（农业生物环境与能源工程专业论文）营养液加热消毒中pH在线检测与实时控制装置的研究.pdf

摘要 国外的加热消毒设备实现了营养液的p h 值在线检测和适时调整。国内的加热消毒设备缺少 p h 值的在线检测与适时调整部分，在国内已有设备的基础上，设计制作了p h 在线检测与实时控 制装置， 针对国外设备的“p h ：4 ”进行了实验室加热试验，将营养液的p h 分为6 0 、5 5 、5 0 、4 5 、 4 0 、3 5 、3 0 、2 5 八级水平，对每个水平下的营养液，分别进行7 5 、8 5 的3 分钟加热，然 后测定其钙离子、镁离子的浓度变化，得出结论即在对营养液进行加热过程中，会改变营养液的 理化成分，尤其是钙离子和镁离子的浓度，因此需要我出对营养液影响最弱的合适的p h 值且投 入成本较小，结论显示当营养液的p h - - 4 时，得到了比较理想的结果。 该装置采用a t 8 9 s 5 2 单片机作为控制的核心，来自p n 电极的模拟信号通过由三个高阻的 l f 3 5 6 构成的仪用放大器进行放大，由a d 5 7 4 a 转化为数字信号，采用d s l 8 b 2 0 作为温度补偿， 在单片机中完成p h 值的计算，数码管显示营养液的p h 值和温度值。用固态继电器实现了加酸 和管路流动的控制，采用光电隔离将强电和弱电分开，减少了强电对弱电的干扰。 p h 检测循环管路采用p v c 设计并制作。通过流阜计来指示加酸的量，通过数码显示读出对 应酸量时的营养液p h 值，测试整个循环管路的性能，结果表明，本研究所做出的p h 在线检测 与实时控制装置可用于加热消毒过程中营养液p h 值的控制，为国内加热消毒机提供了p h 在线 检测技术，使加热消毒过程更趋于完善。 关键词：加热消毒，营养液。在线检测，实时控制，p h 值 a b s t r z l n a tp r e s e n t , t h e r ea i et l l r c em a i nm e t h o d so fn u t r i c l l ts o l u t i o nd i s i n f e c t i o n ：h e a ti r c a l l l l e l l tu l t r a v i o l e t r a d i a t i o na n do z o n l ! t h eo n - u r i cp hm o n i t o r i n gw a p p l i e di no v e l s c a sh e a t i n gd i s i n f e c t i o n e q u i p m e n t st oa d j u s tt h ep hv a l u eo ln u t r i c l l ts o l u t i o n - i o w c v l f , t h e r em q oo n l i n es 1 。1 1 s 0 1 5o ft h ep h v a l u ei nd o m e s t i ce x l t t i p m e l l t s a c c o r d i n gt oo v c l r s e a sl a e a t i n gd i s i , f e , e t i o ne q u i p m e n t s , w ec x p e e t e dt o d e s i g , a n d d e v e l o p t h eo n l i n es l ：n s o 0 f p h v a l u e ，a n da p p l y i t i n t o t h e p r o c e s s o f h e a t i n gd i s i n f e c t i o n p hv a l i t es h o u l db ea d j u s t e dt oi o u ri nt l a ep r o c e s so th e a t i n gd i s i n f e c t i o no no v c l s c a sh e a t i n g d i s i n f e c t i o ne q u i p m e n t s i no r d e rt of m dt h er e a t o n , w eh a v ec a r d e do u tas e r i e so fe x p e r i m e n t s e i g h t s l a 柳so fd u t r i e n ts o l u t i o nw i t hd i f f e r e n td hv a l u e sw e h c a t e da t8 5 i o rt h r e em i n u t e s w ei o u n d t h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fc a l c i u mi o na n dm a g n e s i u mi o nw a sc h a n g e di nt h ep r o c e s so fh e a t i n g d i s i n f e