酸堿中和是各類化工過程普遍存在的化學反應。反應中，pH值的變化通常呈嚴重非線性和時滯特性；加上不同生產工藝過程對pH值的要求各不相同，要取得理想控制比較困難。傳統采用的由單元組合儀表構成的pH值控制系統，其設計復雜、成本高且通用性差。國外于90年代開始研究用專家系統實現pH控制，已取得較好效果。專家系統智能pH測控儀在化工、環保等行業中推廣應用，并取得良好效果。本文為大家介紹了智能pH測控儀原理結構及其應用。

一、智能pH測控儀控制原理
1、酸堿中和特性
酸堿中和特性曲線兩端的變化緩慢，即隨酸(或堿)的加入其pH值變化很??；而在中和點附近靈敏度很高，這時少量酸(或堿)的加入都會使pH值顯著變化。此外，這些反應通常在一些大容器里進行，從中和劑加入到溶液pH值的變化要經過較長時間；如果因檢測不到pH值的變化而一味增加中和劑，很容易造成pH值超調。以上兩點，使傳統的pH控制系統很難取得理想效果。

2、專家智能pH控制儀
專家智能pH控制儀的基本特點是根據系統運行的不同工況與特點，分別采取不同的控制模式，以獲取最佳的控制效果。對于酸堿中和過程，可分成三種情況如下。

其一是pH值變化較平緩的階段。該階段需加入較多中和劑才能使pH值上升(或下降)，因而應根據化學反應規律計算中和劑的需要量并一次性投入，使pH值迅速接近目標值。設N1、N2分別表示中和劑與被中和溶液的濃度，L1、L2分別表示兩者體積，則由當量定律不難求得
　　　　　　　　　L1=L2．N2/N1
然而實際檢測到的是兩者的pH值而非濃度，還需轉換。設N1為堿性，N2為酸性，pH1、pH2分別為它們的pH值，則由酸堿定義得
　　　　　　　　　N1=〔OH-〕=10-(14-pH1)
　　　　　　　　　N2=〔H+〕=10-pH2
第二階段取pH值變化較快的階段。Kv、Kc、Kp、Kd分別表示溶液體積大小、攪拌作用強弱、pH變化斜率大小、中和劑單位時間的流量系數；ΔpH為pH檢測值與目標值之差；a為限速因子。采取限速的目的是避免因pH變化的時滯而造成中和劑的過量加入。

第三階段該段pH值隨中和劑的加入而迅速變化。另一方面，pH電極在pH值變化越小時其響應時間越長，因而尤需謹慎控制。為此采用間隙控制模式，即每添加一次中和劑后，等待一段時間再進行下一次檢測控制。間隔時間T的長短，同樣與溶液多少、攪拌作用強弱等因素有關?！　?br />
除上述因素外，控制模式還與生產工藝對pH值的控制要求有關。有些化工過程(如煙堿提煉和工業廢水處理)要求pH值達到某一目標值即可。有些過程(如肥皂生產中的皂化過程)則要求pH值按某一時間規律變化。還有一些過程(如炸藥生產)甚至要求酸、堿嚴格按一定比例送入反應塔進行反應。針對不同控制要求，上述控制模式及其參數的選擇也不相同。

“化學反應”指出系統所進行的化學反應性質和參與反應的酸堿化學成份等；“控制指標”反映要求控制的類型、精度和目標值等；“系統工況”則反映系統容積、攪拌、加料等基本運行參數?；瘜W反應、控制指標和系統工況，從知識庫查取相應的數據資料并進行綜合、分析、推理，再從知識庫搜索相應的控制模式和控制參數，確定“控制輸出”。

