專利名稱：一種精確控制水中溶解氧含量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及溶解氧含量控制技術(shù)，具體為一種可精確控制水中溶解氧含 量的裝置。
背景技術(shù)：
在化工、食品、制藥領(lǐng)域以及實驗室中，反應(yīng)溶液中溶解氧的含量往往是影 響生產(chǎn)工藝或?qū)嶒灲Y(jié)果的一個重要參數(shù)，所以經(jīng)常要求嚴格控制該參數(shù)在某一設(shè) 定值附近。而氣體的溶解以及排除是一個比較滯后的過程，需要較長的時間來達 到平衡，并且正向控制過程和反向控制過程也不均衡，這些都給精確控制溶解氧
含量帶來了很大困難。常規(guī)的PID控制算法所能獲得的控審傚果不夠理想，難以
滿足嚴格的控制精度要求。

實用新型內(nèi)容
本實用新型目的在于提供一種精確控制水中溶解氧含量的裝置，解決被控系 統(tǒng)滯后性及正反向控制過程不均衡性等問題。
本實用新型的技術(shù)方案如下
一種精確控制水中溶解氧含量的裝置，該裝置包括排氣裝置、儲水容器、溶 解氧傳感器、變送器、混合泵、 一號電磁閥、二號電磁閥、數(shù)據(jù)采集模塊、可編 程控制器、信號輸出模塊，各部分之間連接關(guān)系如下儲水容器頂部的排氣口處 連接排氣裝置，儲水容器底部的進氣口分成兩路分別連接一號電磁閥和二號電磁 閥，儲水容器底部還有一出水口連接混合泵；混合泵的出水口分成兩路， 一路直
接流回到儲水容器中，還有一路上裝有溶解氧傳感器；溶解氧傳感器的信號接到
變送器上，變送器的模擬信號再接到數(shù)據(jù)采集模塊的模擬信號輸入通道中，數(shù)據(jù) 采集模塊的輸出端連至可編程控制器，可編程控制器的輸出端通過信號輸出模塊
連至一號電磁閥或二號電磁閥上。
所述的精確控制水中溶解氧含量的裝置，可編程控制器通過以太網(wǎng)口與計算:
機相連。本實用新型的有益鄉(xiāng)是
1、 本實用新M^用溶解氧傳S^測水中氧含量，傳感器的信號經(jīng)過變送 ^^成4"20mA電流信號，該信號Miyg采纖^^穀何編^^制器中，可 編程控制器根據(jù)實際的溶解氧值和設(shè)定的溶解氧值，按照一定的算法計算出 一20mA控制信號，信彌出模塊鵬制信號傳趙吡例電磁閥上。當(dāng)實際溶解 氧值低于設(shè)定值，正向控制開始，控制信號將被傳憩IJ一號電磁閥上，此時該閥 根據(jù)控制信號大小調(diào)節(jié)閥的開度使氧氮混^體MA7jC中，溶解氧^*開始上升; 當(dāng)實l^^解氧值高于設(shè)定值，反向控制開始，控制信號將被傳凝i仁號電磁閥上， 此時該閥根據(jù)控制信號大小調(diào)節(jié)閥的開度使氮氣MA7K中,溶解氧錢開始下降。
2、 本實用新型的可編，制器中所采用的算法限定控制信號的輸出范圍， 并且合理調(diào)節(jié)其通斷的時間比例，可以有效地解決 系統(tǒng)的滯后',正反向控 制過程不均衡性。
3、 本實用新型鵬制信號通過信號輸出模^f專送到比例電磁閥上，調(diào)節(jié)閥 的開度以控制MA氣體的種類和流量，使溶解氧傳S^可及時、準(zhǔn)確地探測出水 中溶解氧的賴?？刂扑腥芙庋鹾繒r，正向控帝MA氧氮混^H體，采用氧 氮混^體增加溶解氧含量，較與4^用氧氣，可蹈爰溶解氧含量的上fHi^， 更容易精確控制溶解氧含量；反向控制i!A氮氣，可將其中的部分氧氣排出。

圖1為本實用新型 ^控制裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖中，1排氣體；2儲水容器；3溶解氧傳繊；4變送器；5流量計；6 混合泵；7—號電磁閥；8二號電磁閥；9娜采,塊；10可編離制器；11 計靴；12信號輸出模塊。
