專利名稱：一種高濃度次氯酸消毒液在線檢測控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于實時信號采集與監(jiān)控領(lǐng)域，特別涉及一種高濃度次氯酸類消毒液的全 自動信號采集，分析，自動加液系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
次氯酸作為一種常用的消毒劑，在生產(chǎn)生活的各行各業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。然而，為 了達(dá)到有效的消毒效果，必須在消毒液中維持一定的高濃度次氯酸。目前有多種方法進(jìn)行 次氯酸的標(biāo)定，如碘量法、N，N-二乙基-1，4-苯二胺滴定法(DPD法)、電流滴定儀測定法 和比色法等。碘量法是《醫(yī)院污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ48-83)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，該方法只能 用于測定總余氯量> lmg/L的水樣，無法測出游離及化合氯；DPD法是國家標(biāo)準(zhǔn)方法，可測 出水樣中各種余氯成分，主要在實驗室應(yīng)用；電流滴定法也可用于測各種余氯成分，準(zhǔn)確度 也較高但需要進(jìn)行儀器保養(yǎng)；比色法用于測定總余氯，但當(dāng)水樣中含高價錳或N02 > 2mg/L 時，則不能采用此法。由于目視比色法便于現(xiàn)場操作及觀察，因此常用于現(xiàn)場余氯的測定， 但比色法檢測精度低。針對工業(yè)的高速生產(chǎn)線，以上各種方法都不能有效使用。碘量法，DPD法都是針 對實驗室的方法，盡管精度高，但是無法做到實時、在線、高速、無人值守等多方面的工業(yè)要 求。目前在工業(yè)中應(yīng)用較多的是基于電化學(xué)方法的克拉克(Clark)電極傳感器，然而，目 前這類傳感器主要針對城市用水殘留氯的測量，應(yīng)用于小于5ppm的應(yīng)用場合。對于直接將 該傳感器進(jìn)行高濃度次氯酸測量時，則面對克拉克電極本身特性的限制，當(dāng)濃度超過20ppm 后，就開始出現(xiàn)傳感器慢性中毒，信號飄升的現(xiàn)象，完全限制了該類電極在高濃度次氯酸中 的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了解決克拉克(Clark)電極傳感器在在高濃度次氯酸中的使用 受到限制的問題，從而提供了一種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)。本發(fā)明的創(chuàng)新點是采用了基于程序控制的循環(huán)退毒的液路流程，來維持次氯酸傳 感器的長時間正常工作。并針對現(xiàn)場工作過程的復(fù)雜與變化性，設(shè)計了一套基于信號反饋 與前饋的自調(diào)整，自適應(yīng)系統(tǒng)，可以讓整個系統(tǒng)根據(jù)具體的工況，進(jìn)行自動優(yōu)化速度，并記 憶優(yōu)化結(jié)果。本發(fā)明的技術(shù)方案—種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。其中硬件系統(tǒng)如圖1所示，包括嵌入式控制模塊、信號采集模塊、顯示控制模塊、 上位機通信模塊和電機控制模塊；信號采集模塊采集到pH、溫度、余氯的值后，經(jīng)嵌入式控制模塊處理后，傳給顯示 控制模塊顯示在顯示器上，同時可以通過RS232通信模塊和電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，嵌入式控 制模塊可以通過判斷采集到的信號值向電機控制模塊傳遞信號進(jìn)行動力控制。
上述嵌入式控制模塊為51嵌入式微控制器；信號采集模塊包括三部分，分別為次氯酸的信號采集單元15、酸度的信號采集單 元14和溫度的信號采集單元13 ；上述所述的次氯酸的信號采集包括穩(wěn)壓源1，克拉克電極傳感器2，電流電壓跨阻 放大器3，二階低通濾波器4，電壓跟隨器5 ；上位機通信模塊通過RS-232協(xié)議，將數(shù)據(jù)及指令與上位機進(jìn)行上傳和下載；顯示控制模塊包括一個觸摸屏，負(fù)責(zé)人機交互的功能；電機控制模塊參與控制四路液路泵，每路泵都有5種不同的進(jìn)液速度，其中，泵1、 泵2分別連接次氯酸母液和檸檬酸母液。泵4負(fù)責(zé)從次氯酸消毒系統(tǒng)中抽取樣液，進(jìn)而將 其注入流通槽，而泵3連接自來水，負(fù)責(zé)流通槽中的沖洗工作。