工业pH的检测与调节.pdf

谴 武 偿 瓢 2 0 0 0年 5月 第 2 9卷第 3期 有色矿山 f e nD L I 、 乜 蔡幼忠 ， 倪 小新 1 ． 北京有色冶金设计研究总院 ， 北京 i 0 0 3 8 ； 2北京普莱克斯气体公司 北京 1 0 0 0 2 2 [ 关键词]p H传感器 ； 复台 电极 ； 差动 电极 ； 调节器 ； 非线性控制 [ 摘要]叙述 了 p H计的不同结构与优缺点， 检测对象存在的非线性特性及非线性控制 的实 现 ． 调节闻的选型等 。 [ 中围分类号]T P 2 0 6 ． 1 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 2 - 8 9 5 1 2 0 0 0 0 3 - 0 0 4 5 - 0 4 De t e e t i o n a n d r e g u l a t i o n o f i nd u s t r i a l p H CAIYon - z h on g ．Ni Xi a o - x 1 ． B e l j i n g C e n t r a l En g i n e e r i n g ＆ Re s e a r c h I n s t i t u t e No n - f e r r o u s Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r i e s ． B e l j i n g 1 0 0 0 3 8 ， c 口； 2 ． B e i j i n gP r a z a i rI n c， B e ij i n g 1 0 0 0 2 2 ， C h i n a Ke y wo r d sp H s e n s o r ； c o mp o s i t e de c t r o d e ； d i f f e r e n t i a 1 e l e c t r o d e ； r e g u l a t o r ； n o n l i n e a r c o n t r o l Ab s t r a e t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s d i f f e r e nt c o n s t r u c t i o n o { p H s e r l s o r s 。 t h e i r a d v a n t a g e s a n d s h o r t ． c o mi n g s ． Th e n o n l i n e a r s pe c i fic a t i o ni nme a s u r i ng ． t h e r e a l i z i ng a f n o n l i n e a r i t ya n dt h e s e l e c t i n go f con t r o l v a 】 v e s a x e a 1 s 0 i n t r o d u c e d 1 前言 p H 的检测 在工业 中应用非常广泛 ， 如污 酸污水处理中， 控制废水的中和终点， 在金矿 浸出槽中， 控制石灰乳添加量， 使 p H保持一 定值等。随着人类对生存环境质量要求不断 提高， 在现在水处理工业 中． p H计使用也越 来越 多 。 p H值定义为 1 升 中已经 电离的氢离子 浓度 的负对 数。即 p H 一l o g[ H ] 。在 2 2 ℃时 ． 水的离子浓度积 K 1 0 ， 即 K [ H ] [ O H一 ] 1 0 。在一定温度下， 溶液 中 H 和 O H一 离子的浓度乘积应保持不变。 2 p H的检测 p H测量计一般由 p H传感器与 p H转换 [ 收稿 E t 期] 2 o o 0 2 2 5 [ 第 一作者简 介】 蔡 幼 忠， 男 ， 3 6岁 ， 高级 工程 师 。 t 器组成。 p H传感器由测量电极和参比电极构成。 测量电极的电位随溶液氢离子浓度改变而改 变。参 比电极有固定电位。常用测量电极有 玻璃电极、 锑电极 ， 参比电极为银 一氯化银电 极。较多使用的玻璃电极能对溶液的 p H值 很好地测量 ， 但当溶液中 p H值较低 ， 古有氢 氟酸时， 玻璃 电极使用寿命不长 ， 可用锑 电极 作为测量电极 ， 但锑电极的线性稍差。为了 测量的可靠性 ， 将测量电极和参 比 A gC 1 电极封装的一起， 构成复合电极 ． 并带有温度 补偿。