圖2為本實用新型的控制結(jié)果與常規(guī)PID算法的控制結(jié)顆比。
圖3為本實用新型溶解氧控制e^框圖。
如圖1所示，本實用新型旨控制 結(jié)構(gòu)主要包括排氣,1、儲水容
器2、溶解氧傳自3、變送器4、流量計5、混合泵6、一號電磁閥7、 二號電 磁閥8、數(shù)據(jù)采^t莫塊9、可編MS制器10、計算機11、信號輸出模塊12，各 部分之間連接關(guān)系如下儲水容器2頂部的排氣口鵬^f氣裝置1，儲7K容器 2底部的進氣口分成兩路分別連接一號電磁閥7和二號電磁閥8，儲7K容器2底部還有一出水口連接混^6;混M6的出水口分成兩路， 一路直接流回到儲
水容器2中，還有一路J^W流^i十5和溶解氧傳,3;溶解氧傳,3的輸 出^iS^t器4;變送器4 ,號^^成4"20mA電流信號輸出至數(shù)據(jù)采^
塊9; tyg采^^塊9^i/^i接至可編^^制器10;可編^S制器10將計
算出的控制信號艦信號輸出模塊12傳送至一 號電磁閥7或二號電磁閥8上； 可編^S制器10可il31以太網(wǎng)口與計^m 11進ffiil訊。
本實用新型中，所細的可編離制器為美國M公司生產(chǎn)的難2100控制器， 該控制器帶有一個串行接口和一個以太網(wǎng)接口，內(nèi)置64MB非易失性存儲器和 64MB隨機存儲器。
本實用新型中，所采用的,采^塊為美國M公司生產(chǎn)的8通直、16位 精度命扁O輸入模塊。
本實用新型中，所采用的信號輸出模塊為美國M公司生產(chǎn)的8通道、12位 精度c^AO200輸出模塊。
本實用新型中，所采用的開發(fā)軟件為美國M公司開發(fā)的M開發(fā)者套件簡體 中文版。
本實用新型中，軟件所涉及的函iti^W普通的PID函數(shù)、信號轉(zhuǎn)換函數(shù)、 延時函數(shù)，其中PID函數(shù)可根據(jù)實際值、設(shè)定值以及比例系數(shù)計算出初始控制信 號，并將信號限定在指定的范圍內(nèi)；信號轉(zhuǎn)換函數(shù)將百分數(shù)控制信號轉(zhuǎn)換為 4-20mA電流信號；延時函數(shù)可將輸出信號保持在一定時間內(nèi)不變。
本實用新艦用溶解氧傳麟3婦K循環(huán)的魏上實,測水中的溶解氧含 量，探測信號紐變送器4整合成4-20mA電流信號，該電流信號M:娜采集 模塊9 M^集到可編離制器10中?？删庪x制器10根據(jù)實際的溶解氧值和設(shè) 定值，按照一定的算法計算出4"20mA控制信號，i^S制信號通過信號輸出模塊 12傳送至湘應(yīng)的比例電磁閥上；
為解決 系統(tǒng)滯后性問題，可編,制器按照設(shè)定的算對ffi制信號在傳 送至湘應(yīng)的電磁閥上較短一段時間(2s)后，鵬制信號關(guān)閉較長一段時間(15s)， 然后根據(jù)最新測到的溶解氧tt新計算出控制信號發(fā)送出去，如此反復(fù)；
為解決正反控制過程不均衡性問題，同時為了減小被控系統(tǒng)的震蕩，可編程 控制器使輸出的控制信號在預(yù)先設(shè)定的范圍(-72%至76%)內(nèi)，并m縮放系 數(shù)(反向控制縮放系數(shù)為1.5，正向控制為2)再次縮小控制信號使執(zhí)行器以較小
5的幅度動作，與最雜制信號的范圍相對應(yīng)的反向控制電流信號為4至11說mA， 正向為4至10.08mA。