3、知識庫
在專家智能控制系統中，知識庫顯然起著重要的作用。本儀器的知識庫中包含化學庫、系統信息庫、控制模式庫、控制參數庫、動態分析庫、故障庫等6個子庫。其中，化學庫裝載基本化學反應關系、常用的中和特性曲線以及當量計算等與pH控制有關的化學知識。這些知識可以是軟件編入，也可以根據控制需要通過人機界面進行輸入或修改。系統信息庫反映系統的物理特性(如反應罐容積系數、基本流量公式等)，這些數據與系統工況相結合，即可算出溶液體積、中和劑加入量等，為控制計算提供依據?？刂颇Ｊ綆煅b載著各種控制模式，供推理機選取?？刂茀祹焓且幌盗袇当?，每一個參數的選取都與化學特性、控制要求和系統狀態有關。這些表既有分析計算結果，也有通過試驗取得的經驗數據，它們是實現理想控制效果的重要因素之一。動態分析庫存放檢測結果和推理機的中間分析計算結果，其內容隨系統運行而不斷變化。故障庫則裝載著各種可能出現的特殊情況的分析與排除方法。

知識庫是專家系統的核心。除知識內容外，知識的表達方式也很重要。本文采用產生式規則描述知識，其特點是每個規則都是一個獨立的知識塊，因此易于建立和修改；而且每個規則的形式一致，與專家經驗的表述方式相同，易于表達和理解。其基本形式為
　　if condition-1 and condition-2 …… and condition-n then result
例：設反應是NaOH中和C10H14N2、要求定值控制、pH的目標值是10.5、當前值是4.5，由化學庫已查知處于過渡階段，從而應對NaOH的加入量采用限速比例控制。然后根據其他規則確定控制參數Kv、Kc、Kp、Kd和限速因子a等，最后確定出控制輸出。

二、智能pH測控儀儀表結構
來自傳感器的信號經處理轉換后通過光電隔離輸入計算機。計算機內部的專家系統經分析推理形成控制輸出，再經光電隔離、功率驅動后，帶動電磁閥、計量泵等執行器實現各種控制。

信號處理轉換單元由高阻放大、溫度補償、配套標定、A/D轉換等電路組成，最多可接8路傳感器，以適應多數化工過程的控制要求。光電隔離單元既起抗干擾作用，也保護了計算機。人機界面提供并顯示各種檢測與控制數據，還可操作知識庫，進行知識庫數據的輸入與修改。輸出驅動單元主要由可控硅及其觸發電路組成，以輸出按時間比例調制的功率控制信號，直接帶動電磁閥等執行器，省卻外部驅動電路。使用時，只要將傳感器與執行器連接好，通過面板對化學反應、控制指標和系統基本參量進行選擇、輸入和設定，即可投入運行。

三、智能pH測控儀 應用
曾對煙堿生產過程中的煙堿游離反應過程的pH控制進行了應用試驗。流程為：經發酵、蒸發、冷凝的煙葉水溶液進入游離反應釜后，加入NaOH將煙堿從煙葉水溶液中游離出來。按工藝要求，游離過程需在pH值等于10.5±0.2、溫度為60℃的情況下進行，才能取得高純度煙堿。該游離過程實即酸堿中和反應。由于反應過程會消耗NaOH，要必求補充NaOH以保持pH值符合工藝要求；反應釜直徑2.5m、長7m，具有嚴重的響應滯后與非線性特性；加上pH值的控制精度要求高且不允許超調，采用傳統的控制方法顯得無能為力。
　　
智能pH測控儀通過兩次初步運行建立經驗數據，并將所得經驗數據輸入知識庫，然后對反應過程實施正式控制?？刂平Y果表明，系統能根據不同反應階段自動搜索不同的控制模式與參數，整個控制過程不僅沒有發生超調現象，而且反應速度快，控制精度高(最終誤差在±0.2pH以內)，達到良好的控制效果。

基于專家系統的智能控制技術，在解決具有嚴重非線性與時滯特性的復雜化學過程控制方面，顯示出極大的優越性和寬廣的應用前景。這里介紹的智能pH測控儀，在化工過程與廢水處理的pH值控制的實際應用中，已取得初步成效。但也存在不完善之處，主要是知識庫還有待進一步完善和充實，以適應更多、更復雜的化學過程控制的要求。

閱讀本文的用戶還對以下文章感興趣：
測控儀器儀表產業信息化未來發展趨勢
在線PH計控制器校正故障診斷
PH自動調節加藥系統的工作原理是什么