溶液pH自动调节控制仪的研制

许多领域(例如废水处理、物质的分离,化合物的制备等)会涉及到pH的调节与控制等问题[1~3]。很多化学反应需要在一个特定的pH值范围内进行才能达到预期的效果[4,5]。但是目前的pH控制系统往往工作不理想[6],还不能对液相反应系统同时进行检测并自动调节、控制。市售的酸度计(也称pH计)只能检测液相体系的pH值,但是不能对不断加入反应溶液的系统的pH值进行自动调节和控制,更没有长时间对敞开系统的pH值进行调节、控制的能力。市售的电位滴定仪只能判断酸与碱相互滴定时的等当点,它也不能对液相系统的pH值进行自动调节和控制。一些pH控制控制系统的控制能力还难以满足现代实验要求pH变化范围小和连续控制时间长的要求[1,3,5,7]。所研制的自动控制仪可以连续数天自动调节和控制封闭或开放的液相系统的pH值和温度,使其变化范围很小(ΔpH<0.2,ΔT<1℃)。

1 控制系统的总体设计

溶液pH自动调节控制系统的总体设计框图如图1所示。液相反应系统(容器)由恒力矩搅拌器恒速搅拌,对其可连续或间断加入反应物A和反应物B、C。A可以是NaOH或HCl或其它反应物的溶液(下面以NaOH溶液为例,则B、C为酸性物质);反应物B,C可以是(酸性的)单一化合物溶液或多种化合物的混合溶液。仪器可以对反应体系所需的pH值和反应温度进行预设,反应器中的pH值被实时监控,两种反应物(酸性物质和碱性物质)同时通过蠕动泵加入到反应容器中。设其反应系统所需的pH≈10.00(预设pH≈10.00)。控制反应物质的浓度和加入速度,使两种物质(酸性和碱性物质)同时加入时,pH值缓慢上升,当反应系统的pH≈10.05时,由控制仪发出指令,使碱泵(加入碱性物质的蠕动泵)自动停止,而酸泵(加入酸性物质的蠕动泵)不停,此时容器中反应液的pH值会缓慢下降;当其pH值降至9.95时,碱泵被启动,溶液的pH值又会缓慢上升至10.05后再下降。按上述循环,反应系统的pH值被控制在9.95~10.05。考虑其它因素的影响,可以控制溶液的ΔpH≤0.2。

2　控制仪工作原理框图

控制系统的框图如图2所示。本控制仪的工作原理是由pH值检测系统将微电压信号送至信号输入电路(由LM308芯片等元件构成的跟随器电路、滤波电路构成),该信号经三级精密放大,由酸碱自动切换电路(由LM308运算放大器、MOC3063、继电器构成)送至ADC0809模数转换电路,将模拟信号转换为数字信号,输入给AT89C55单片机,由单片机执行软件发出显示、检测或控制指令,完成pH值的显示、检、控功能。

　　由放置在加热水浴中的热电偶感应信号,经由AD620精密放大器构成的采样、放大电路送至ADC0809模数转换电路,将模拟信号转换为数字信号,输入给AT89C55单片机,由单片机发出显示、检测或控制的指令,完成温度T值的显示、检、控功能。显示电路由4位七段LED数码管、5个单段数码管、译码驱动电路74LS 164构成。4位数码管分别代表pH值、温度T值的小数点前后各两位。5个单段数码管表示pH检测、pH控制、温度检测、温度控制、正常工作,5个工作状态。