国内广泛使用的常规复合 电极生产厂 家有 上海 F o x b o r a 公 司， EH公 司， 美 国 L ＆N公司． R o e m onu t 公司， 日本横河公司 ， 法国 P o l y me t r o n公司等 。复合 电极 构造如 图 1所示。 复合电极的优点 成本低 ， 制造方便 ， 容 易买到 。 复合电极的缺点 ①由于被测溶液通过 一 维普资讯 有色矿山 2 0 0 0年 多孔结 的渗透 ， 使参考电解液稀释 ， 从而使参 考信号发生变化 ； ②参比电极的银／ 氯化银丝 受化学物质如硫化物、 氰化物等的侵蚀 ， 使参 考信号发生变化； ③流程溶液对参考结 的沉 积或堵塞 ， 会产生大的测量误差。 围 1复 合 p H 电极 近几年 ， 差 动测量技术 已在一些公司的 p H传感器中应用 ， 如美 国的太湖公司 G r e a t L a k e I n s t r u me n t s 。差动测量技术采用三个 电极 玻璃电极 、 标准电极和地电极 ， 差动测 量技术的关键是标准电极 ， 该电极位于充满 p H 7缓冲液的隔离室内， 标准电极提供了一 个稳定测量参考点。如图 2 所 示结构 ， 通过 盐挢 围 2 差 动 p H 电极 盐桥 ， 将测量电极和参考 电极构成通路 ， 盐桥 内的盐溶 液将盐 桥 的内和外 多孔 结 分离 ， 该 设计保证了标准电极总是测量 p H 7 。 差动传感器的优点 ①双结盐桥使污染 物很难进入标准 电极 室， 如标准电极缓冲液 的 l 对 1 0 0稀释 ， 差动电极仅改变 0 0 5 p H， 而对同样电极缓冲液改变， 常规复合 电极 系 统会产生 2 p H的偏移； ②标准 电极进行隔离 可以避免电极中的银／ 氧化银丝受化学物质 的侵蚀 ； ③维 护费用低 。 差动传感器的缺点 制造成本高。 同样工矿使用 ． 差动传感器 比复合 电极 测量精度高． 稳定性好 ， 且差动传感器寿命为 复合电极的 4 ～5 倍。p H计的转换器一般带 微处理器， 可显示 p H值 ， 流程温度值 ， 输 出 mA信号及继 电器接点信号 ， 有的甚至带有 p H调节 的 P I D控制 回路， 并 且具备 自诊断 功能等， 使用非常方便。 3 p H 的调节 假定某溶液中酸碱浓度变化引起某溶液 的 p H值变化． 通过分析． 可得到酸碱浓度变 化△x与 p H值 的对应关 系曲线 如图 3所 示。从盐线可看出， p H为 4 ～l O时． 对 象的 放大系数极大， 为其它区段的 2 0 0 ～3 0 0倍 ， 6X 围 3 酸 碱浓 度差与 p H对应 关 系 在这个区段内， 只要酸碱浓度之差不为零， 既 使它们 的差值极小 ， p H值就将远远偏离中性 点， 即 p H7 点 ， 这就是 p H对象明显的非线 性特性 。设某工业过程 ， 用石灰乳的掭加改 变 p H值． 从图上可知 ， p H7左右， 只要少 量添加或减少石灰乳量 ， 则 p H就快速变化 ， 所 以p H7附近 ， p H值较难控制。 p H值调节回路一般构成如图 4 。 维普资讯 第 3 期 蔡幼 忠等 工 业 p H的检 测 与调节 母 L r_ 围 4 p H 调节 方框 图 从上述 p H对象非线性特性可知 ， 如果 p H值偏差在一定范围 内， 即控制在 p H7 附近一个区域内， 在调节器的偏差输 出与调 节器的比例微分电路之间增加一个非线性单 元 ， 使其比例增益在控制点区域内大幅度降 低 ， 而在这个 区域之外 ， 则 比例增益恢复原 值 ， 使对象特性与调节器组合后 ， 上述开环特 性基本接近线性 ， 即组合后 ， 使 p H调节对象 的开环特性在 p H为 4 ～1 0的区段 内较平 缓 ， 这种做法有利于 p H控制品质的改善 ， 如 图 5 。 输 出 ／ ／ ／ 偏 图 5 非线性调节器中非线性特性 在某冶炼厂原引进 日本的废酸处理工段 中， 用调整石灰乳加入 量的方法来改 变 p H 值。调节器为非线性 P I D调节器。其非线 性部分参数为 非线性增益控制 根据所希望的控制偏 差， 将比例增益划分为高增益区和低增益区。 高增益区与一般调节器相同； 低增益区设定 范围为 3 ％一3 0 ％， 增益常数为 5 ～1 0 0连续 可调 ， 比例带为 1 5 ％--5 0 0 0 0 ％连续可调。 调节阀为气动薄膜三通调节阀， 气源管 路控制为电磁阀， 调节器的模拟输出变为开 关时间宽度改变方式来控制电磁阀的开关。 在张家 口金矿引进美国炭浆法生产黄金 工艺流程 中， 其控制 系统采用美 国 F o x b o r o 公司 S P E C 2 0 0组件式仪表系统。