該硬件系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)的管理下進(jìn)行工作。軟件系統(tǒng)包括信號分析模塊和動力輸出模塊。其中信號分析模塊包括1)數(shù)字信 號的低通濾波；幻數(shù)字信號的PH值，次氯酸ppm值，以及溫度值的轉(zhuǎn)換；3) pH值的溫度補 償；4)基于pH值的次氯酸濃度分析；所述動力輸出模塊包括1)基于PWM控制的調(diào)節(jié)泵1和泵2進(jìn)液速度的算法；2) 次氯酸傳感器脫毒過程算法；一種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)的工作過程高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)在信號分析的基礎(chǔ)上，整個系統(tǒng)可以按 照流程模塊所調(diào)控的液體流進(jìn)流出過程進(jìn)行控制，如圖2所示首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，預(yù)設(shè)初始酸度pH值為5. 5，預(yù)設(shè)次氯酸濃度為300ppm。在系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，先打開泵4進(jìn)樣液并進(jìn)行溫度信號采集，待系統(tǒng)溫度穩(wěn) 定后，打開次氯酸母液泵1與檸檬酸泵2，以速度m進(jìn)液m秒，當(dāng)m秒到達(dá)后，停止次氯酸母 液泵1，維持檸檬酸進(jìn)液泵2，此時進(jìn)行酸度采樣，如果達(dá)不到預(yù)先設(shè)定的酸度要求，維持進(jìn) 酸狀態(tài)，持續(xù)測量酸度，如果酸度達(dá)到要求，則進(jìn)入次氯酸測量過程。次氯酸測量過程如下首先關(guān)掉檸檬酸泵2，以最低速打開次氯酸母液泵1，同時打開清水泵P3共4分 鐘，4分鐘后關(guān)閉清水泵3，打開次氯酸樣液泵4進(jìn)液1分鐘，在泵4進(jìn)樣液達(dá)到30秒鐘的 時刻，進(jìn)行次氯酸數(shù)據(jù)采集，并維持采集30秒鐘。采集到的次氯酸數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定好的次 氯酸值進(jìn)行比較，根據(jù)該數(shù)據(jù)判斷是否次氯酸達(dá)標(biāo)。如不達(dá)標(biāo)，繼續(xù)重復(fù)4分鐘的脫毒和1 分鐘的進(jìn)樣液過程，其后30秒進(jìn)行采樣判斷。如果達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)進(jìn)入下述的正常工作的主循 環(huán)流程。主循環(huán)流程如下首先調(diào)整泵2，使進(jìn)檸檬酸速度達(dá)到N2，并將該速度值貯存，然后測量酸度值是否 達(dá)標(biāo)，如果達(dá)標(biāo)則關(guān)泵2，開泵1、泵P3，進(jìn)清水洗脫傳感器4分鐘，然后關(guān)泵3，開泵4，抽取 次氯酸鈉樣液并測次氯酸濃度是否達(dá)標(biāo)，如果未達(dá)標(biāo)，則調(diào)整泵1，使進(jìn)次氯酸鈉母液速度 到N3，并貯存，再次進(jìn)行洗脫檢測，如果達(dá)標(biāo)則再次進(jìn)入主循環(huán)。上述所說的脫毒過程即次氯酸傳感器在清水中持續(xù)浸泡4分鐘，以使次氯酸傳感 器恢復(fù)到能夠正常工作的狀態(tài)；上述所說的主循環(huán)流程即酸度檢測與次氯酸度檢測。
每次次氯酸檢測都同樣采用先清水退毒4分鐘，再進(jìn)液1分鐘的方式。對于每次 測試，都進(jìn)行了一套基于前饋與反饋相結(jié)合的算法，實時調(diào)整次氯酸泵和檸檬酸泵的進(jìn)液 速度。對每次調(diào)整的結(jié)果進(jìn)行記錄，從而通過一套權(quán)證算法來完成目前進(jìn)液速度的最優(yōu)選 擇。這一套算法主要涉及定時采樣，加權(quán)分析，數(shù)據(jù)遞歸保存，并根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)化判 斷。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在(1)、最重要的部分為傳感器測定與毒性洗脫程序的設(shè)計，該設(shè)計可以切斷克拉克 電極在高濃度次氯酸中的中毒過程，并進(jìn)行脫毒處理，使其可以有效的在高濃度次氯酸液 體中保持穩(wěn)定，并有效的完成測量任務(wù)。O)、酸度和次氯酸調(diào)節(jié)流路的程序設(shè)計，可以根據(jù)實時測定的pH值和次氯酸值， 進(jìn)行必要的消毒劑補充，從而維持消毒效果。