应用标准液自动校准水质pH值传感器的装置设计.pdf

2023年8月机电技术机电技术应用标准液自动校准水质应用标准液自动校准水质pH值传感器的装置设计值传感器的装置设计*卢佳慧罗 进（福建省机械科学研究院，福建 福州 350005）摘要水质检测pH值传感器在使用过程中容易附着污物，电极容易失效，需要定期清理和校准。为便于校准，文章设计了一种可应用标准液自动校准水质pH值传感器的装置，由检测箱、被检液箱、标准液箱、清洗液箱、废液箱、控制系统和云平台监测系统组成。其控制系统可根据命令执行检测被检液、抽取清洗液清洗、抽取标准液校准pH值传感器等操作，并将使用过的液体回收入废液箱；可通过云平台进行远程监测和控制操作。关键词pH值传感器；校准；控制系统；云平台中图分类号：TP393.0文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-008-03DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.003*福建省科技计划项目（2021R1004006）；福建省农业信息感知技术重点实验室项目（闽科基 2022 1号）作者简介：卢佳慧（1978），女，高级工程师，主要从事智能设备单片机软件、硬件研发工作。福建省是我国花蛤苗的主要养殖基地，占有全国90%以上的市场份额。花蛤苗对海水的pH值比较敏感，蛤农需要频繁监测海水的 pH 值变化，对pH值传感器的准确性要求很高。目前市场上通用的pH值传感器主要由玻璃电极和参比电极组成，其工作原理是由玻璃电极、参比电极以及被检液组成原电池，玻璃电极的电离子与被检液的氢离子发生离子交换反应，形成一定的电位差，该差值即为pH值的大小。在实际使用中玻璃电极会被水质的污物覆着，参比电极使用时间长了会衰减老化，从而导致pH值传感器的检测值失真甚至失效，因此要获得准确可靠的pH值，pH值传感器需要定期清理和校准。为便于校准，本文设计了一种应用标准液自动校准水质pH值传感器的装置。1总体方案与校准流程如图1所示，应用标准液自动校准水质pH值传感器的装置主要由控制系统、云平台系统、检测箱、被检液箱、标准液箱、清洗液箱、废液箱等功能模块组成。检测被检液时，控制系统控制被检液箱的蠕动泵抽取被检液到检测箱，检测箱内的pH值传感器检测被检液，系统读取被检液pH值并在控制器液晶屏上显示，将检测数据上传到云平台。控制系统进行自动校准操作时，先启动清洗液箱的蠕动泵抽取清洗液到检测箱，冲洗检测箱内的pH值传感器，清洗完毕后，将使用过的清洗液排入废液3535#1#1$#1#1#1图1总体方案箱，然后启动标准液箱的蠕动泵抽取标准液到检测箱，校准检测箱的pH值传感器，校准完毕后将使用过的标准液排入废液箱，再启动清洗液蠕动泵，从清洗液箱抽取清洗液到检测箱，清洗残留的标准液，废液排入废液箱，此时完成一次标准液自动校准pH值传感器的操作，同时校准的相关数据将上传到云平台。校准流程如图2所示。2检测箱检测箱主要由控制系统、云平台模块、命令数据输出输入接口、进出液体管路、流通槽和pH值传感器等部件组成。pH值传感器安装在流通槽内，各类液体都是流入流通槽同pH值传感器充分接触检测。命令数据输出输入接口和进出液体管路分别连接被检液箱、标准液箱、清洗液箱、废液箱。控制系统根据实际操作命令，通过命令数据输出输入接口，控制对应箱体内蠕动泵抽取相应的液体，以及获取相应箱体内液位检测等数据。因为标准液在不同温度下有不同的标准值，使用标准液校准时，需要提供一个恒温环境。检测箱的外壳采用保温材料，控制系统包含了恒温控制系统，恒温控制系统的制冷和制热方式采用半导体制冷片。半导体制冷片是利用半导体材料的 Peltier 效应，两种不同半导体材料串联成电偶，通过直流电时，在串联的电偶两端会分别产生吸热效应和发热效应，从而实现制冷和制热效果，这是一种负热阻的制冷技术，无机械运动部件、无制冷剂、体积小、无机械噪声、可靠性较高，制冷和制热温度范围在-130+90 之间，适用于小空间的实验设备。恒温控制系统通过 MOS管控制半导体制冷片的工作。制冷和制热是各自独立的半导体制冷片，制冷时用一套半导体制冷片的制冷端，制热时用另一套半导体制冷片的制热端。