pH值控制中的问题排除

在过去5年中，专家帮助挽救了50多个pH控制系统，因而有足够的理由告诉你这一点。大多数人其实并不知道，一提到氢离子浓度就会让人感到紧张。

为什么这会成为一个问题？

为什么pH值控制会成为问题？毕竟，这只不过是从0到14的数值的简单测量。测量电极已经出现很长时间，人们对也足够了解，应用上也不困难。现在，仪器供应商们已经对pH仪各种可能的应用都了然于心。

真实的世界

有一些其它因素增加了pH控制的难度，包括润湿电极的要求——电位持续不断地泄漏并受到流体冲击，还需要长期混合大量工艺材料与少量试剂。即使对测量与控制概念有基本了解，这些真实世界中的影响也会给pH增添了新的神秘元素。

选择合适的数字化pH控制器

pH面板控制器尺寸较小，安装简单，将所有pH电极容纳于BNC连接器。当使用1000欧姆铂热电阻时，温度补偿可手动也可自动进行。

适用于pH / ORP的多参数输入变送器这些装置提供一个单通道接口来传输大量不同的参数，包括流量、pH/ORP、电导率/电阻率、盐度和温度。

一些典型问题

说不上有什么典型的pH控制难题。那些易于安装的系统是不会惊动InTech所称的来自Central Engineering的抢险队员。不过，下面将要详细介绍的一些设施则是在实际当中遇到的一些典型实例，反映出不少预期的问题。

水池在哪儿？

一个涉及强酸性废液流的应用，需要用强碱性试剂中和。它之所以被提交过来，是因为尽管尝试过努力优化控制器、手动操作试剂以及调节进水流量等种种措施，其pH值仍从0到14大幅振荡。到达工厂时，环顾了一下整个区域，没有看到任何水池。这可就有大问题了。

原来的pH控制系统使用比例控制器将试剂分配到在线混合器上游的酸性废液中（图1a）。一个单独的pH控制器被用于污水池的回路中。系统设计者不清楚流量测量误差和流量控制阀滞后必须小于0.00005%，才能将pH值保持在1到7的设定值范围内。设计者假定扰动非常小，因为废液成分的变化很慢，并且其流量是由控制器限定的。设计团队并不知道上述#1事实。

一个含有强酸和强碱的系统通常需要采用三级控制来将溶液pH值保持在1到7的范围内。由于考虑到成本这一主要因素，保留了现有的混合器和污水池作为一级控制，并增加了额外的两个下游充分混合式垂直水池，分别作为二级和三级控制。并且决定除非确有必要，不在第三级控制阶段安装控制器。因此，第三级容量就充当了第二级波动的过滤器。

在第一级控制阶段，用快速内联pH回路替代了比例流量控制系统。从污水池上的第二级pH控制器接收远程设定值。快速内联回路将启动校正，并依据污水池的容积来平均任何氢离子浓度偏差。使用线性控制系统进行的分析预测这一组合与独立的充分混合式垂直水池同样有效，然而它并未奏效。动态模拟则表明，对于所有的控制器设置，内联环路均在0到14的范围内振荡。工厂试验结果证实了这一点。

起初，猜测污水池由于某些原因未能提供预期的过滤功能。然后想到了#2事实：过滤器依据的是氢离子浓度，而非pH值。污水池中的浓度振荡幅度衰减了100倍，但这对pH值的影响只有2个单位。通过减小混合器、控制阀和电极之间的距离可减小衰减，从而使振荡更快。

第二级控制阶段以凹口增益pH控制器的形式进行输出，该控制器提供与模拟信号成比例的脉冲频率。控制器输出为25%以上时，阀门节流正常；低于25%时，使用脉冲频率或间隔控制扩大阀门可调范围。