(3)、在進(jìn)液流路中，系統(tǒng)可以根據(jù)具體現(xiàn)場，實時進(jìn)行學(xué)習(xí)、分析、記錄，從而在最 優(yōu)的工作條件下工作。即本發(fā)明通過直接使用低廉的克拉克電極傳感器，通過更改使用程序，擴(kuò)展其測 量區(qū)間。因此，本發(fā)明的高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)使得克拉克電極傳感器 在連續(xù)工作的情況下，漂移小于2%，達(dá)到消毒監(jiān)測的指標(biāo)，即通過對克拉克電極循環(huán)脫毒， 實現(xiàn)在高濃度次氯酸液體中保持穩(wěn)定，并有效的完成測量任務(wù)。


圖1、高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)原理2、系統(tǒng)程序執(zhí)行流程3、克拉克電極信號采集的方框4、酸度計信號采集的方框5、溫度信號采集的方框6、高濃度次氯酸傳感器中毒洗脫曲線圖7、高濃度次氯酸監(jiān)測系統(tǒng)主框架圖
具體實施例方式下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但并不限制本發(fā)明。實施例1一種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)—種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)，其特征在于包括硬件系統(tǒng)與軟件 系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)的管理下進(jìn)行工作，如圖1所示，其中硬件系統(tǒng)包括嵌入 式控制模塊、信號采集模塊、顯示控制模塊、上位機通信模塊和電機控制模塊；信號采集模塊采集到pH、溫度、余氯的值后，經(jīng)嵌入式控制模塊處理后，傳給顯示 控制模塊顯示在顯示器上，同時可以通過RS232通信模塊和電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，嵌入式控 制模塊可以通過判斷采集到的信號值向電機控制模塊傳遞信號進(jìn)行動力控制；
上述嵌入式控制模塊為51嵌入式微控制器。上述信號采集模塊包括三個部分，分別為次氯酸的信號采集單元15、酸度的信號 采集單元14和溫度的信號采集單元13 ；上述上位機通信模塊通過RS-232協(xié)議，將數(shù)據(jù)及指令與上位機進(jìn)行上傳和下載；上述顯示控制模塊包括一個觸摸屏，負(fù)責(zé)人機交互的功能；上述電機控制模塊參與控制四路液路泵，其中，泵1、泵2分別連接次氯酸母液和 檸檬酸母液，泵4負(fù)責(zé)從次氯酸消毒系統(tǒng)中抽取樣液，進(jìn)而將其注入流通槽，而泵3連接自 來水，負(fù)責(zé)流通槽中的沖洗工作；其中軟件系統(tǒng)包括信號分析模塊和動力輸出模塊；所述信號分析模塊包括1)數(shù)字信號的低通濾波；2)數(shù)字信號pH值，次氯酸ppm 值，以及溫度值的轉(zhuǎn)換；3)pH值的溫度補償；4)基于pH值的次氯酸濃度分析；所述動力輸出模塊包括1)基于PWM控制的調(diào)節(jié)泵1和泵2進(jìn)液速度的算法；2) 次氯酸傳感器脫毒過程算法。如圖3所示，一種次氯酸的信號采集單元15包括穩(wěn)壓源1，克拉克電極傳感器2， 電流電壓跨阻放大器3，二階低通濾波器4，電壓跟隨器5。為達(dá)到優(yōu)化克拉克電極在高濃度次氯酸測量值的效果，這里極化克拉克電極的穩(wěn) 壓源1輸出為50mV，在這里采用了高精度電壓參考集成電路為電壓源，采用高精，低溫飄的 電阻進(jìn)行分壓，獲得50mV?？死穗姌O傳感器2的內(nèi)阻在107 Ω左右，因此極化后的電流非常微弱，因此需要 采用高精度，超高放大倍數(shù)的轉(zhuǎn)換電路，因此，電流電壓跨阻放大器3采用了高精度I-V放 大電路，通過三個105 Ω級的普通電阻和一個105 Ω級滑阻完成108-109V/A的放大效果。由于克拉克電極較慢的感應(yīng)速度，理論上需要15-30秒的時間來穩(wěn)定次氯酸濃度 信號，因此克拉克電極后跟隨一個二階低通KRC濾波器4，在這里該濾波器的截止頻率設(shè)定 在1Hz，相對于實際的信號速度，該濾波器可以做到高效過濾快噪音的效果，而保留有效信 號的目的。過濾后所得到的平滑電壓信號被傳入下一功能模塊一電壓跟隨器5，來達(dá)到輸出 阻抗匹配的目的。經(jīng)過電壓跟隨模塊的信號最終被送入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。