在浓缩机 底流缓冲槽 p H调节回路中 ， p H值控制在 n 左右 ， 通过改变石灰乳添加量方式来改变 p H 值。由于 p H值为 1 1 ， 不在 4 1 0内， 故其调 节器卡件型号采用 2 A XA 5 ， 即常规 比例积 分微分卡件。调节阀为美国 Ma s o n e i l a n公司 气动偏心旋转调节 阀， 气源管路控制采用 电 磁 阀 。由上述 调节器输 出模拟 4 --2 0 mA DC 信号通过 2 A 0 一v 2 P即电压 一脉冲转换组件 输出脉冲开关信号以控制电磁 阀。脉冲周期 为 0 --6 0 s ， 占空 比宽度取决于调节器输出信 号大小。 一 般石灰乳添加调节 回路 中， 为了防止 管路堵塞 ， 配管考虑有 回流 ， 即石灰乳在管路 中一直流 动。在 阀门及管路上长时 间不用 时， 应用水冲洗。且调节阀选型上考虑耐磨 ， 防止固体颗粒堵塞 ， 如张家 口金矿配用偏心 旋转调节阀， 其 阀心、 阀体作球 面旋转密封。 在石灰乳调节 回路 中， 采用周期时间内 占空 比的变化来改变调节阀开关时间以调节石灰 乳添加量 ， 可有效防止连续式调节阀在开度 过小时， 固体颗粒引起阀门堵塞 见图6 。 调节点 石灰乳回流管路 张家 口金矿 图 6 石灰乳调节闷配管示意稠 由于夹管式调节阀耐磨、 防堵、 可更换套 简特点， 在类似胶结充填 ， 石灰乳调节、 浓缩 机底流调节等工艺介质为浆体的管路中得到 广泛应用。与金属 阀门的区别 为 夹管 阀套 简由尼龙、 聚酯等合成纤维、 合成橡胶制成 ， 具有 良好 的 耐 腐、 耐 磨 性。美 国 K E Y S T O N E 、 红阀公司所生产的管夹阀 P I N C H V A L V E 具有代表性。 4 应 用 维普资讯 4 8 有色矿山 2 0 0 0年 国 7 p H检 测控制 流程 国 在沈阳冶炼厂污酸 污 水 站 中， 用 添加 C OI q 进 一 步 除 去 石 膏 制 造后溶液 中 A 、 F 一 离子 ， 污水中和后为中性液排掉。 其控制如图 7所示 ， 在 中和处理的中和 槽 ， 采 用 差动原 理 的 p I - I 计用 授 人式 安装 方 式 ， 石灰乳调节阀选用红阀公司生产的 A型 管央 阀 ， 由电磁 阀控 制供 给管央 阀 的仪表 压 缩气开关。其一次中和槽 的 p I- I 值为 7 。在 控制系统中， 采用了计算机控制 ， 使非线性控 制得以实现。工业计算机控制系统能进行工 业流程及实时动态参数显示 ， 改变控制方案 容易 ， 性能可靠 ， 且具有 自诊功能， 已得到广 泛的应用 。 从尾矿坝废水中回收金 张家 口金矿结合本矿实际， 采用一种既 髓从废水中回收低浓度已溶金 ， 又能进一步 净化尾矿废水中的氰化物等有害成分的工艺 活性炭吸附工艺 ， 从尾矿坝废水 中回收 金 。 张家 口金矿是 7 O年代建成投产的黄金 矿山， 矿山规模为 6 0 0 t ／ d采选综合能力。采 用炭浆法提金 ， 含氰 污水采用碱氯法处理。 每日排放含氰污水 8 6 0 m ． 炭浆尾矿经污水 处理后 自流至尾矿坝。沉淀后， 溢流水经涵 洞流出坝外。尾矿坝涵洞出 口全年 日 平均排 水量约 1 5 0 0 m 3 ， 冬季 日排水量约 l O 0 0 m ， 夏 季时排水量约 2 5 0 0 。由于尾矿坝排水量 随季节变化差异较大， 因此本工艺采用 阀门 调节流程走向， 吸附槽采用混联方式 ， 以适应 不同条件下的操作。同时提取载金炭或进行 酸洗炭时， 也可实现某一槽或两槽 的定期排 炭 ， 而不影响其它槽的正常生产。 矿浆尾液含金 0 ． 0 4 g ／ m3 ， 每年大约流 失金 1 2 k g ， 采用流态化的床层吸附法后 ， 有 效地回收了废水中低浓度的已溶金。同时能 够进一步净化尾矿废水中的氰化物等有害成 分， 获得了良好的经济与环境效益。载金炭 用高温高压解吸解吸， 生成解吸贵液， 降温后 进人电解槽进行电解沉积 ， 金泥送冶炼室熔 铸成合金锭。 1 9 9 9 年 5月至 1 0 月利用此工艺处理尾 矿坝废水 1 2 9 0 0 0 m 3 ， 生产实践表明， 从尾矿 坝废水中回收金工艺有效地回收了废水中浓 度仅为 0 ． 0 4 m g f L的已溶金。自 1 9 9 9年 5 月投人生产以来， 获得了可观的经济和社会 效益。本工艺总投资为 1 3万元 ， 到 1 9 9 9年 底回收金 3 ． 2 k g ， 价值 1 5 ． 6万元， 即每处理 1 m 3 贫液 收 益 为 1 ． 9 8元。年 生 产 成 本 1 0 ． 6 4 万元 ， 年收益约为 1 4 ． 9 6万元。 李英顺 维普资讯