c t i o t l , a n dw h e nt h ep i - iv a l u ew a sf o u l , t h ec h a n g ew a sm i n i m a l a t 8 9 s 5 2s i n g l e - c h i pc o m p u t e rw t h e eo ft h eo n - l i n ep hv a l u em e f c m ta n dc o n t r o l i m m m a e n tt h ea n a l o gs i g l l a lf r o mt h ep he l e c l r o d e m a g n i f i e db yt h r e eh i g lr e s i s t a n c e sl 1 7 3 5 6 , a n dc o n v e r t e dt od a t as i g n a lb ya d 5 7 4 a d s l 8 b 2 0w a sa p p l i e di nt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t h e 蹦v a l u ea n dt h et e m p e r a t u r ew c i l ed i s p l a y e dr e c y c l a b l y t h ep i p e l i n e sw l r ec o n t r o l l e db ys s r t h e s t r o n ge | e e t r i cp a r ta n dt h ew e a ke l e c t r i cp a r tw m i s o l a t e db y4 n 2 5 t h er e c y c l i n gp i p e l i n e sw e - , l r cm a d e o f i v c t h ea m o u n to f n e e d e da c i do l - a l k a l iw 舔m e a s u r e db yf l o w m c t e r s i ne o n c l s i o n ，w eh a v ed e s i r e da n dd e v e l o p e dt h eo n l i n e n ro fp hv a l u e ，a n da p p l i e di ti n t ot h e p r o c e s so fh e a t 咄d i s i n f e c t i o ns u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：h c a t i gd i s i n f e c t i o n , n u t r i e n ts o l u t i o n ，o n - l i n em e a s u r e m e n t , o n - t i m ec o n t r o l ，p hv a l u e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：己云厶时间：w 司年加i 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可阻用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：己立乡乙 导师签名； 时间：。优习年石月7 日 时间。仉印年月f f 日 f 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 我国农业的发展，面临着耕地不断减少、人口不断增加、社会总需求不断增长的严峻形势。 为了适应不断增长的社会需求，必须大力发展我国高产高效的设施农业。 在设施农业中，温室和大棚一般使用3 年后，会出现由土传病害和次生盐溃化引起的连作障 碍，导致农药和化肥用量不断增加，小生态系统不断恶化，蔬菜品质和经济效益下降。根据国外 的经验以及我们自己的试验研究，在各种应对以上问题的措施中，无土栽培是一种十分有效的方 法。 无土栽培在国外发展迅速，已成为非常重要的栽培方式。欧共体明确规定，所有欧共体国家 园艺作物要全部实现无土栽培。无土栽培不仅高产，而且可向人们提供健康、营养、无公害、无 污染的有机食品。无土栽培的营养液循环利用能节省投资，保护生态环境。西方发达国家近些年 设施内无土栽培技术发展很快。荷兰、英国、法国、意大利、西班牙、德国大部分设施内均进行 无士栽培 无土栽培系统分为开放式( o p e ns y s t e m ) 与封闭式( c l o s e ds y s t e m ) 两大类。在开放式无土 栽培系统中。营养液不循环使用，灌溉的营养液经作物吸收后，多余的即排放到环境中，对环境 造成一定的污染。在封闭式无土栽培系统中，营养液循环使用，节水省肥，大大减少了对环境的 污染。因此，国内外的无土栽培发展呈现着逐步由开放式向封闭式转变的趋势。荷兰已通过立法 手段限期将开放式无土栽培改为封闭式。