—號(比例)電磁閥7為正向控制執(zhí)行器，主要用^^制氧氮混^體的SA， 當(dāng)實l^^解氧值低于設(shè)定值時，正向控制開始，控制信號將被傳懇喊一號(比例) 電磁閥7上， 一號(比例)電磁閥7根據(jù)信號的大小來調(diào)節(jié)閥的開度使氧氮混^ 體以一定的流S1A到水中，水中溶解氧量開始上升。本實用新型中，氧氣與氮 氣的體積比為1: 9,，這個比例的好處是正向控制時可以使溶解氧含量較為緩 1fity:升M^會引^b^l調(diào)。
二號(比例)電磁閥8為反向控制執(zhí)行器，主要用來控制氮氣的MA，當(dāng)實際 溶解氧值高于設(shè)定值時，反向控制開始，控制信號將被傳送到該二號(比例)電磁 閥8上，二號(比例)電磁閥8根據(jù)信號的大小來調(diào)節(jié)閥的開度使氮氣以一定的流 4MA到水中，水中溶解氧量開始下降。
本實用新型精確控制水中溶解氧含量方法的應(yīng)用，包括如下步驟
1、 將水OT在一個密閉的儲水雜2中，用一單向?qū)ǖ呐艢饪p1與該 儲水容器2的頂部相連，并為該儲7jC容器2裝配一循環(huán)系統(tǒng)(混M6)，使儲水 容器2中的水能滅部^1外部管路再從頂部回至條水容器2中，將溶解氧傳感 器3、流量計5安^E與儲水容器2iim的外部管路上；
2、 將溶解氧傳繊3的輸出端接到相應(yīng)的變送器4上，將變送器4的輸出 端接到麵采鎌塊9上；
3、 離號輸出模塊12的輸出m^接到相應(yīng)的電磁閥(一號(比例)電磁閥7、 二號(比例)電磁閥8)的信號端，并為電磁閥的電源端配上直流電源；
4、 將氧氮混合氣瓶的出氣口連接到一號電磁閥7的進口，并將氮氣瓶的出 氣口連接到二號電磁閥8的進口，將兩個電磁閥的出口端并成一路通妾嘧閉儲水 容器2底部的進氣口；
5、 將預(yù)先寫好的算郷署到可編程控制器10中，打開各處電源和氣瓶開關(guān)， 在計鄉(xiāng)11中設(shè)定好設(shè)定值和控制參數(shù)并發(fā)超何編禾避制器10中，即可開始 自動控制過程。
如圖3所示，本實用新型溶解氧控制gm荒程如下 當(dāng)設(shè)定好控制精度(如1-3ppb)、控制參數(shù)(如比例系數(shù)設(shè)為24)、設(shè)定值 (如890 ppb)后，發(fā)出開始執(zhí)行命令，上述參數(shù)將傳遞至何編禾雖制器中；當(dāng)
6實際溶解氧值與設(shè)定值的偏差在精度范圍內(nèi)時，輸出信號為0，不進行控制；如 偏差超《匕范圍，貝啦制函數(shù)將根據(jù)控制參數(shù)和偏差計算出控制信號；該控制信 號在導(dǎo)通一段時間后將斷開一段時間，如此反復(fù)循環(huán)直到達至啦制精度。
為解決該被控系統(tǒng)的嚴重滯后性和正反向控制的不均衡性，可編程控制器中 運行的控制算法至關(guān)重要。本實用新型的算法具體說明如下.-
當(dāng)實際值與設(shè)定值的偏差在設(shè)定的精度范圍內(nèi)時，輸出控制信號為0，否則 將根據(jù)具體瞎況實施控制操作；首先，比例函數(shù)求出設(shè)定值與實際值之間的偏差， 并將該偏差乘以比例系數(shù)24得到初始控制信號，比例函數(shù)還將根據(jù)設(shè)定的輸出 范圍強制把初始控制信號限定在該范圍內(nèi)，本算法中設(shè)定的輸出范圍為-72%至 76。/。；初始控制信號大于0時，將進入正向控制環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)中初始控制信號除 以一個縮放系數(shù)2，得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換成4-20mA最終控制信號，該控制信號通過 信號輸出模i央傳送到一號電磁閥上，接通2秒后斷開15秒；初始控制信號小于0 時，將進入反向控制環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)中初始控制信號除以一個縮放系數(shù)1.5，將結(jié) 果轉(zhuǎn)換成4-20 mA最終控制信號，該控制信號通過信號輸出模塊傳送到二號電磁 閥上，接通2秒后斷開15秒；完成一次控制動作后，將重新獲取實際值進行判 斷，如此反復(fù)循環(huán)。