图1b显示升级后的设施。该系统可使pH值在第三级控制阶段出口处位于预期偏移区域内。然而，污水池控制器的调整很困难，从启动或污水流量控制器设定值会发生缓慢的变化。

图1：水池在哪里？最初未配置混合池的某连续中和过程
（a）为不成功的pH控制系统
（b）为成功的pH控制系统

如果现在重新设计这个系统，会在污水池上安装前馈回路，并在第三级控制阶段安装控制装置。还将描述前馈和反馈信号，包括使用滴定曲线从pH值测量值确定试剂需求量，并采用该结果来编制控制命令。这将降低非线性、恢复时间、灵敏度和调整方面的困难。基于微处理器的控制器可以提供所需的计算精度和易实现性。

与任何新的系统一样，启动阶段都会存在磨合问题。某些问题具有共同性，如接线错位和定位器校准错误。

举例来说，在高pH值的情况下，随着强碱性试剂流量的增加，测量值却出现下降！你可以想象，这让简直都要疯了——包括控制系统。内联回路中的测量电极并非采用耐高pH值玻璃定制，这就造成了困难。这通常会导致读取的pH值测量值较刻度线上端低约1个单位。在实际案例中，它出现了相反的作用。供应商确认了这一情况，并转换了低钠离子误差装置电极进行补救。

另一个神秘的影响是，混合池内的电极反应变得不稳定。浸没组件终端内发现有水。供应商介绍，如果购买一个成本比现有价格高一倍的装配，就不会发生泄漏。但这样做，却并没有见效。然后，如果购买一个新开发的组件，价格是原来的四倍，那样泄漏肯定会停止。为了不再犯同样的错误，于是四下去淘，结果找到了一种带塑料整体防护的一次性电极组件，价格仅为原来的一半！真是太棒了。来自不同厂商的浸没组件的一次类似经历让我们认识了#3事实。

阀门在哪儿？

另一个应用要求以少量高度浓缩粘性试剂对废液流进行连续中和。控制系统的速度过于滞后，还来不及让任何纠正措施生效，扰动就已从工厂穿堂而过了。此外，pH 趋势记录出现的噪音频带远远超过了允许的设定值偏移。观察系统时, 站在管道搅拌机入口附近的注入点,扫描四周, 并没有看到一个试剂控制阀。这让人马上又意识到了一个大问题。图2a显示了发现结果。

不包括图中的pH回路，你能注意到一个pH控制问题吗？污水池水位控制器将流量设置在上出口支路上。该阀通过混合器流量控制器同时在下支路中操纵，以保持污水池中的流量恒定。该系统明显控制过度。通过将水位控制器输出级联到流控制器设定值来解决这个问题。

现在来看看pH回路。该试剂通过容积式计量泵送入管道。泵距混合器大约300英尺远。当泵运转时，这样的距离引发了一个延迟，因为工艺流体会被回注到注入管中，并在使用任何试剂之前都必须被挤出管道。并不需要太多复杂的数学计算就能知道，当速度为1加仑/小时时，推动一加仑流量通过管道耗时一小时。这就引出了事实#4：当泵速发生变化时，也遇到过延迟，但其原因从来都不是孤立的。如果有的话，可以把它归于气泡。答案可能类似于番茄酱瓶，与粘性流体的低流量有关。

接着，用一个紧密耦合控制阀替代远程计量泵，这让延迟和噪声频带减少了一个数量级。该阀是利用无线pH控制器根据污水池排放流量来控制试剂流量的，并由内联pH回路来校正比例。

由于注入的试剂在管道中分布不均匀，仍存在一些噪声。这是不可能消除的，因为这必须使注入口变小以便增加试剂速度。然而，一个对于这项工作来说足够小的洞想要阻止堵塞就显得太小了。噪声更多只是在趋势图上造成了不便，而非对于系统自身，所以通过电子滤波器对测量信号加以过滤，使记录得到了整理。

就在以为问题已得到了最终解决时，另一个怪异现象又露出了狰狞面目。当微型试剂阀由关闭到开启时，试剂流量测量值自发增大然后又变为零了。电磁流量计是直接怀疑对象，但显得毫无异常；检查线路之后，发现它存在问题。供应商检查并确认电子器件完好无损；测试水表，发现它也反应正常。最后试图改变阀内件，但多次试验得出了相同的结论。