目前，无土栽培面积最大的荷兰，封闭式无土栽培的面 积占无土栽培面积的7 0 ，营养液循环使用实现了环境友好，但急剧增加了无土栽培系统中病害 的传播危险。发展封闭式营养液循环栽培技术，需要解决的首要问题是：营养液循环使用前必须 进行非农药的杀菌和消毒。对根传病害的防治，国外无十栽培发达国家( 如何兰，日本等) 进行 了大量理论和应用研究1 1 一l 。国内除浙江大学的喻景权进行了用臭氧进行营养液消毒的研究外， 尚未见营养液的非农药除菌方法的报道。 目前，已经比较成熟的消毒方法很多，一般可将之分为物理、化学与生物方法三类州。 化学方法是利用各种化学药剂( 主要是农药) 进行消毒，但随着人们的环保意识、对绿色蔬 菜需求意识的不断增强以及国家有关法规的规定，化学药剂在农业上的应用将逐渐受到限制。 生物防治法是利用微生物之间的拮抗作用，使有益菌与某些细菌、病毒发生拮抗，达到杀菌 消毒的目的。其作用缓慢，效果有限，并且有些技术环节还不是很成熟，应用受到限制。但费用 较低，可应用于某些场合中。 物理方法杀灭循环营养液中的病原菌，从2 0 世纪年代开始，无土栽培发达国家已经开始 研究和开发。无土栽培循环营养液物理消毒方法主要就是热处理法、紫外线法、过滤法和臭氧法。 其中，适于实际栽培应用的方法是紫外线、臭氧和加热。一般说，其作用速度较快，不会留下残 余的有害物质。因此，研究开发物理消毒方法使营养渡循环使用，已经成为刻不容缓的研究课题。 1 1 1 国外在营养液消毒方面的研究进展 中国农业大学硕t 学位论文第一章绪论 1 ) 热处理法 加热消毒是第一种用于无土栽培生产的营养液消毒方法，出现于1 9 8 7 年嘲。该方法的产生受 牛奶巴氏灭菌法的启发。荷兰i m a g 研究所的科学家开发了适于营养液消毒的方法。加热消毒的 原理是利用高温使病原菌微生物机体蛋白质变性，从而杀死营养液里的致病微生物川。这是广泛 使用的营养液消毒方法。 加热消毒的具体方法是，将经作物吸收后的多余营养液收集到集液池中，集液池中的营养液 在泵的作用下进入到热交换器( h e a t e x c h a n g e r ) 中并被预热到8 0 左右。在热交换器中，用于预 热营养液的热量来自高温消毒后营养液冷却释放的热量。预热后的营养液送入加热器，并被加热 到消毒温度( 9 0 以上) 。加热器使用的是外部能源，在荷兰一般使用天然气。消毒后的营养液 流回热交换器进行冷却，冷却过程中释放的热能用于预加热新的有待消毒的营养液，如此循环。 冷却后的营养液储存在净液池中( c l e a nw a t e rt a n k ) 嘲。 关于营养液加热的温度有很多研究。试验表明，营养液温度达到9 5 保持1 0 s 即可杀死所有 病菌。为安全起见，一般保持9 5 3 0 s 。w ：1 1 i r u n i a 等人设计了一套营养液灭菌的热处理系统。 该系统将营养液加热到高温( 高于9 0 ) 并滞留一段时间( 大约1 0 s ) ，系统中利用熟交换器进 行余热回收。温室内的试验植物经过鉴定后，烟草花叶病毒得到了完全的控制；此后的实验室与 生产试验得出了同样的结论：要彻底消除镰刀属真菌需要稍微长的滞留时间。 w n r a n i a 等人将原来的设备进行了改进。用加热炉将营养液加热至高温，经过对滞留时间 内的镰刀属真菌和烟草花叶病毒的结论唧。通过实验室内的试验，验证了加热温度为4 8 c 、5 0 和5 2 5 ，且滞留时间分别为5 分钟、2 分钟和3 0 秒钟能杀死线虫。 w t h r u n i a 在以后热处理研究中，设备基本上没有改进，只是通过改变加热温度和滞留时间 达到消除病毒和真菌的效果，找出最低的加热温度和最短的滞留时间达到节约能源的目的( 加热 温度为6 0 。滞留时间为2 分钟) 。 竹内妙子对青枯病菌( p s e u d o m o n a s $ o 缸l l a s e f l y l l l n ) 的实验结果是：完全杀死p s e u d o m o n a s s o & n a s e a r u m 的温度是5 5 c 3 0 m i n 或6 0 5 m i n ，完全防除青枯病需要设定6 0 s m i n 以上的温 度；除病毒之外，多数病原菌在7 0 c 条件下加热几分钟就能死亡i l o l 。 2 ) 紫外线法 波长为2 5 3 7 n m 的紫外线通过光化学反应，可以将微小有机体的结构破坏，从而表现出杀菌 效果【l ”。荷兰农业研究所对两种能杀死植物病原的灯的杀菌效果进行了研究：高压和低压汞灯。 在使用2 8n t i c m2 的紫外线剂量后，高压灯实验使得番茄枯萎病菌分生孢子的感染率降低了粥 ；当剂量为8 4 m j c m2 ，感染率降低9 9 9 。当紫外线剂量分别为1 0 0 n d l o n2 和”7 m j l o n2 时， 烟草花叶病毒的感染率分别降低了9 9 和9 9 9 9 。 低压灯时，剂量为7 0 m c m2 的紫外线就足以杀死甜瓜枯萎病菌分生孢子。1 0 0 m i o n2 的剂 量可使烟草花叶病毒的侵染率降低9 9 ，1 5 0 - 1 7 5m i o n2 的剂量可杀灭9 9 9 的病毒。只要达 到所要求的紫外线剂量，高压灯和低压灯都可用来对循环溶液进行消毒i ”。 