3标准液箱标准液箱是用来储存和输送标准液的箱体，主要由恒温控制系统、蠕动泵、标准液容器禁锢架、命令数据输出输入接口、进出液体管路等功能部件组成。pH值标准液需要恒温储存，因此标准液箱同检测箱一样，需要一个恒温控制系统，它们的设计方案相同。校准pH值传感器时每次标准液用量25 mL，每15天校准一次，按标准液容积250 mL的情况计算可以使用半年，根据这个用量设计标准液容器禁锢架和标准液箱的外形体积。标准液容器配置相应的液位传感器，控制系统实时获取标准液箱的温度信息和使用数据信息，并决策是否发出更换标准液提示以及异常数据报警提示。4清洗液箱和废液箱pH值传感器除了需要定期校准，还需要定期清洗。进行校准操作时，也要先清洗 pH 值传感器，保证传感器处于清洁状态，然后再进行校准。清洗液箱是专门存储清洗液的箱体，当它接收到检测箱发出的清洗命令，就启动清洗液箱的蠕动泵，抽取清洗液到检测箱的流通槽内清洗pH值传感器，清洗后，再将用过的清洗液排入废液箱回收储存。清洗液箱和废液箱配置液位传感器，控制系统实时获取清洗液和废液的数据，并决策是否发出更换清洗液提示以及清理废液箱提示。5pH值传感器及校准命令流程本文采用瑞蒙德 RMD-ISHP10智慧型 pH值传感器（下称“RMD-ISHP10 传感器”），它具有RS485通信接口、Modbus通信协议。校准时分别进行零点校准和斜率校准。先使用pH值为7.00的标准液进行零点校准（下称“零点标准液”），然后使用pH值为4.01或者pH值为9.18的标准液进行斜率校准（下称“斜率标准液”）。标准液在不同温度情况下有不同的标准值，以pH值为7.00的标准液为例，如表 1所示，pH值为 7.00的标准液在25 时pH值才是7.00。由于标准液的温度是经由检测箱的空间温度传导的，因此，除了需要检测箱内空间温度，还需要检测流通槽内正在使用的标准液温度。RMD-ISHP10 传感器除了可提供pH值数据，还可提供检测液体的温度数据。表1不同温度下pH值7.00标准液的对应pH值控制系统通过RS485通信线，采用Modbus通信协议发送校准命令校准RMD-ISHP10传感器。可写入的零点、斜率校准液值数据如表 2 所示，表2写入零点、斜率校准液值数据表8第4期的液体，以及获取相应箱体内液位检测等数据。因为标准液在不同温度下有不同的标准值，使用标准液校准时，需要提供一个恒温环境。检测箱的外壳采用保温材料，控制系统包含了恒温控制系统，恒温控制系统的制冷和制热方式采用半导体制冷片。半导体制冷片是利用半导体材料的 Peltier 效应，两种不同半导体材料串联成电偶，通过直流电时，在串联的电偶两端会分别产生吸热效应和发热效应，从而实现制冷和制热效果，这是一种负热阻的制冷技术，无机械运动部件、无制冷剂、体积小、无机械噪声、可靠性较高，制冷和制热温度范围在-130+90 之间，适用于小空间的实验设备。恒温控制系统通过 MOS管控制半导体制冷片的工作。制冷和制热是各自独立的半导体制冷片，制冷时用一套半导体制冷片的制冷端，制热时用另一套半导体制冷片的制热端。3标准液箱标准液箱是用来储存和输送标准液的箱体，主要由恒温控制系统、蠕动泵、标准液容器禁锢架、命令数据输出输入接口、进出液体管路等功能部件组成。pH值标准液需要恒温储存，因此标准液箱同检测箱一样，需要一个恒温控制系统，它们的设计方案相同。校准pH值传感器时每次标准液用量25 mL，每15天校准一次，按标准液容积250 mL的情况计算可以使用半年，根据这个用量设计标准液容器禁锢架和标准液箱的外形体积。标准液容器配置相应的液位传感器，控制系统实时获取标准液箱的温度信息和使用数据信息，并决策是否发出更换标准液提示以及异常数据报警提示。4清洗液箱和废液箱pH值传感器除了需要定期校准，还需要定期清洗。进行校准操作时，也要先清洗 pH 值传感器，保证传感器处于清洁状态，然后再进行校准。清洗液箱是专门存储清洗液的箱体，当它接收到检测箱发出的清洗命令，就启动清洗液箱的蠕动泵，抽取清洗液到检测箱的流通槽内清洗pH值传感器，清洗后，再将用过的清洗液排入废液箱回收储存。清洗液箱和废液箱配置液位传感器，控制系统实时获取清洗液和废液的数据，并决策是否发出更换清洗液提示以及清理废液箱提示。5pH值传感器及校准命令流程本文采用瑞蒙德 RMD-ISHP10智慧型 pH值传感器（下称“RMD-ISHP10 传感器”），它具有RS485通信接口、Modbus通信协议。