如圖4所示，一種酸度的信號采集單元14包括工業(yè)級酸度計電極6，由雙運算儀器 放大器組成的差分放大器7，在雙運算差分放大器的第一級，采用了輸入阻抗為1.6ΤΩ的 超高阻抗運算放大器，第二級采用低偏置電壓的，高直流屬性的精密運算放大器。由于酸度 計電極6也是低速傳感器，因此，在雙運算儀器放大器后添加了二階低通KRC濾波器8，與電 壓跟隨器9。由于酸度計在酸中電壓為負(fù)，在堿中電壓為正，因此，在雙運算放大器放大電壓的 同時，在儀器放大的一個參考引腳上外加有調(diào)節(jié)偏置電壓的電路，以使該路信號處理電路 輸出的電壓為供電區(qū)域內(nèi)的任意值，以滿足今后現(xiàn)場調(diào)節(jié)的需要。該信號處理電路也需要一個二階低通濾波器8，以實現(xiàn)高效過濾快噪音的效果，而 保留有效信號。過濾后的平滑信號被傳入之后的電壓跟隨器9，同上，然后被送入之后的模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。如圖5所示，一種溫度的信號采集單元13信號的電路。它包括負(fù)溫度系數(shù)的熱敏
6電阻10，惠斯通電橋11，差分放大電路12。由于該檢測系統(tǒng)對溫度的精度要求較低，所以采用了高靈敏度，低價位的，具備負(fù) 溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度傳感器，在這里采用的是阻值為2. 2漲0的熱敏電阻。采用 惠斯通電橋11，將由溫度引起的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，同時降低由溫度帶來的共模噪 音，這里的電阻采用高溫度穩(wěn)定性的2. 2漲0的金屬膜電阻。隨后將電壓信號經(jīng)差分放大 電路放大1倍后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。如圖7所示，顯示了整個控制機構(gòu)的框圖?？驁D中15即為圖1中所描述的高濃度次氯酸的信號采集系統(tǒng)，框圖中13為溫度 的信號采集系統(tǒng)。框圖中14為酸度的信號采集系統(tǒng)，此處采用了工業(yè)電極，可進(jìn)行持續(xù)穩(wěn) 定的測試?？驁D中13、14、15的輸出均為模擬信號。模擬信號被送入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器16，將 模擬的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀籑CU 17進(jìn)行后處理的數(shù)字信號。在這里，模擬數(shù)字信號選用的 是4通道的IC(集成電路)，MCU(微控制處理器)選用的是基于51內(nèi)核的控制器。對收集 到的信號進(jìn)行基本的計算和過濾，同時結(jié)合圖6所示的實驗數(shù)據(jù)，以及工廠生產(chǎn)實際過程 中的具體工業(yè)參數(shù)，在MCU中，進(jìn)行了綜合分析以及算法應(yīng)用，從而控制框圖中的泵1、2、3、 4。泵2與泵1分別為酸液與次氯酸液的進(jìn)料泵，過程通過脈寬調(diào)制(PWM)來達(dá)到實時控制 的目的。泵4與泵3則為高濃度次氯酸液體與自來水控制，來控制檢測與洗脫的過程。如圖6所示，顯示了在高濃度次氯酸的環(huán)境中，對傳感器中毒進(jìn)行洗脫并進(jìn)行連 續(xù)測試后所得的時間電壓關(guān)系。首先將克拉克電極放入濃度為300ppm的次氯酸溶液中進(jìn)行為期1分鐘的測量后， 迅速進(jìn)行自來水沖洗。圖2中的橫坐標(biāo)即為使用自來水進(jìn)行沖洗的時間。可以看出在沖洗IOs鐘后，傳 感器的中毒情況持續(xù)增加。而當(dāng)沖洗的時間達(dá)到120s時，數(shù)據(jù)上可以得出傳感器達(dá)到穩(wěn)定 的結(jié)論。而進(jìn)一步增加傳感器的洗滌時間，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了負(fù)數(shù)，這應(yīng)該主要是由于高濃的次氯 酸在長時間的高速攪拌過程中的濃度損耗的反應(yīng)。因此綜合時間因素，濃度因素，可以看出 在為時Imin的300ppm的測量后，進(jìn)行至少!Min的洗脫過程是可靠和可接受的。根據(jù)圖7的主框架，泵3與泵4每4分鐘進(jìn)行一輪的數(shù)據(jù)測定，測定的數(shù)據(jù)反饋給 MCU，進(jìn)行計算后，根據(jù)實際的酸度或次氯酸度，對泵1與泵2進(jìn)行控制，從而達(dá)到對濃度的 調(diào)控。
權(quán)利要求