那些小而昂贵的阀内件究竟有什么用？正在绞尽脑汁的时候，突然在阀内件上发现了一个看起来像是倒锥体的东西。因为零件很小，很不容易确定，但要借助千分尺才能证实这一点。计算栓子的外形以获得其线性特征，并画出草图，终于发现了问题所在。

阀门与自制阀内件配合得天衣无缝。反锥体使流量随行程增大而减小。冲程开始时的瞬时浪涌流入，是由于栓子从阀座上抬起所提供足够大的环形间隙而引起的。反锥体最初是如何出现的呢？一直没找出原因，但很确定这些阀内件太小，不符合标准规格，是由供应商根据订单专门生产的。它们十分特殊了。你或许能想象，如果没有试剂流量计，要想诊断出这个阀门问题该有多么困难。这便是#5事实。

后来，当设计工程师当中的一位决定修改系统并恢复某些面板空间时，又出现了一个仪器问题。他决定安装前馈控制器，以代替比例操作器和基于pH的流量控制器。该装置在来自pH控制器的流量指令上增加了一个流量前馈信号。卖主也想推销一个前馈元件，认为这是个好主意。正如您可能已经猜到的，在操作中，流量控制器调整其输出以抵消前馈信号的影响，并将流量维持在其设定值。要按预期的方式工作，前馈动作必须位于流量控制器设定值，乘以pH控制器输出而非与之相加。如果出现零工艺流体流量，或者流体处于设定值时，则乘法运算可迫使试剂流量为零。另外，由于你在此进行控制，乘法运算消除了合成回路增益，一个与污水流量成反比的参数项。#6事实就此浮出水面。

所有这些更正都反映在上面的图2b中。如图所示，该系统自启动以来一直控制良好。

搅拌器在哪里

这是一个将立式池应用到中和过程的工艺。由于反应很慢，且废水不能有效混合，因而它表现不佳。查看了图纸，可以注意到相对于其直径来说垂直单元实在是太高了，大约50英尺。

图3a显示了最初是如何控制pH值的。通过一些轴向搅拌，可能已经解决了这些困难，但从经济角度来看是做不到的，因为池子太高了。采用较低的池子可能会解决这一问题，可价格还是比工厂打算支付的更高。处理池子的最好方法是将其容量按过滤器考虑，推断它会使一个内联回路的氢离子浓度振荡幅度降低10000倍，相当于4个pH值单位。于是安装了一台循环泵，作为停机时间少的内联混合器。在新的抽吸口加入进水和试剂，并在泵排除口上安装喷射器探头。新系统如图3b所示。

图3：搅拌器在哪里？（a）-不成功的和（b）-成功的pH控制系统的过程，应用于不带搅拌器的极高搅拌池的过程

目前仍存在问题，主要原因是进水的快速开启特性和旋塞阀定位器大幅度滞后现象。然而，内联pH控制器回路在扰动后很快能恢复到设定值。此外，流经池子容积后，pH值出现了从未见过的最直的线条；有那么一刻，甚至让人以为是有人把指针绑住了！性能如此之高，工厂提出应该始终将这一型号定为标准化的pH控制系统。然而，这一系统的设定值比中性区要低出不少的pH值单位，在滴定曲线上一个相当平的位置。而在曲线的陡峭部分，#2事实会占上风，会出现大量的振荡。

电极在哪儿？

图4a所示的pH控制系统的故障。这个简单的配置应该已经失效，它的设定值周围存在一条异常宽的控制带，因此备受困扰。如果检查了容器的出口喷嘴，却无法找到pH电极，这一定存在大问题。在这种情况下，困难的根源在于企业内部政治。负责该仪器的维修部门规定，电极应放在分析仪室内，以避免在冬季期间不得不为它们提供外部服务。不幸的是，这个区域将在回路中产生大量的停机时间。为避免在未来出现这个问题，理所当然应指明这一事实。

