PH水質分析儀系統及其控制方法技術方案

本發明專利技術公開一種PH水質分析儀系統，其特征在于，由控制器模塊(1)、pH電極(2)、PH信號數據處理模塊(3)、溫度采集模塊(4)、電源模塊(5)、RS485通信模塊(6)、RS232通信模塊(7)、擴展模塊(8)構成；所述的PH水質分析儀系統的控制方法，其特征在于，依次包括初始化子程序、A/D轉換采樣子程序、控制算法子程序、通信子程序。本發明專利技術在PH信號處理電路中，采取一階低通濾波器電路，有效的濾除紋波，提高了數據采集的準確性；針對現有PH計，數據傳輸速度慢，本發明專利技術選用了意法半導體公司出品的STM32F103系列微處理器，32位數據串行處理，提高了數據處理的速度，保證了數據的實時性傳輸。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及PH水質分析儀器的
，具體涉及一種PH水質分析儀系統及其控制方法。
技術介紹
二次供水作為高層用戶供水的“最后一公里”，由于其管理主體不明確，甚至存在無人管理的情況，很多管理單位難以保證二次供水設施的定期清洗消毒。此外，由于二次供水設施本身的特點，如設施材質、水的存放時間、外界環境條件和人為等多方面影響，極易產生二次污染，影響供水范圍內用水戶飲水安全。鑒于上述情況，我公司決定研發模塊化的二次供水水質監測儀器，根據不同的監測指標，配置相應的傳感器探頭，實時監測二次供水的水質狀況。以加強城市供水安全，提高二次供水水質監測能力。早在70一80年代，國外己經對pH過程的控制問題展開研究，雖然對pH值的檢測與控制并非一個新興課題，但要實現控制成本低，效果好卻絕非易事，究其原因，如前文所述，pH中和過程中pH值變化呈嚴重的非線性，這一嚴重的非線性給pH值的控制帶來很大的困難。1973年ShinskeyF.Gregg在曾在《ProcessControlSystemsApplication，Design，andTuning》中簡要闡述了工業過程中pH值控制方面的有關知識，并通過采用增益自適應的PID控制器來解決中和點附近高增益這個難題，取得了相對較滿意的結果；1983年GustafssonT.K.將非線性自適應控制算法pH試用到pH反應過程中，提出線性化擬合修正的方法，將非線性控制器的設計加入pH值中和過程，該控制器通過采用間接參數估計與直接估計的結構來估計緩沖液的變化，但設計方法和算法都很復雜，可行性較差；此外，LinJ.Y提出了一套增益參數自整定的控制策略，通過對反應物和緩沖劑濃度以及化學電離平衡常數等未知參數的實時估算，并用一步超前控制律進行了控制，仿真中該方法獲得了較好的動態性能，但是算法較為復雜，對控制要求較高，控制性能隨著中和曲線的變化而顯著降低；Garcia和Morari等人在90年代提出非線性內模控制，將非線性模型與內?？刂平Y合來解決pH過程問題；Wittelunark等針對強酸強堿反應過程設計了自適應控制系統；R.papa與HuX.對基于模型的控制器和無模型控制器在pH過程中的控制效果進行了對比研究；sungs.w采用改變設定值的控制策略來辨識模型曲線，以此補償pH中和過程中的非線性和時變特性；JoseA.等人研究了適用于pH中和過程的多模型線性實時控制策略，介紹了多模型線性控制中的多種自適應機制，并與傳統PI控制和自調整PI控制器做了對比。此外，很多學者對于非線性過程的辨識和建模的研究對pH過程的辨識和模型的建立也有很大的借鑒作用:McAvoyTj.在1972年首先提出pH中和過程的動態數學模型，在該模型中假定CSTR(連續攪拌器，continuouslystirredtankreactor)中物料混合完全并且混合液處處等溫，主要包括動態模型描述一一CSTR中化學成分的濃度動態變化以及靜態非線性模型一一化學成分的化學平衡方程，該模型與實驗結果相吻合，為研究pH值控制問題奠定了理論基礎；Gustafsson以pH中和過程的動力學模型為基礎，通過對電中和條件，反應能量守恒以及質量平衡方程的討論，提出了一個pH過程的通用模型:wrightR.A.