度补偿、配套标定、A/D转换等电路组成，最多可接8路传感器，以适应多数化工过程的控制要求。光电隔离单元既起抗干扰作用，也保护了计算机。人机界面提供并显示各种检测与控制数据，还可操作知识库，进行知识库数据的输入与修改。输出驱动单元主要由可控硅及其触发电路组成，以输出按时间比例调制的功率控制信号，直接带动电磁阀等执行器，省却外部驱动电路。使用时，只要将传感器与执行器连接好，通过面板对化学反应、控制指标和系统基本参量进行选择、输入和设定，即可投入运行。

三、智能pH测控仪 应用
曾对烟碱生产过程中的烟碱游离反应过程的pH控制进行了应用试验。流程为：经发酵、蒸发、冷凝的烟叶水溶液进入游离反应釜后，加入NaOH将烟碱从烟叶水溶液中游离出来。按工艺要求，游离过程需在pH值等于10.5±0.2、温度为60℃的情况下进行，才能取得高纯度烟碱。该游离过程实即酸碱中和反应。由于反应过程会消耗NaOH，要必求补充NaOH以保持pH值符合工艺要求；反应釜直径2.5m、长7m，具有严重的响应滞后与非线性特性；加上pH值的控制精度要求高且不允许超调，采用传统的控制方法显得无能为力。
　　
智能pH测控仪通过两次初步运行建立经验数据，并将所得经验数据输入知识库，然后对反应过程实施正式控制。控制结果表明，系统能根据不同反应阶段自动搜索不同的控制模式与参数，整个控制过程不仅没有发生超调现象，而且反应速度快，控制精度高(最终误差在±0.2pH以内)，达到良好的控制效果。

基于专家系统的智能控制技术，在解决具有严重非线性与时滞特性的复杂化学过程控制方面，显示出极大的优越性和宽广的应用前景。这里介绍的智能pH测控仪，在化工过程与废水处理的pH值控制的实际应用中，已取得初步成效。但也存在不完善之处，主要是知识库还有待进一步完善和充实，以适应更多、更复杂的化学过程控制的要求。

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