2 PH傳感器的測量原理
2.1 測量PH值為什么不可用試紙？
表3是不同堿劑不同濃度采用試紙與pH計(jì)測量的對(duì)比，PH值誤差高達(dá)2.0~2.5，對(duì)照表1可知，其反應(yīng)速率值差得甚高。所以人為經(jīng)驗(yàn)不一定可靠，用于控制工藝不可取。
試紙?jiān)诓煌墓庹?，不同操作人的視覺，必然會(huì)得出失實(shí)的pH值，對(duì)照染色工藝pH值的精確程度，必然嚴(yán)苛要求測量“上真工藝”。
2.2 pH值傳感器的測量原理
染整過程不同的纖維織物所采用的不同染料，在染色時(shí)有自己的pH值的要求。
通常所謂的pH值，實(shí)際上就是水溶液中氫離子濃度[H+]的對(duì)數(shù)的負(fù)值，即：
pH=-lg[H+] (1)
工業(yè)酸度計(jì)(pH計(jì))實(shí)際上是一個(gè)能連續(xù)測量生產(chǎn)流程中水溶液的氫離子濃度的儀表。對(duì)于純水，[H+]=10-7g/L，其pH=7，為中性。[H+]＞10-7時(shí)為酸性溶液，其pH＜7；[H+]＜10-7時(shí)為堿性溶液，其pH＞7。
2.2.1 pH值傳感器的測量原理
溶液中pH值的測量是利用電化學(xué)原理測定的，即測定插在被測溶液中的兩個(gè)電極間的電位差，其中一個(gè)工作電極(或測量電極)的電位隨氫離子濃度的改變而改變，另一個(gè)參比極具有固定的電位，這兩個(gè)電極形成一個(gè)電池，圖2所示是復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)示意圖。是為了提高測量精度，將玻璃電極與參比電極及溫度補(bǔ)償電阻組合為一體的結(jié)構(gòu)。
在玻璃電極內(nèi)部裝有pH值一定(通常為7)的內(nèi)溶液，與參比電極構(gòu)成原電池，用高輸人阻抗的電位差計(jì)測兩極間的電位差，便可測量到pH值。
2.2.2 工業(yè)pH計(jì)
工業(yè)用pH計(jì)由發(fā)送器和測量儀器兩大部分組成。發(fā)送器由工作電極和參比電極組成，發(fā)送器的作用將pH值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。測量儀器采用電子電位差計(jì)或?qū)Ｓ胮H表。
工作電極采用玻璃電極，由能導(dǎo)電、能滲透[H+]的電極玻璃制成，內(nèi)充有pH值恒定的標(biāo)準(zhǔn)溶液，插人的內(nèi)電極經(jīng)引出導(dǎo)線，可將玻璃電極電位引出。
參比電極采用環(huán)保清潔型的銀-氯化銀電極，這種電極的原理及結(jié)構(gòu)類似于甘汞電，電極電位E=0.197V.電極無毒，溫度穩(wěn)定性好。
2.2.3 微機(jī)在pH計(jì)中的應(yīng)用
由于pH值是隨溫度而變的，為了對(duì)溫度值進(jìn)行補(bǔ)償，故采用微機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行校正。
圖3所示是微機(jī)對(duì)pH值進(jìn)行連續(xù)測量和自動(dòng)校正的系統(tǒng)原理框圖。
傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)校正取樣系統(tǒng)及高阻放大器放大后，通過接口送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后饋入單片機(jī)內(nèi)存，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供顯示和控制指令。
本系統(tǒng)是一個(gè)pH數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又是一個(gè)程序閉環(huán)控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是：連續(xù)在線采集酸洗中和槽液pH值，且進(jìn)行上、下限報(bào)警；及時(shí)對(duì)以上監(jiān)測狀態(tài)轉(zhuǎn)為自動(dòng)校正，校正后又轉(zhuǎn)為監(jiān)測狀態(tài)。
當(dāng)系統(tǒng)接電后，先進(jìn)行自動(dòng)校正，校正完以后就進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。
2.2.4 pH計(jì)電極的清洗
pH計(jì)電極對(duì)沾污很敏感，會(huì)使電位曲線變化造成濃度檢測誤差。