實施例
在實施例中，將溶解氧含量設(shè)定為890 ppb，分別用常規(guī)PID算法和本實用 新型所采用的算法進行控制。所得的結(jié)果如圖2所示。
從圖2中可以看到，常規(guī)PID算法所得到結(jié)果存在10 ppb以上的上偏差， 下偏差將近5 ppb;而本實用新型控制結(jié)果的上偏差不超過3 ppb，下偏差不超 過4 ppb，總體控制精度優(yōu)于5 ppb。
實施例結(jié)果表明，本實用新型通過優(yōu)化設(shè)定正反向控制信號的輸出范圍以及 控制信號的通斷時間比例，解決了被控系統(tǒng)的嚴重滯后性和正反向控制的不均衡 性，可以精確控制溶解氧(濃度或)含量，控制精度在5ppb以內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種精確控制水中溶解氧含量的裝置，其特征在于，該裝置包括排氣裝置(1)、儲水容器(2)、溶解氧傳感器(3)、變送器(4)、混合泵(6)、一號電磁閥(7)、二號電磁閥(8)、數(shù)據(jù)采集模塊(9)、可編程控制器(10)、信號輸出模塊(12)，各部分之間連接關(guān)系如下儲水容器(2)頂部的排氣口處連接排氣裝置(1)，儲水容器(2)底部的進氣口分成兩路分別連接一號電磁閥(7)和二號電磁閥(8)，儲水容器(2)底部還有一出水口連接混合泵(6)；混合泵(6)的出水口分成兩路，一路直接流回到儲水容器(2)中，還有一路上裝有溶解氧傳感器(3)；溶解氧傳感器(3)的信號接到變送器(4)上，變送器(4)的模擬信號再接到數(shù)據(jù)采集模塊(9)的模擬信號輸入通道中，數(shù)據(jù)采集模塊(9)的輸出端連至可編程控制器(10)，可編程控制器(10)的輸出端通過信號輸出模塊(12)連至一號電磁閥(7)或二號電磁閥(8)上。
2、按照權(quán)利要求1所述的精確控制水中溶解氧含量的裝置，其特征在于，可 編程控制器(10)通過以太網(wǎng)口與計算機(11)相連。
專利摘要本實用新型涉及一種可精確控制水中溶解氧含量的裝置。該裝置由溶解氧傳感器、變送器、數(shù)據(jù)采集模塊、可編程控制器、信號輸出模塊、兩個比例電磁閥等構(gòu)成，溶解氧傳感器能夠探測水中溶解氧的含量，探測出的信號經(jīng)過變送器整合成4-20mA模擬信號，該模擬信號通過數(shù)據(jù)采集模塊采集到可編程控制器中，可編程控制器根據(jù)測得的溶解氧值和設(shè)定值計算出4-20mA控制信號，再將控制信號通過信號輸出模塊傳送到比例電磁閥上調(diào)節(jié)閥的開度以控制通入氣體的種類和流量。本實用新型通過優(yōu)化設(shè)定正反向控制信號的輸出范圍以及控制信號的通斷時間比例，解決了被控系統(tǒng)的嚴重滯后性和正反向控制的不均衡性，可以精確控制溶解氧(濃度或)含量，控制精度在5ppb以內(nèi)。
文檔編號B01F3/04GK201240917SQ20082001456
公開日2009年5月20日 申請日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日
發(fā)明者匡文軍, 吳欣強, 韓恩厚 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所