3 ) 过滤法 岔 ，三 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 过滤方法主要是依靠阻挡和吸附的作用对营养液进行消毒的。目前，研究较多的是利用沙粒 和陶瓷。 o se a v a n 和r u n i a 等用直径为0 5 1 6 m m 、0 2 - 0 8 m m 和0 1 5 - 0 2 0 m m3 种不同的沙粒。以 及0 1 m h 和0 3 m h 两种营养液流动速度进行了实验，结果表明：疫霉菌( p h y t o p h t h o r a ) 可以用 0 2 - 0 8 r a m 和0 1 5 - 0 。2 0 r a m 的沙粒，在流速为0 。l m p a 时完全过滤掉；但枯萎病菌( f u s a t i u m o x y s p o m ml s p 1 y c o p e r s i c i ) 和烟草花叶病毒( t m v ) 只是被暂时阻挡下来，却不能被过滤掉。3 种病原菌在流速为0 3 m h 时，都可以通过沙粒而不被阻挡。流速和沙粒的大小，不会引起营养液 的物理指标( e c 值，温度) 和化学指标( c o d ，b o d 5 ，n h 4 + , n o ，p h 值，溶氧量) 的变化1 1 3 , 1 4 。 黑田克利等采用陶瓷作为营养液的过滤材料，陶瓷颗粒直径为9 r a m 和5 m m ，其表蕊有许多 直径5 0 1 0 0i tm 的孔隙，通过过滤装置的流量为2 0 l r a i n 。实验结果表明：这些孔隙对病原菌有 吸附性，且能使营养液比较流畅的通过，但对营养成分没有影响。 其他还有用滤膜、活性炭等材料进行过滤的方法。 4 ) 臭氧法 臭氧的杀菌作用是生物氧化过程，臭氧的强氧化作用使微生物细胞中的多种成分产生氧化， 从面产生不可逆变的变化而死亡。但是它也能氧化铁的螯合物，对营养液的成分有一定的影响。 r u ni a ( 19 9 3 a ) 在几次试验中得出结论。在每立方米水中每小时通入1 0g 臭氧足够杀死所有的致病 菌1 1 q 。但是臭氧对人体有危害必须增加必要的安全设备，做好各项防护措施。其成本较高也限制 了使用范围。在荷兰有成型的臭氧机器1 1 7 1 的生产和应用。采用向营养液加入硝酸的方法降低p h 值到4 ，以增加臭氧在营养液中的稳定程度增强杀菌效果。生物检测的效果是：黄瓜花叶病毒 ( c u c u m b e r g r e e n m o t t l e m o s a i c t o b a m o v i r ) 在7 5 r m n s 6 9 0 j h 作用下，完全丧失了侵染能力； 番茄花叶病毒( t o m a t o m o s a i c t o b a m o v i r u s ) 在6 0 1 m s 2 0 9 0 3 h 作用下，完全丧失了侵染能力； 但黄萎病菌菌核( m i c r o s c l e r o t i ad ，v e r t i c i l l i u m ) 2 1 0 r a i n s 2 0 9 0 3 h ，仍然有部分侵染能力。 现在，因为环境问题无法解决，同时由于残余臭氧对植物根系也有影响，臭氧消毒设备在欧 洲不再流行 5 ) 其它 荷兰农业研究所发现加入活性剂可以提高过氧化氢的效用。当活性过氧化氢浓度为 l o o p p m 时，在5 分钟内可以完全杀死番茄枯萎病菌( f u s a r i u mo x y s p o r u m f s p i v c o p e r s i c i ) 的分生孢子，当浓度为l o p p m 时仅能使其感染率降低8 i s l 。 m c p h e t s o ng m 得出：当过氧化氢浓度为4 0 0 p p m 的高剂量时，就可以杀死病毒，但o 3 的 存活线虫仍能感染植物【1 9 l 。而r u m a 却找到一种新的配方，使得过氧化氢在2 0 0 p p m 的浓度、2 a h ， 可以将营养液中的线虫( r a d o p h o l u ss i m i l 缸) 彻底去掉1 2 0 i 。 r u n i a 将黄瓜蔓割病菌( f u s a r i u mo x y s p o r u m f , s p 1 y c o p e r s i c i ) 用0 7 p p m 的碘做实验，4 h 后病 原菌被彻底杀死1 2 “。 1 1 2 国外营养液加热消毒机的现状 3 中国农业大学硕 学位论文第一章绪论 国外营养液及热消毒机中，具有代表性的是荷兰的依据液体流动规律研制而成的营养液循环 加热消毒机e c o s t e r 。该消毒机的工作机理是加热消毒原理，使用电元件进行加热。该消毒机 主要包括加热部分( 电元件) 和热交换器引进的营养液和捧出的营养液反向流动。整个消毒过 程要求在8 5 保持3 分钟。捧出的营养液( 已经消毒过的) 温度为8 6 。引进的营养液温度为 2 0 。从2 0 加热到大约8 1 。因此，流出的营养液从8 6 冷却到大约2 5 。电元件将营养液 从8 1 加热到8 6 。由 于电元件的使用，该机 器运行稳定，无噪音， 故障小，很容易维护。 