濕法脫硫中pH傳感器的信號處理研究

岳香梅，李子萌

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

濕法脫硫中pH傳感器的信號處理研究

岳香梅，李子萌

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

在脫硫工藝中，漿液pH值的控制，關系到脫硫效率的高低。傳統(tǒng)的pH值控制系統(tǒng)，具有pH信號反饋響應慢，控制調節(jié)漿液的pH值滯后于系統(tǒng)的工藝要求。通過對該問題的研究分析，提出了pH信號反饋采用前反饋控制設計，并據(jù)此初步設計了基于微處理芯片的pH信號處理的電路原理圖，提高了pH信號反饋的響應速度，從而滿足了電廠脫硫的工藝要求。

pH傳感器；信號反饋；芯片；濕法脫硫

傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成［1］。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器技術在現(xiàn)代科學技術中具有十分重要的地位，與計算機技術和通信技術被稱為現(xiàn)代信息技術的三大支柱［2］。pH傳感器是測定流體pH值（流體的酸堿度）的電子信息器件，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用逐漸普及，但由于pH傳感器涉及比較復雜的電化學原理，故和其它的傳感器相比研究的比較少。在電廠濕法脫硫中pH傳感器應用范圍不是很多，但對電廠脫硫的效率起著至關重要的作用。

1 pH傳感器的原理及應用

1.1 pH傳感器的原理

pH值是用來表示溶液酸堿度的一種方法，檢測pH值的儀表稱為pH計，它通過連續(xù)檢測溶液H+（氫離子）的濃度來確定水溶液的酸堿度，pH值定義為溶液中H+濃度的負對數(shù)即：

pH＝-lg［H+］

化學中定義水的pH值為7，pH值小于7的溶液呈酸性，pH值大于7的溶液呈堿性。

由于直接測量溶液中氫離子的濃度比較困難，通常采用由氫離子濃度引起的電極電位變化的方法來實現(xiàn)pH值的測量，電極電位與離子濃度的對數(shù)呈線性關系，因此測量被測溶液的pH值只需測量電池電動勢［3］。

pH測量中使用的電極又稱為原電池，原電池是一個系統(tǒng)，它的作用是使化學能轉成為電能.此電池的電壓被稱為電動勢（EMF），此電動勢由二個半電池構成，其中一個半電池稱作測量電極，它的電位與特定的離子活度有關；另一個半電池為參比半電池，通常稱作參比電極。此二種電極之間的電壓遵循能斯特（NERNST）公式［4］：

實際的pH值測試公式：

其中：pHx，pHs分別為被測溶液和標準溶液的pH值；Ex，Es分別為被測溶液和標準溶液的電池電動勢；F為法拉第常數(shù)（96485C/mol）；R為氣體常數(shù)（8.314J/mol）；T為絕對溫度（K）。

pH傳感器基本是由電極和電動勢測量儀表兩部分組成的，其中電極包括一支測量電極和一支參比電極，二者組成原電池參比電極的電動勢是穩(wěn)定且精確的，與被測溶液中的H+濃度無關；而測量電極是一個玻璃電極，用于測量介質pH值的毫伏電勢，電動勢的大小取決于介質的pH值這樣，只需通過測量電動勢，就可以計算出H+濃度，從而實現(xiàn)對溶液pH值的檢測測量時，電極插入待測溶液中，將溶液中的H+濃度轉換成毫伏電壓信號，再將信號放大并經(jīng)過A/D轉換，在遠程計算機上顯示出吸收塔中漿液的pH值［5］。

在電廠濕法脫硫工藝中，吸收塔漿液的pH值是脫硫裝置運行中最主要的檢測與控制參數(shù)之一，是漿液內石灰石反應活性和鈣硫比的綜合體現(xiàn)進入吸收塔的新鮮石灰石漿液的量取決于鍋爐負荷、煙氣中SO2濃度及實際的吸收塔漿液的pH值。

1.2 電廠脫硫系統(tǒng)中目前采用的pH值信號處理

目前電廠的pH值測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 濕法脫硫工藝pH值系統(tǒng)控制圖

濕法脫硫系統(tǒng)的pH值控制采用的是單回路前反饋復合控制方式［6］，如圖2所示。

圖2 濕法脫硫工藝pH值信號反饋系統(tǒng)圖

它是一個反饋閉環(huán)回路，調節(jié)器是根據(jù)被控對象相對于設定值的偏差來進行調節(jié)的。檢測的信號的pH值，控制作用是發(fā)生在偏差出現(xiàn)以后，影響被調量，而被調量的變化又反過來影響控制器的輸入，是控制作用發(fā)生變化不論什么干擾，只要引起被調量變化，就可以進行控制。但這樣就有一個缺點：通常要在干擾已經(jīng)造成影響，被調量已經(jīng)偏離設定值的時候才能進行控制作用，這樣控制作用總是不及時，而且在外界干擾頻繁，被控對象有較大延遲時，如果僅僅依靠這種反饋調節(jié)，就很難保證系統(tǒng)的調節(jié)品質。