pH計(jì)電極至少每周用10%的鹽酸清洗一次，然后用清水清洗。pH計(jì)電極可采用由微處理器MPO43控制的噴淋清潔系統(tǒng)進(jìn)行清洗，電極下部錐形的噴嘴以0.4MPa壓力、41m的揚(yáng)程噴出水(化學(xué)清洗劑)，由18L的帶球閥和泵的水箱提供。清潔系統(tǒng)的配套儀表的程序設(shè)置了：清潔輸出、清潔持續(xù)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和間隔時(shí)間。噴淋系統(tǒng)有用于投入式、在線或通過轉(zhuǎn)接頭與電極連接應(yīng)用的多種形式。
3 pH值在線測控系統(tǒng)
3.1 在線測控系統(tǒng)
該系統(tǒng)由美國進(jìn)口的檢測電極，以及pH-500pH值控制儀表、加酸閥、控制箱、加酸桶、循環(huán)泵和過濾箱等部分組成。系統(tǒng)組成見圖4。
該系統(tǒng)的核心部件是pH值信號(hào)采集裝置和信號(hào)處理控制裝置。系統(tǒng)根據(jù)pH檢測傳感器檢測到的pH值信號(hào)，輸出至中央處理單元，中央處理單元經(jīng)信號(hào)處理單元和運(yùn)算單元后，實(shí)現(xiàn)儀表顯示實(shí)際pH值；再與設(shè)定的pH值進(jìn)行比較，輸出控制信號(hào)，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動(dòng)向槽中加堿中和液，并采用循環(huán)泵對(duì)槽內(nèi)液體迅速循環(huán)，確保其均勻性。使上染至織物上的染液達(dá)到所設(shè)定的pH值。
3.2 系統(tǒng)控制器與外圍設(shè)施關(guān)系
圖5是系統(tǒng)控制器與外圍設(shè)施的關(guān)系示意。
系統(tǒng)通過pH值檢測傳感器將信號(hào)送至儀表A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)處理，同時(shí)溫度補(bǔ)償信號(hào)也經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)處理后，二者將處理后的信號(hào)送至 CPU進(jìn)行處理，并送至LED顯示實(shí)際測定值，同時(shí)與工藝設(shè)定值進(jìn)行比較；再將相應(yīng)的控制信號(hào)輸出到固態(tài)繼電器來控制執(zhí)行電磁閥，該信號(hào)通過變送輸出，可用于驅(qū)動(dòng)記錄儀或送到DCS系統(tǒng)，RS232接口與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)具有自動(dòng)PID控制及手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。該系統(tǒng)pH值測量范圍在 0~14，pH值控制精度±0.3，通過校正，能滿足高精度pH值的測定。
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)pH值由人工測量到定量控制的轉(zhuǎn)變，提高pH值的測試和控制精度，滿足高檔次產(chǎn)品要求。
該P(yáng)H值在線檢測及控制系統(tǒng)通過在不同的工作溫度下，系統(tǒng)實(shí)測控制數(shù)據(jù)見表4。
通過上表測試數(shù)據(jù)顯示，該控制系統(tǒng)具有很高的控制精度和穩(wěn)定性，已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
3.3 堿劑計(jì)量添加控制
圖6是pH值在線監(jiān)控系統(tǒng)?；贤?中碳酸氫鈉溶液，按工藝處方配液，由電磁計(jì)量泵定量注水過液槽3內(nèi)，化料筒2中氫氧化鈉溶液，按工藝處方配液，傳感器實(shí)時(shí)測量過液槽3中混合，堿液的pH值反饋給監(jiān)控器，按計(jì)量加堿時(shí)間及染浴pH值，控制電磁計(jì)量泵注入過液槽3實(shí)現(xiàn)線性固色。
染色工藝pH值在線測控是提高染色一次成功率的必要舉措。
染色pH值控制可使牛仔布靛藍(lán)染色獲得“環(huán)染”效果，同時(shí)節(jié)省水、電、蒸汽消耗；pH值的控制可實(shí)施兩相法印花后快速蒸化，節(jié)省大量蒸汽，少用尿素或不用尿素；浸染染色無論是活性染料還是直接、中性染料皆需pH值控制，精確的pH值控制會(huì)提高上染率和固色率，降低運(yùn)行成本和污水排放負(fù)荷。