如图1 - 1 该装置装有 标准的双精度数码温度 指示器：一个用作对口h 值的温度补偿，一个用 来控制消毒温度，同时 在连接排水容器的回流 管道上装有双精度p h 传感器，在加热过程中 随时读取营养液的n h 值，并适时调整，p h 传 感器用p h 值为4 和7 的缓冲溶液进行校准。 该加热消毒机的控 制部分采用专门为该机 设计的微控制器，靠菜 单来驱动，菜单由木板 上带箭头的键来控制。 通过对菜单进行选取， i - i 荷兰加热消毒机e 3 t 隙部分图 可以控制加热温度、营养液出值、加热过程等，而且通过菜单，可以对该机出现的问题进行检 修。 1 1 3 国内在营养液消毒方面的研究进展 国内浙江大学的喻景权教授等阎在1 9 9 3 年的臭氧实验中发现：当通入臭氧后，番茄青枯病 菌和番茄枯萎病菌均随着臭氧处理时间的增加而明显减少，臭氧处理4 5 分钟后青桔病病原菌苗 数降至原有菌数的5 0 左右，9 0 分钟后则起到了完全的杀菌效果；相比之下臭氧对枯萎病病原蘸 的杀菌效果不及青枯病病原菌明显，5 0 菌数死亡所需时间为6 0 分钟，而达到全部孢子死亡所需 时间则为1 2 0 分钟。 国内刘向辉等人对紫外线杀灭营养液中黄瓜枯萎病病菌的实验进行了研究，说明了紫外线对 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 黄瓜枯萎病病原有较好的杀灭效果田i 。 在园艺植物病害的防治中，热处理主要用于带病的种子、茁木、接穗等繁殖材料的热力消毒。 例如：用5 0 的温水浸桃苗1 0 分钟，可以消灭桃黄化病毒。柑橘黄梢病病原可以潜存于接穗和苗 木中，根据华南农业大学试验，带病的柑橘苗木或接穗芽条用4 8 c 5 1 c 的湿热蒸气处理4 5 分钟，能使其成为不带病的植株或繁殖材料。 董保安提到了营养液的灭菌方法有紫外线，超声波杀菌跚。 李国景采用接种拮抗真菌处理n f t 生菜营养液，接种木霉属拮抗菌可减轻病原菌对植株的感 染从而促进植株生长；还发现木霉属拮抗菌有很强的根系共生能力1 z s l 。 王东华以黄瓜枯萎病原菌为实验菌种，进行缓慢加热杀菌与瞬间冲击加热杀菌实验以确定加 热杀菌工艺的实验。缓慢加热杀菌时，加热到6 0 1 2 可达到9 0 的杀菌效果。瞬间冲击加热杀菌时， 6 0 、2 1 0 s 的滞留时间可达到9 0 的杀菌效果，建立了杀菌效率温度时间的效率方程嗍。 1 1 4 国内营养液加热消毒机 国内营养液加热消毒机与荷兰加热消毒机消毒的基本原理大体相似，原理如图1 - 2 。水箱a 中的营养液在泵的作用r 进入装有电加热炉的容器中，利用电加热炉加热预处理营养液，当常温 营养液在加热炉中被加热至 8 6 后，进入滞留器，滞留三分 钟后排入热交换器高温通道：在 热交换器中将余热传给低温通 道中的待处理的营养液。高温通 道中的营养液温度降至常温，并 排放至水箱b 中备用。热交换器 低温通道的冷营养液，被来自高 温营养液的余热加热至高温后 进入加热炉中被加热到要求的 处理温度，然后进行下一轮循 环。 加热消毒机主要由电动泵， 热交换器、加热炉、滞留罐四部 分组成。电动泵为不锈耐高温的 图卜2 加热消毒机循环过程 电动泵，热交换器为板式热交换器，加热炉功率为6 k w ，滞留罐为圆柱体形状，容量为5 0 l 。 该加热消毒机的控制主要由大量的继电器控制。 将国内的加热消毒机与国外的加热消毒机相比较，国外的加热消毒机由专门的微控制器来控 制，控制结构简明，国内加热消毒机采用继电器控制，结构复杂繁琐；国外设备装有p h 传感器 以对营养液的p h 值进行实时控制，并装有温度补偿元件，但国内的加热消毒机缺少了对营养液 的p h 在线检测与实时控制，且没有作为温度补偿用的温度传感器，而营养液的p h 在线检测与 温度补偿又是加热消毒中不可或缺的环节，所以研制适合国内加热消毒机的p h 在线检测技术迫 5 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 在眉睫。 1 2p h 检测在其他领域的应用 p h 在线检测在工业方面有着广泛的应用。现代工业生产中。常常要求在线连续、自动的测 量溶液的酸碱度，以便监督或控制氧化、还原、结晶、生化等等生产过程的正常进行，提高工作 精度和效率。在化纤行业中，纤维成品的自度、粘度是非常重要的质量指标，而这与漂白液的p h 值有着直接的关系将漂白液的p h 值控制在合适的范围中，对漂白质量的控制至关重要 2 7 1 。 在以生产烧碱和聚氯乙烯树脂为主的化工企业中，河南神马氯碱化工股份有限公司在从盐水 制备到淡水回收，从纯水制备到溴化锂机组利用的过程中，都可看到p h 在线分析仪吲。 在盘河油田污水处理中也需要用到p h 在线检测技术，为了合理控制污水的p h 值( 8 0 - - 8 2 ) ， 达到控制腐蚀、结垢双赢的目的，需要用加药点后的p h 值信号进行反馈，根据处理污水量和p h 值实现自动调节药裁的加入量面保持水质稳定、节约药剂成本冽。 在电厂锅炉补给，锅炉给水以及循环冷却水中，通过p h 的在线检测，可及时调节并使p h 值控制在最佳范围内，从而达到减缓锅炉设备腐蚀、结垢的目的【j 。 火电厂炉水p h _ 硫酸盐协调处理自动控制系统，克服了人工机械加药的不足，实现了炉水 p h 值的自动监测m j ，原理框图如图l - 3 。 