校准时分别进行零点校准和斜率校准。先使用pH值为7.00的标准液进行零点校准（下称“零点标准液”），然后使用pH值为4.01或者pH值为9.18的标准液进行斜率校准（下称“斜率标准液”）。标准液在不同温度情况下有不同的标准值，以pH值为7.00的标准液为例，如表 1所示，pH值为 7.00的标准液在25 时pH值才是7.00。由于标准液的温度是经由检测箱的空间温度传导的，因此，除了需要检测箱内空间温度，还需要检测流通槽内正在使用的标准液温度。RMD-ISHP10 传感器除了可提供pH值数据，还可提供检测液体的温度数据。表1不同温度下pH值7.00标准液的对应pH值温度值/pH值107.06157.04207.02257.00306.99356.98406.97456.97控制系统通过RS485通信线，采用Modbus通信协议发送校准命令校准RMD-ISHP10传感器。可写入的零点、斜率校准液值数据如表 2 所示，表2写入零点、斜率校准液值数据表零点标准液pH值斜率标准液pH值0：pH值7.001：pH值6.860：pH值1.681：pH值4.012：pH值9.183：pH值10.14：pH值12.45L#FF$#$#$#1#$FAE#15图2标准液自动校准pH值传感器流程卢佳慧 等：应用标准液自动校准水质pH值传感器的装置设计92023年8月机电技术机电技术RMD-ISHP10传感器的零点校准可以采用2种pH值标准液，发送零点校准命令写入零点标准液值，写“0”值表示使用pH值为7.00的标准液，写“1”值表示使用pH值为6.86的标准液；斜率校准可以采用5种pH值标准液，数据值04分别表示5种pH值，操作方式与写入零点标准液值相同。写完相应的标准液值命令后，检测箱体内温度和流通槽内相应标准液的温度，当温度正常后，进行多次读取RMD-ISHP10传感器检测pH值对应的AD值，AD值稳定后，写入确认相应校准值命令，完成校准RMD-ISHP10传感器。校准命令流程如图3所示。7.00pH#%C7.00pHM
06 00 36 00 00 69 C4BpH,AD01 03 00 66 00 01 64 15AD0.AM&01 06 00 3E 00 FF A8 469.18pH#%C9.18pH)#01 06 00 38 00 02 89 C6BpH,AD01 03 00 66 00 01 64 15AD0.A)01 06 00 3F 00 FF F9 86图3校准命令流程6控制系统如图4所示，控制系统采用MICROCHIP的单片机18F67J11（下称单片机）作为主控MCU，包括液晶显示、操作键盘、UART 云平台通信、RS485 通信、空间温度传感器、pH值传感器、蠕动泵、液位检测、MOS管控制等。#K-MCUF 0L$pH#MOS1#UARTRS485图4控制系统方框图7云平台应用标准液自动校准水质pH值传感器的装置应用阿里云物联网平台（下称“阿里云”），并提供Web页面和手机APP软件服务。阿里云硬件通信模块应用上海庆科的 EM3080模块，软件通信协议应用JSON通信协议上报数据和解析下行数据。通过阿里云操作，将应用标准液自动校准水质pH值传感器的实时数据上传到阿里云，用户可以通过Web页面或者手机APP软件读取或者控制pH值传感器。8结束语本文所设计的应用标准液自动校准水质pH值传感器的装置，将 pH 值传感器、检测箱、标准箱、清洗液箱和废液箱集成一体，并通过云平台和手机APP软件进行远程监控，保证了pH值传感器的准确性和可靠性，在福建省福清花蛤苗养殖场的实际应用中，改变了过去靠人工操作检测和校准pH值传感器的工作方式，减少了人工成本，提高了工作效率。该设计也可以应用于农业水肥自动化系统中，具有很好的市场前景和社会经济效益。参考文献：1 何惠彬，王伟丽.花蛤养殖水质监测的物联网无人船设计J.木工机床，2021（3）：7-9.2 焦雄科，刘霞霞，刘美琪，等.基于CC3200单片机的无线鱼塘水质pH检测系统J.浙江农业科学，2020，61（4）：783-785.3 祁建广，李宝营，李仁庆.超低功耗水质pH检测仪设计J.仪表技术与传感器，2017（3）：118-120，126.10