pH 监测和控制系统

时间：2023-04-28

pH 探头和变送器用于各种行业的实验室和控制系统，包括化学生产、石油化工、水和废水处理、食品和饮料、制药和发电厂。

存在无数的应用程序；有些像管理啤酒厂的麦芽浆 pH 值以生产完美的啤酒一样新颖，有些像监测采矿活动径流以确保满足环境保护标准一样必要。然而，在所有行业和应用中，从这些设备进行的测量是产品质量和工艺废物流的重要监测和控制参数。

虽然有用，但 pH 探头和变送器有一些实际限制需要考虑。

pH 计的更新时间可能相对较慢，这会导致测量变量滞后——如果将 pH 值用于控制目的，这是一个重要的考虑因素。

许多 pH 探头的外部由玻璃制成，这使得它们易碎。其他外壳适用于因玻璃破碎造成污染的应用，例如饮料行业。

大多数探头上使用的多孔玻璃膜必须浸没在溶液中，以免变干并导致读数错误。如果应用需要探头干燥任何时间长度，则应考虑使用能够承受这种情况的专用探头，或者在继续使用之前必须在高度电离的溶液中重新水化探头。

pH 探头还必须在多个点进行校准并经常清洁，以确保准确的读数和控制。

实现目标 pH 值，无论是作为生产链中的一个步骤，还是作为处理的一部分来中和废物流，都是一种常见的控制应用。

图 1 显示了在工业规模上实现的 pH 控制过程的基本设置。

个别设置各不相同，但它们都有一些共同的组件；即，带有混合器或搅拌器的反应器容器，可以打开和关闭以添加中和剂或其他目标 pH 值试剂的化学添加进料，需要调节的溶液进出反应器容器的方式，以及当然，控制器如可编程逻辑控制器 (PLC) 或分布式控制系统 (DCS) 来管理系统输入、输出和程序操作。

过程领域中的许多受控变量的行为相对线性。例如，将流量控制阀打开一定百分比会导致相关流量增加。pH 值调整通常不会以这种方式进行。例如，考虑用强碱（例如氢氧化钠）滴定（中和）弱酸（例如乙酸）。该反应的行为如下图 2 所示。

酸的起始 pH 值约为 3。当加入 10 mL 碱时，pH 值升高 1 个 pH 点。当再加入 10 mL 时，pH 升高略低于 1 个 pH 点。然后，当再添加 10 mL（总共 30 mL）时，pH 值急剧上升超过 4 个 pH 点至 11。

这种行为是高度非线性的，因此当目标 pH 值出现在反应的高倾斜区域中或之后时，传统的控制方法，例如比例-积分-微分 (PID) 回路，通常是不够的。根据可用于处理流入物的时间和流入物特性的可变性，可以采用不同复杂性的控制——从以特定频率对设定量的滴定仪进行计量到采用更先进的预测控制算法。