1.一種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)，其特征在于包括硬件系統(tǒng)與軟件系 統(tǒng)，該硬件系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)的管理下進(jìn)行工作；其中硬件系統(tǒng)包括嵌入式控制模塊、信號采集模塊、顯示控制模塊、上位機通信模塊和 電機控制模塊；信號采集模塊采集到PH、溫度、余氯的值后，經(jīng)嵌入式控制模塊處理后，傳給顯示控制 模塊顯示在顯示器上，同時可以通過RS232通信模塊和電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，嵌入式控制模 塊通過判斷采集到的信號值向電機控制模塊傳遞信號進(jìn)行動力控制；上述嵌入式控制模塊為51嵌入式微控制器；上述信號采集模塊包括三個部分，分別為次氯酸的信號采集單元(15)、酸度的信號采 集單元(14)和溫度的信號采集單元(13)；上述上位機通信模塊通過RS-232協(xié)議，將數(shù)據(jù)及指令與上位機進(jìn)行上傳和下載；上述顯示控制模塊包括一個觸摸屏，負(fù)責(zé)人機交互的功能；上述電機控制模塊參與控制四路液路泵，即泵1、泵2、泵3及泵4 ；其中，泵1，泵2分別 連接次氯酸母液和檸檬酸母液，泵4負(fù)責(zé)從次氯酸消毒系統(tǒng)中抽取樣液，進(jìn)而將其注入流 通槽，而泵3連接自來水，負(fù)責(zé)流通槽中的沖洗工作；其中軟件系統(tǒng)包括信號分析模塊和動力輸出模塊；所述信號分析模塊包括1)數(shù)字信號的低通濾波；2)數(shù)字信號PH值，次氯酸ppm值，以 及溫度值的轉(zhuǎn)換；3)pH值的溫度補償；4)基于pH值的次氯酸濃度分析；所述動力輸出模塊包括1)基于PWM控制的調(diào)節(jié)泵1和泵2進(jìn)液速度的算法；2)次氯 酸傳感器脫毒過程算法。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的次氯酸的信號采集單元(15)包括穩(wěn)壓源(1)，克拉克電極傳感器(2)，電流電壓跨阻放 大器(3)，二階低通濾波器(4)，電壓跟隨器(5)；穩(wěn)壓源(1)給克拉克電極傳感器(2)提供穩(wěn)定的50mv電壓，克拉克電極傳感器(2)輸 出NA級的電流信號，經(jīng)電流電壓跨阻放大器(3)轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后依次通過二階低通 濾波器(4)、電壓跟隨器(5)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的酸度的信號采集單元(14)包括工業(yè)級酸度計電極(6)，由雙運算儀器放大器組成的差 分放大器(7)，二階低通KRC濾波器⑶，電壓跟隨器(9)；酸度計電極(6)采集到的電壓信號經(jīng)差分放大器(7)放大后，依次通過二階低通濾波 器(8)、電壓跟隨器(9)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的溫度的信號采集單元(13)包括負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(10)，惠斯通電橋(11)，差分放 大電路(12)；由惠斯通電橋(11)和熱敏電阻(10)組成的電路將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)差分 放大電路(12)放大后輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高濃度次氯酸消毒液自動化檢測控制系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。其中硬件系統(tǒng)包括嵌入式控制模塊、信號采集模塊、顯示控制模塊、上位機通信模塊和電機控制模塊；其中信號采集模塊包括三個傳感器，分別為酸度計、次氯酸計和溫度計；上位機通信模塊通過RS-232協(xié)議，將數(shù)據(jù)及指令與上位機進(jìn)行上傳和下載；顯示控制模塊包括一個觸摸屏，負(fù)責(zé)人機交互的功能；電機控制模塊參與控制四路液路泵。其中軟件系統(tǒng)包括信號分析模塊和動力輸出模塊。該硬件系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)的管理下進(jìn)行工作。本發(fā)明通過直接使用低廉的克拉克電極，通過更改使用程序，首次在高濃度次氯酸的液體中進(jìn)行直接、實時監(jiān)測與控制。
文檔編號G05B19/418GK102147606SQ20101010737
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者宋廣紅, 李海洲 申請人:上海理工大學(xué)