等人對基于反應物不變的pH模型做了進一步簡化，得到一階狀態方程，將SAE(強酸等價物)概念引入其中，把非線性的pH值控制問題變成一個線性問題來處理，最終通過線性自適應控制來解決該控制問題。國內對pH值控制方面的研究主要集中在pH值控制理論和先進控制算法的理論研究方面:楊翠容、張玉清等人在1997提出了基于模糊神經算法的pH值控制策略的智能pH值控制器，并進行了理論分析和數字仿真，但控制對象僅針對給定的中和反應過程，其算法復雜，無法在實際工程中得以實現；商建東、陳康寧針對農藥生產中的pH值控制問題，研究了一種基于專家知識庫的模糊pH值控制器，應用過程中需做大量實驗，收集大量經驗數據形成知識庫，控制對象變化需重新完成數據采集，適用性較差；王偉在pH值控制中采用多模型自適應控制算法，完成控制策略的研究；孫西等人以雙線性作為pH值控制過程的反應機理模型，提出了以雙線性自適應控制算法解決化學品生產中結晶過程中的pH值控制問題:趙彥華等人研究了采用模糊前饋控制與變增益PID相結合的方法解決廢水處理過程中的pH值控制問題。至今，我國用于工業生產現場的PH值測控裝置大多仍是基于PLC或嵌入式單片機，通過簡單的單回路控制器，或結合串級控制與前饋控制算法，往往存在控制精度較低、結構復雜、穩定性較差等缺點。
技術實現思路
本專利技術提出一種PH水質分析儀系統及其控制方法，以提高PH電極準確性和穩定性。為實現該技術目的，本專利技術的技術方案如下：一種PH水質分析儀系統，其特征在于，由控制器模塊1、PH電極2、PH信號數據處理模塊3、溫度采集模塊4、電源模塊5、RS485通信模塊6、RS232通信模塊7、擴展模塊8構成；所述控制器模塊1采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，該芯片具有高性能、低功耗、成本低等優勢，通過搭配相應的外圍電路即可完成相關功能；所述PH電極2是通過測電位實現的，測量是以電信號為依據的；PH電極在接觸溶液時，其玻璃膜上會形成一隨PH變化而變化的電壓，PH電極接信號處理單元將該電壓信號進行提取；所述PH信號數據處理模塊3是基于AD549運放的一階低通濾波電路，PH電極發出的電壓信號是毫伏級微小電壓信號，AD549適用于低輸入偏置電壓場合，該運算放大器具有共模抑制比好、精度高等特點，該電路采用一階低通濾波電路更好的消除高頻噪聲產生的紋波，提高AD轉化的精度；由于溫度對PH值測定的準確性影響較大，對于PH大于8.3的水樣，在相同的酚酞堿度下，出現實測PH值隨水溫升高而直線下降的現象。其原因是由于溫度旳變化，引起了眾多影響PH值的因素變化，為了準確的測量PH值，在儀器上添加了的溫度補償的功能。所述溫度采集模塊4，由PT100溫度傳感器和TL062運算放大器組成的溫度測量電路可以準確的測量當前溫度；所述電源模塊5分為三各部分：12V轉5V的LM7805電路、5V轉3.3V的AMS1113-3.3電路(該電路給STM32F103CB芯片提供工作電壓)、5V轉-5V的ICL7660電路(該電路給AD549提供+/-5V的工作電壓)；所述RS485通信模塊6是支持MODBUS協議，方便下位機多節點與上位機通信；所述RS232通信模塊7，電路板增加RS232模塊，提高了系統的兼容性，便于用戶使用；所述擴展模塊8是在電路板增加了擴展接口，方便增加新的功能。本專利技術PH水質分析儀系統的控制器模塊1的工作流程包括初始化子程序、A/D轉換采樣子程序、控制算法子程序、通信子程序；所述控制器模塊1的控制方法步驟依次為啟動系統初始化子程序自校準；A/D轉換采樣子程序，測量PH值；控制算法子程序以及通信子程序；所述A/D轉換采樣子程序的步驟依次包括啟動A/D采樣、等待采樣完成、軟件濾波校正、關閉A/D采樣、分析警告范圍及處理；所述A/D采樣主要涉及ADC的幾個寄存器:如ADC控制器(ADC_CR)、ADC的采樣事件寄存器(ADC_SMPR)、AD本文檔來自技高網...