1.3 電廠脫硫系統(tǒng)中目前采用的pH值信號控制電路

pH硬件電路由如下部分組成：電源模塊、模擬放大模塊、ARM處理器及其外圍電路、溫度采集電路、鍵盤模塊、LCD顯示模塊、串口模塊等［7］。

pH值的控制電路框圖如圖3。

圖3 濕法脫硫工藝pH傳感器電路框圖

2 pH值前反饋控制電路的設計

2.1 值前反饋控制設計思想

通過對于已有pH值反饋控制方式的了解和結合實際具體情況的分析發(fā)現(xiàn)，僅靠反饋控制是難以完成工業(yè)中自動化控制，必須引入前反饋控制。前反饋控制室根據(jù)干擾作用的大小進行控制的，檢測信號為各種干擾量的大小。當干擾量出現(xiàn)時，前反饋控制器就對調節(jié)量進行預調整，來補償干擾對被調量的影響。當干擾作用發(fā)生后，在被控變量還沒有出現(xiàn)偏差前，控制器就已經(jīng)進行控制。如果這種前反饋的控制設計合理，可以得到較好的補償，理論上是被控變量不會因干擾而產(chǎn)生誤差。在前反饋控制系統(tǒng)中，沒有檢測被調量。當控制器根據(jù)干擾產(chǎn)生控制作用后，對被控變量的影響并不返回來影響控制器的輸出，所以前反饋系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)，其控制效果并不通過反饋來檢驗，將前反饋控制與反饋控制結合起來，利用前反饋控制作用及時，以及反饋控制能克服所有干擾的優(yōu)點，則會提高具有強干擾被控對象的控制質量，這樣的自動控制會比較理想，如圖4所示。

圖4 濕法脫硫工藝pH值信號前反饋系統(tǒng)圖

圖4中可加裝石灰石漿液流量測量儀表，由于流量測量值要比pH值更快、更直接為了防止依據(jù)pH值可能造成的過調，可將流量測量值組成一個副反饋回路，pH值構成主反饋回路采用兩個反饋控制器，主反饋控制器接收漿液pH測量值，副反饋控制器接收送入吸收塔的石灰石漿液流量測量值。主反饋控制器的輸出作為副反饋控制器的設定值，副反饋控制器的輸出與前反饋控制器的輸出相疊加，來控制石灰石漿液調節(jié)閥的開度，使吸收塔內的PH值維持在設定值上。這樣不僅是調節(jié)過程加快，具有超前控制的作用，還具備了一定的自適應能力，從而有效地克服滯后，提高了控制質量。

2.2 PH值前反饋控制電路設計原理圖

目前比較先進的pH值信號處理方式是應用ARM9微處理芯片［8］，本設計就是利用了這個芯片來提高pH傳感器的信號處理能力將韓國三星公司生產(chǎn)的32位嵌入式處理器S3C2410A，它是采用ARM920T的內核把這種先進的微處理器應用于pH值前反饋控制系統(tǒng)中，利用ARM9處理器的強大處理能力，可以縮短pH值控制器對pH信號的處理時間，從而及時提供了對漿液的酸堿度的真實信息，有利于前臺對脫硫系統(tǒng)的控制，提高了脫硫效率，見圖5。

圖5 基于ARM9微處理器的pH信號前反饋系統(tǒng)原理圖

3 結論

通過以上對pH計的原理及pH計信號處理與控制電路的研究，基本可以解決以往脫硫項目中通過pH值自動調節(jié)供漿量落后于實際情況變化的問題，在不大規(guī)模改變硬件條件的情況下，通過提前分析各種干擾量，從而保證系統(tǒng)的正常運行和較高的脫硫效率。

［1］GB 7665-87，傳感器通用術語［S］.北京：中國標準出版社，1987.

［2］劉迎春，葉湘濱.現(xiàn)代新型傳感器原理與應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.

［3］王家楨.傳感器與變送器［M］.北京：清華大學出版社，1996.

［4］孫建民，楊清梅.傳感器技術［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［5］朱蘊璞，孔德.傳感器原理及應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［6］肖大雛.控制設備及系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［7］蔡幼忠，倪小新.工業(yè)pH檢測與調節(jié)［J］.有色礦山，2000，29（3）：45-48.

［8］谷海濤，宋紹劍.基于ARM9的嵌入式pH值測控系統(tǒng)設計［J］.自動化技術與應用，2008，27（9）：70-72.

〔編輯 李?！?/p>

A Study on Signal Processing of pH Sensor

YUE Xiang-mei，LI Zi-meng
（School of Physics and Electronics Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

In FGD process，pH value control of slurry relates to the desulfurization efficiency.The traditional pH value control system，the pH signal feedback response slowly，slurry control system lags behind the pH value of the technological requirements.This paper design the pH signal pre-feedback electrocircuit drawing through the analysis of the problems.The electrocircuit drawing based on ARM9 microprocessor.The design improves the pH sensor's response speed and satisfy the requirements of FGD.

pH sensors；signal feedback；chip；FGD

Q47111

A

1674-0874（2011）01-0037-03

2010-10-06

岳香梅（1975-），女，山西應縣人，碩士，講師，研究方向：物理電子學。