基于机械臂的工业pH值自动校准装置的制作方法

本实用新型属于pH值监测技术领域，涉及一种pH值校准装置，特别涉及一种基于机械臂的工业pH值自动校准装置。

背景技术：

随着经济的发展人们越来越重视环保问题，一个企业要发展，首先应解决工业废水问题，因此废水酸碱度的测量得到大家越来越多的关注，pH计是应用最广泛的水分析仪器。

工业、环境保护行业常遇到污水pH值测控问题，pH计玻璃电极因其优越的特性成为pH值测量首选的传感器。例如在硫酸生产过程中产生的废液废渣往往因其酸碱性不能达到直接排放标准，需要加中和药物进行中和，达到排放标准后再排放，因此在线测控中和液的pH值是处理污水的主要依据。这里的污水是指能对pH计玻璃电极敏感膜产生污染的水，例如上述中和液中的Ca(OH)2、CaSO4能在pH计玻璃电极敏感膜表面结垢，使电极不能响应污水的pH值，导致pH值测量不能正常进行，因此及时清洗pH计玻璃电极敏感膜的污染是确保pH计正常工作的必要条件。

目前，能够自动清洗电极的流通式pH计，采用压缩空气吹扫或机械毛刷清洗配合化学试剂等清洗方式。压缩空气清洗时，执行机构将pH计拔出，压缩空气通过清洗喷嘴，吹扫玻璃电极敏感球泡，实现清洗。这种清洗方式对一般水垢的清洗有一定的效果，但是对于湿法冶金过程中金属盐类结晶物和矿浆形成的污垢，清洗效果不佳，并且清洗过程中不能用标准液自动标定，达不到自动控制的效果。机械毛刷配合化学试剂清洗的方法，清洗时，用执行机构将电机拔出，喷嘴喷射化学试剂，配合机械毛刷对玻璃电机敏感球泡进行清洗，能够达到不错的清洗效果，但是不具备自动控制功能，要实现自动控制，需将测量信号送入pH检测仪表和控制系统，控制系统再通过对采集的pH数据进行分析，进而控制加药量和加稀释液的量，从而达到自动控制的效果。第三种清洗方式是在第二种清洗方式的基础上添加了校准功能，但是校准时需要工作人员在现场仪表上按键控制，而化工生产中这些仪表往往处在有毒烟气或是有腐蚀性浆液的环境中，对于日常的维护带来了很大的不便。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种能够进行远程控制、自动清洗与标定的基于机械臂的工业pH值自动校准装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于机械臂的工业pH值自动校准装置，包括手机和主控机，主控机包括固态继电器、嵌入式计算机、直流电源转换器、WIFI模块、触摸屏和控制电路，WIFI模块与手机信号连接，固态继电器、直流电源转换器、WIFI模块、触摸屏和控制电路均与嵌入式计算机相连接；嵌入式计算机与控制电路组成控制系统；

嵌入式计算机分别与三通阀、校准液开关阀、清洗水开关阀、清洗酸开关阀和机械臂相连接；

三通阀的三个口分别接加药管道、加水管道和管道，该管道从溶液搅拌槽顶部伸入溶液搅拌槽内，溶液搅拌槽通过进液管与测量池连通，测量池位于溢流池内，测量池顶部和侧壁与溢流池顶部和侧壁之间均有空隙，溢流池顶板上设有通孔，溢流池侧壁上还设有出液管；

校准液开关阀的接口、清洗水开关阀的接口和清洗酸开关阀的接口均通过管路与pH计清洗装置连通，pH计清洗装置上并排设有三个光电开关；

所述的机械臂包括底座，底座上安装有支杆电机，支杆电机上安装有支杆，支杆电机驱动支杆上下移动，支杆顶部安装有横杆电机，横杆电机上安装有横杆，横杆的一端与横杆电机相连，横杆是另一端安装有pH电极电机，pH电极电机上设有pH电极，pH电极的下端为测量探头，测量探头与pH电极电机之间的pH电极上设有光电开关感应片。

现有的pH计测试清洗装置大多是有人在现场用pH试纸测量pH值，然后通过比对pH试纸测得溶液的实际pH值和现场仪表的测量值对检测仪表进行手动校准，并且手动清洗玻璃电极探头上的结垢，而工业PH检测仪表所在的环境往往相对复杂，有些甚至在二氧化硫烟气浓度很高的场所，因此对设备的日常维护带来了很大的不便，本实用新型自动校准装置的有益效果是，利用手机的便利性通过WIFI数据信号的发送和接收，远程控制在复杂环境下仪表的自动清洗和校准，能够有效的解决现有测量设备的不足和缺陷。