图4：电极在哪儿？应用于电极不得不安装在不方便位置的流程（a）不成功的pH控制系统，（b）成功的pH控制系统

由于存在极大的安全隐患和伴随着大幅度pH值变化而带来的质量控制问题需要移动电极。图4b表明的变化，将控制带最小化到0.1个pH值单位。

在这个应用中选择了电极。经验表明，这些提供了比样品室电极夹更高的性能和更低的维护需求。当电极位于高流速的排放喷嘴管道中时，这些好处尤其明显，因为通过减少边界层厚度并防止电极被射流中的杂质覆盖，高流速保证了迅速反应。

与样品室元件相比，喷射电极似乎不太容易泄漏。在检查来自某个制造商的30个喷射设备上的装置时，并未发现泄漏的发生；公平地讲，接收其它来源的产品时，发现过一些泄漏现象。然而，基本上每一个样品室电极夹最终都会发生泄漏。此外，与样品室不同，喷射器组件可以看到泄漏。对于危险性液体，当你打开电极夹的顶盖时，你可不想出现任何恼人的意外。这使人认识了#8事实。

池体尺寸重要吗？

一家工厂使用图5a所描述的系统作废液中和工艺用。图中所示的喷射器由于停止工作时间太长而受到质疑。但即使有了这种装置，停止工作时间仍然超过40分钟。pH回路随后的自然周期为160分钟，这意味着每分钟的最大复位次数应该少于0.01次。由于这低于控制器的最低设置，回路采用连续复位循环。此外，与停止工作时间平方成正比的综合误差，这正是出路所在。盯着工艺流程图，发现了从未见过的最大的存储池。通过向工艺工程师询问中和池的位置，他所指的正是刚才以为是存储池的那个庞然大物。毫无疑问这儿存在大问题。

图5：大一点会更好吗？应用于最初混合的极大的池体（a）不成功的pH控制系统，（b）成功的pH控制系统。

采用大型池体是可行的。它可用于混合来自多种来源的酸性和碱性废液，并最大限度地减少试剂用量。在不需要添加控制回路的前提下，大型池体就很有用。如果定位于控制回路的上游，大型池体可以过滤扰动并减少试剂需求。定位于下游时，它可以过滤回路振荡，这十分有益，因为这些波动通常快于进水浓度的变化。因此，它们能更有效地起到缓和的作用。这便是#9事实无疑了。

新控制系统如图5b所示。大型池体转换为两个依次布置的较小池体。脉冲频率控制器的应用是为了避免在低试剂流量时出现阀体堵塞，并满足适应进水量和pH值宽幅变化的大幅度可调范围。为了抵消滴定曲线在设定点的陡峭斜率，采用了信号特征。

没有挑战，也就没有乐趣。在这个案例中，观察到第一个池体内的pH测量值变化无常。移动电极，将其直接插入缓冲溶液或连接到位于第二个池体的测量系统时，问题就不再出现了。单独更换pH变送器、前置放大器、电缆和电极，但测量值飘忽不定的情况继续出现。最终，有人想起来，现场维修部已经将前置放大器的玻璃纤维外壳更换为金属外壳。外壳安装板接地，从而在电路中产生了第二个接地点，造成大电流流过电路。问题未出现在第二个池体，这是由于前置放大器外壳并未安装在导体结构上。同样，由于瓶体是塑料材质的，因而在缓冲过程中未观察到怪异行为。用塑料安装板将放大器外壳与地面隔离，从而解决了这个问题。

除电极在溢流管线处时而发生脏污现象之外，控制系统自启动以来一直表现良好。液压头太低，无法达到足够快的速度来清洁电极。一个具有较大扁平电极表面的新电极夹将接受测试。如果它不能工作，可能不得不弄到足够的资金来安装一台取样泵和一个喷射器电极组件。