【技術保護點】
PH水質分析儀系統，其特征在于，由控制器模塊(1)、PH電極(2)、PH信號數據處理模塊(3)、溫度采集模塊(4)、電源模塊(5)、RS485通信模塊(6)、RS232通信模塊(7)、擴展模塊(8)構成；所述控制器模塊(1)采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，；所述PH電極(2)是通過測電位實現的，測量是以電信號為依據的；PH電極在接觸溶液時，其玻璃膜上會形成一隨PH變化而變化的電壓，PH電極接信號處理單元將該電壓信號進行提取；所述PH信號數據處理模塊(3)是基于AD549運放的一階低通濾波電路，PH電極發出的電壓信號是毫伏級微小電壓信號；所述溫度采集模塊(4)由PT100溫度傳感器和TL062運算放大器組成的溫度測量電路，可以準確的測量當前溫度；所述電源模塊(5)分為三各部分：12V轉5V的LM7805電路、5V轉3.3V的AMS1113?3.3電路、5V轉?5V的ICL7660電路；所述RS485通信模塊(6)是支持MODBUS協議，方便下位機多節點與上位機通信；所述RS232通信模塊(7)是電路板上增加RS232模塊；所述擴展模塊(8)是在電路板增加了擴展接口。...

【技術特征摘要】
1.PH水質分析儀系統，其特征在于，由控制器模塊(1)、PH電極(2)、PH信號數據處理模塊(3)、溫度采集模塊(4)、電源模塊(5)、RS485通信模塊(6)、RS232通信模塊(7)、擴展模塊(8)構成；所述控制器模塊(1)采用最新一代的嵌入式ARM處理器芯片STM32F103CB，；所述PH電極(2)是通過測電位實現的，測量是以電信號為依據的；PH電極在接觸溶液時，其玻璃膜上會形成一隨PH變化而變化的電壓，PH電極接信號處理單元將該電壓信號進行提取；所述PH信號數據處理模塊(3)是基于AD549運放的一階低通濾波電路，PH電極發出的電壓信號是毫伏級微小電壓信號；所述溫度采集模塊(4)由PT100溫度傳感器和TL062運算放大器組成的溫度測量電路，可以準確的測量當前溫度；所述電源模塊(5)分為三各部分：12V轉5V的LM7805電路、5V轉3.3V的AMS1113-3.3電路、5V轉-5V的ICL7660電路；所述RS485通信模塊(6)是支持MODBUS協議，方便下位機多節點與上位機通信；所述RS232通信模塊(7)是電路板上增加RS232模塊；所述擴展模塊(8)是在電路板增加了擴展接口。2.如權利要求1所述的PH水質分析儀系統的控制方法，其特征在于，所述控制器模塊(1)的工作流程包括初始化子程序、A/D轉換采樣子程序、控制算法子程序、通信子程序；所述控制器模塊(1)的控制方法步驟依次為啟動系統初始化子程序自校準；A/D轉換采樣子程序，測量PH值；控制算法子程序以及通信子程序；所述A/D轉換采樣子程序的步驟依次包括...

【專利技術屬性】
技術研發人員：程曉亮，李巍，于磊，徐友順，習宏權，徐亮，楊宇軒，
申請(專利權)人：天津市龍網科技發展有限公司，
類型：發明
國別省市：天津;12