圈1 3 磷酸盐加药系统的组成 环境污染日趋严重，环保问题越来越突出的摆在了人们的面前，环保行业中的废水处理也日 益引起人们的重视，许多废水处理项目纷纷上马，废水处理过程中经常需要对p h 值进行控制1 3 2 。 目前国内大部分钢厂采用化学法进行废水处理。通过对废水p h 的检测，控制投入酸性或碱 性药剂进行中和，使废水的p h 达到工业捧放标准p j 。 口h 检测不仅在工业方面得到了广泛的应用，而且在生物方面也有一定的应用，在生物反应 过程中，对生物营养液的p h 进行在线连续的检测是操作生物反应器成功的关键 3 4 1 。随着农业的 发展，p h 检测逐渐在现代农业中有了一定的应用。无土栽培中，植物所需营养液的p h 值有一定 要求，一般要求在6 左右，这就决定了在营养液进入灌溉系统之前对营养液的p h 值进行检测p ”。 6 中国农业大学硕士学位论丈第一章绪论 1 3 研究内容及意义 1 3 1 研究内容 1 ) p h 值在线检测硬件部分的设计 选用合适的p h 电极、芯片等器件，为p h 在线实时检测设计合理的硬件电路，并选择合适 的控制器件实现对管路循环的控制，同时设计合理的显示电路以显示p h 值。 采用p m t c l 软件完成电路原理图及p c b 的设计。 2 ) p h 值在线检测软件部分的设计 选择合适的软件平台，结合硬件电路完成对软件的编写，使软件与硬件相结合实现p h 值的 在线检测并实时控制循环管路。 3 ) 采用p v c 管制作营养液p h 在线检测与实时控制循环管路，并设计相关试验，对装置的 性能和实施性进行检测。 1 3 2 研究意义 随着无土栽培面积的不断扩大，因发生病害而造成失败的事例日益增多。在化学药剂杀菌消 毒越来越受到限制的情况下，要进行营养液的循环使用，且要防止根传病害的发生，循环使用前 必须进行非农药的杀菌和消毒。针对我国目前在营养液消毒方面的缺失，借鉴国外营养液加热消 毒设备，对国内加热消毒设备进行完善，完成对加热消毒前营养液的p h 值进行检测，减少加热 过程中的结垢，延长加热消毒设备的使用寿命，解决生产中存在而又必须解决的难题，以提高农 业生产的效率和质量。 7 中国农业大学硕十学位论文 第二章p h 在线榆测部分的硬件设计 第二章l a l - i 在线检测部分的硬件设计 基于各种水质分析的需要， 孙墨杰等人设计研制出便携式 p n 计。用来检测并衡量工业用 水、环境水及生活用水的酸碱度 指标l 蚓。其硬件设计框图如图 2 - 1 。传感部分由d s l 8 b 2 0 温度 传感器和n h 传感器责成，分别 完成温度的测量和酸碱度的测 量。后端的双高阻电路采用 i n a l l 6 芯片，完成阻抗转换， 图2 - 2 是p h 在线检测与实 时控制装置的硬件结构示意图。 鐾竺兰竺兰耋苎：竺竺竺5 2 图2 _ ，以加1 2 为核心的仪器硬件设计框图( 孙墨杰等，2 0 ) 来自营养液的酸度信号经过p n 图2 _ 以加p 1 2 为核心的仪器硬件设计框图( 孙墨杰等，2 0 ) 传感器，经过差分电路进行放大，然后经a d 转换为电压数字信号进入8 9 s 5 2 中，来自温度传感 器的温度值也进入8 9 s 5 2 中，在8 9 s 5 2 单片机中，通过运算函数得出营养液的p h 值，并通过数 码管显示出来。同时，8 9 s 5 2 单片机根据p h 值的大小，完成对电磁阀和酸泵的开关控制。 甲 气型 1 数码驱动电路i l 詈喜篙触觚h 竺竺b 8 9 s 5 2 一型兰竺竺i 度传感器l固 2 1 主要器件的选型 2 1 1p h 传感器 图2 _ 2 硬件结构示意圈 工业用的p n 值在线分析仪主要是连续测量工艺流程中被测介质的氢离子浓度，它的检测原 8 中国农业大学硕十学位论文第二章口h 存线柃测部分的硬件设计 理是：在被测溶液中插入两个不同的电极，其中一个电极是工作电极( 玻璃电极) ，其电位随溶 液中氢离子浓度的改变而改变；另一个电极具有固定点位，成为参比电极( 银一氯化银) 。两个 电极在溶液中构成一个原电池，测量出原电池产生的电势就可得到被测溶液的p h 值现在使用 的p h 值在线分析仪大都采用复合电极，便于安装、容易标定。 复合电极一般是由玻璃电极( 测量电机) 和银一氯化银( 参比电极) 组合在一起的塑壳可充 式复合电极。玻璃电极头部球泡是由特殊配方的玻璃薄膜制成。它仅对氢离子有敏感作用，当它 浸入被测溶液内，则被测溶液中氢离子与电极球泡表面水化层进行离子交换，形成以点位，球泡 内层也有点位存在。因此球泡内外产生一电位差。此电位差随外层氢离子浓度的变化而变化。由 于电极内部的溶液氢离子浓度不变，所以只要测出此电位差就可知被测溶液的p h 值( 3 7 1 。 玻璃电极球泡内通过银一氯化银电极组成半电池，球泡外通过银氯化银参比电极，组成另 一个半电池，两个半电池组成一个完整的化学原电池，其电势仅与被测溶液氢离子浓度有关。 当一对电极形成的电位差等于零时，被测溶液的p h 值即为零电位的p h 值。它与玻璃电极 内溶液有关。 本装置的主要目的就是实现口h 的在线连续检测，所以需要选择合适的工业在线式复合电极， 选择标准有以下几方面： 1 ) 所测介质的性质及状态 本装置主要用于检测营养液的p h ，营养液的性质与状态与水类似，可选择应用于水质检测 或污水处理的工业在线式p h 传感器。 2 ) p h 测量范围和使用温度范围 营养液的p h 值一般在6 左右，装置运行过程中p h 最低值可达到4 左右，鉴于自然水有时 呈现一定的碱性，所以p h 范围至少应包含3 毋区间。装置一般在温室中的使用，因此对p h 传 感器的温度范围无严格要求，肛5 0 c 即可。 3 ) p h 传感器的承受压力 装置中管路压力为3 b a r 左右，因此要求所选p h 传感器承压大于3 b a r 。 根据标准要求及查阅网上相关p h 传感器资料，市面上有两种工业在线式p h 传感器可供选 择：第一种是梅特勒一托利多公司的h a 4 0 5 - d p a 工业在线式电极，另一种是上海任氏电子有限公 司的i p - 6 0 0 - 1 0 工业在线式电极。比较这两种电极，都符合使用要求，且在相关领域都有广泛， h a 4 0 5 - d p a 工业在线式电极市场价格为1 7 0 0 元，i p - 6 0 0 - 1 0 工业在线式电极市场价格为1 2 0 0 元， 梅特勒一托利多属于美国公司，因此到货期限需要一个月，上海 任氏电子公司到货期限一个礼拜，从价格和方便程度考虑，本 试验中选用由上海任氏电子有限公司提供的工业在线型p h 复 合电极( 其结构如图2 - 3 ) ，型号为i p - 6 0 0 - 1 0 ，p h 范围为0 1 4 p h ， 温度范围为0 8 0 c ，压力范围为0 1 0 0 辨i g ( 0 6 9 个大气压) ， 零点位7 0 p h _ + 0 2 p h 所使用的校准液是北京试剂提供的p h 基 准试剂：邻苯二甲酸氢钾，1 支，p n = 4 0 1 _ 4 0 0 2 ： 磷酸盐，2 支，p h = 6 8 6 o 0 2 ；四硼酸钠，1 支，p h = 9 1 8 _ 4 0 0 2 。在2 5 时， 将每支溶于2 5 0 m i , 的蒸馏水中，便得到所需要的校准溶液。 p h 传感器在使用中应尽量避免在高温下工作，还应避免日 9 图2 门复合电极结构图 中圆农业大学硕卜学位论文 第二章口h 在线榆测部分的硬件设计 光直接照射。因为高温和直接照射将使电极斜率发生变化，从而产生测量误差。此外，口h 玻璃 电极的外表面由于浸泡在酸碱溶液中而容易沉积结垢，若不及时清除将会严重影响测量电位的准 确性，可以考虑的清理法有以下几种： 1 ) 手工清理 根据被测溶液的化学成分和溶液温度，每隔一定时间，人工操作清除表面上的沉积物。 2 ) 机械自动清理 由自动控制装置控制的机械清刷机构按给定时间自动清理玻璃电极的外表面。 3 ) 超声波清理装置 超声波清理是一种应用广泛的方法，在p h 探头附近安装一个可以发生超声波的装置，由它 发出超声波对p h 电极进行自动清洗。超声波的强弱通过调节超声波的振荡频率实现。 4 ) 溶液喷射清洗 在电极组件的附近装有清洗喷嘴，根据清洗要求，喷头定期喷水或其他溶液以冲刷或溶解的 方式除去电极上的污染物。 总之，采用超声波清洗和溶液喷射清洗组合的方式对p l i 电极进行清洗，效果更好 使用p h 计进行检测过程中，在发生以下3 种情况时需对其校准：安装投运前或更换电极后 校准；与工艺参数偏差比较达式要进行校准；3 个月或6 个月定期校准。校准方法为：首先配制 所需的标准溶液，如p h 值为4 、7 、9 ，把袋装的标准试剂加到一定量的纯水中，摇匀使之充分 溶解。若被测介质的p h 值小于4 ，则选用p h 值为4 和7 的标准溶液校准，并查表得出该温度下 标准溶液的p h 值，根据该值进行校准。从被测介质中取出电极，用纯水冲洗干净并用滤纸吸干， 放入p h 值为4 的标准溶液中，待显示稳定后，通过变送器上的按键选择自动或手动来校准零点， 取出电极，用纯水冲洗干净再用滤纸吸干，放入p h 值为7 的标准溶液中，通过按键选择p h 值 为7 自动校准点进行校准。用同样的方法可以校准p h 值大于7 的被测溶液，选取p l i 值为7 和9 的两个点校准，校准后，用纯水冲洗干净，放回被测介质的流通管路中。 2 1 2 温度传感器 在p h 的测量过程中温度是重要的影响因素，因此温度的准确测量对提高补偿效率是十分重 要的环节。采用美国达拉斯( d a l l a s ) 公司的单线数字温度传感器d s l 8 b 2 0 数字温度传感器【3 8 】。 与传统的热敏电阻有所不同，d s l 8 b 2 0 可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理， 它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。 d s l 8 b 2 0 是一种可编程的数字温度传感器，其内部主要由3 部分组成：即“位r o m ；温度 传感器；温度报警触发器t h 和t l ，此外，还有存储器控制逻辑电路等。d s l 8 8 2 0 中包含有5 条r o m 命令和6 条随机存储器操作命令。通过这些命令对1 8 b 2 0 进行操作。主机必须先通过数 据口给d s l 8 b 2 0 发r o m 命令，然后发6 个存储器命令中的1 条命令去控制d s l 8 b 2 0 的工作状态， 完成温度的转换和数据的输出。 d s i s b 2 0 具有以下特点： 采用单线技术，与单片机通信只需一个引脚： 通过识别芯片各自惟一的产品序列号从而实现单线多挂接，简化了分布式温度检测的应 中国农业大学硕t 学位论文第二章口h 在线柃测部分的硬件设计 用； 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温； 可通过数据线供电，电压范围为3 - - 3 5 v ： 不需备份电源； 测量范围为5 5 + 1 2 5 ，在1 0 一+ 8 5 范围内误差为n 5 ； 数字温度计的分辨率用户可以从9 位到1 2 位选择，可配置实现9 1 2 位的温度读数； 将1 2 位的温度值转换为数字量所需时间不超过 7 5 0 m s ： 用户定义的、非易失性的温度告警设置，用户可自行 设定告警的上下限温度； 告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设告 警界限的器件。 d s l 8 b 2 0 的外形如一只三极管，外部引脚图如图，引脚名 称及作用如图2 4 。 g n d ：接地端。 g n u g v d d 围2 - 4d s l 8 6 2 0 外部引脚圈 d q ：数据输入输出端，与t t l 电平兼容。 v d d ：可接电源，也可接地。因为每只d s l 8 b 2 0 都可以设置成两种供电方式，即数据总线 供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式时v d d 接地，可以节省一根传输线，但完成 温度测量的时间较长；采取外部供电方式则v d d 接5 v ，多用一根导线，但测量速度较快。 d s l 8 b 2 0 在完成任何操作之前，必须先由主机对其进行初始化，只有当d s l 8 b 2 0 应答准备好 后，主机才可发操作命令。主机通过采用严格的时序信号按位发出读写d s l 8 b 2 0 的命令和数据。 2 1 3a t 8 9 s 5 2 单片机 本系统选用的单片机是a t 8 9 s 5 2 。a t 8 9 s 5 2 是a t m e l 公司的一款8 9 系列单片机，它与i n t e l 公司m c , s - 5 1 系列的8 0 c 5 1 型号的单片机再芯片结构和功能上基本相同，外部引脚完全相同。主 要不同在于前者有快速擦写存储器，图2 - 5 是a t 8 9 s 5 2 的基本功能框图。可见其主要集成有c p u 、 存储器、可编程i o 口、定时，计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。8 9 系列c p u 是一 个字长为8 位的中央处理单元，内部数据存储器( 内部r a m ) 为3 8 4 个字节，内部程序存储器 为8 k b 快速擦写( h a s h ) 存储器用于存放程序、原始数据等，有三个定时，计数器，4 个8 位的 i o 口，可以实现数据的并行输入输出，有一个全双工的可编程串行口已实现于其它设备的串行 数据传送，具有内部时钟电路，只需外接晶振和微调电容，共有6 个中断源，2 个外部中断肌d 和i n t l ，4 个内部中断即3 个定时，计数中断，一个串行中断。a t 8 9 s 5 2 只需要单一+ 5 v 直流电 源供电 本系统占用数据存储空间较少。而且所选的单片机内部数据存储器较大，足够系统运行使用， 因此没有必要外扩存储器。 中国农业大学硕十学位论文 第二章p h 存线柃洲部分的硬件设计 2 1 4 加5 7 4 模数转换芯片 围2 5 t 8 9 s 5 2 基本功能框图 a d 5 7 4 系列a d 转换器是目前广泛使用的一种高性能的1 2 位逐次逼近式a d 转换器。其片 内有三态输出缓冲电路，可直接与计算机总线相连接( 如图2 - 6 ) l 为1 2 位逐次逼近a d c ，可选 择工作于1 2 位，也可选择工作于8 位；1 2 位数据可以一次读出，也可以分2 次读出，便于与8 位或1 6 位数据总线相连；内部具有时钟产生电路；通过改变外部接线，输入模拟量可以为双极 性，也可以为单极性，单极性输入时输出数字量为原码，双极性输入时输出数字量为偏移二进制 码。 1 ) d 5 7 4 引脚介绍 d 踟一d b l l ：1 2 位数据输出脚。 s t s ：转换状态指示信号。s t s = i 时，表示正处于装换状态，s 1 s = 0 时，表示a 仍转换完毕， 因此该信号可供计算机作为终端或者查询信号用。 r e f o u t ：输出+ 1 0 v 基准电压 r e f i n ：基准电压输入端，只有将r e f o u t 的电压接入此脚，才能进行正常的a d 抓换。 c s ：芯片选择信号，当c s = 0 时，选中该芯片。 c e 、l l c ；输入控制信号，控制转换器的操作。当c e 和c s 同时有效，r ，c 为1 ( 高) 时， 表示进行读数据操作；c 为0 ( 低) 时，表示进行模数转换。 a o 寄存器控制输入信号，用来控制转换长度及输出数据的格式。a 0 通常连到系统地址总线 的最低位。启