附图说明

图1是本实用新型pH值自动校准装置的示意图。

图2是本实用新型pH值自动校准装置中三个开关阀与pH计清洗装置的连接示意图。

图3 是本实用新型pH值自动校准装置中机械臂的示意图。

图4是本实用新型pH值自动校准装置中控制系统的示意图。

图5是本实用新型pH值自动校准装置中MCU主机电路的示意图。

图6是本实用新型pH值自动校准装置中WIFI模块电路的示意图。

图7是电机接口电路。

图8是电源电路。

图1～图4中：1.手机，2.加药管道，3.三通阀，4.加水管道，5.溶液搅拌槽，6.进液管，7.溢流池，8.测量池，9.出液管，10.法兰，11.pH计清洗校准装置，12.废液出口，13.光电开关，14.机械臂，15.校准液开关阀，16.清洗水开关阀，17.清洗酸开关阀，18.电极信号匹配器，19.支架，20.固态继电器， 21.嵌入式计算机，22.直流电源转换器，23.WIFI模块，24.触摸屏，25.主控机，26.接线端子排，27.清洗酸管，28.清洗水管，29.校准液管，30.第一电磁阀，31.第二电磁阀，32.第三电磁阀，33.排液泵，34.废液桶，35.第一进液泵，36.第二进液泵，37.第三进液泵，38.底座，39.支杆电机，40.支杆，41.横杆电机，42.横杆，43.pH电极，44.电极电机，45.光电感应片，46.测量探头，47.第一信号电缆，48.第二信号电缆，49.时钟电路，50.电源电路，51.机械臂控制电路，52.WIFI模块电路，53.键盘输入电路，54.电磁阀控制电路，55.电流输入电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型pH值自动校准装置，包括手机和支架19，支架19上安装有主控机25，主控机25包括固态继电器20、嵌入式计算机21、直流电源转换器22、WIFI模块23、触摸屏24、接线端子排26和控制电路，WIFI模块23与手机1信号连接，固态继电器20、直流电源转换器22、WIFI模块23、触摸屏24、接线端子排26和控制电路均与嵌入式计算机21相连接；

嵌入式计算机21与控制电路组成控制系统。

接线端子排26通过第一信号电缆47与电极信号匹配器18的输出端相连接，第一信号电缆两47端分别设有电缆密封头；第一信号电缆47分别与三通阀3、校准液开关阀15、清洗水开关阀16、清洗酸开关阀17和机械臂14相连接，电极信号匹配器18的输入端通过第二信号电缆48与机械臂14相连；该第二信号电缆与电极信号匹配器18输入端的接头处设有电缆密封头；

三通阀3的第一个口接加药管道2，三通阀3的第二个口接加水管道4，三通阀3的第三个口接管道，该管道从溶液搅拌槽5顶部伸入溶液搅拌槽5内内，溶液搅拌槽5的侧壁上设有进液管6，进液管6的一端与溶液搅拌槽5固接，进液管6的另一端穿过溢流池7的侧壁伸入溢流池7内，并与筒形的测量池8的侧壁固接，进液管6连通溶液搅拌槽5和测量池8，测量池8位于溢流池7内，测量池8固接于溢流池7的底板上，测量池8顶部与溢流池7顶部有空隙，测量池8侧壁与溢流池7侧壁之间有间隙，溢流池7顶板上设有通孔，溢流池7的侧壁上还设有出液管9，出液管9一端与溢流池7侧壁固接，出液管9另一端固接有法兰10；

校准液开关阀15的接口、清洗水开关阀16的接口和清洗酸开关阀17的接口均通过管路与pH计清洗装置11对应连通，pH计清洗装置11上并排设有三个光电开关13。

pH计清洗装置11内设有排液泵33，排液泵33的排液口伸出废液出口12与废液桶34连通，如图2所示；pH计清洗装置11内的校准液管29通过第一管线与校准液开关阀15的第一个口连通，该第一管线上设有第三进液泵37，pH计清洗装置11内的清洗水管28通过第二管线与清洗水开关阀16的第一个口连通，该第二管线上设有第一进液泵35，pH计清洗装置11内的清洗酸管27通过第三管线与清洗酸开关阀17的第一个口连通，该第三管线上设有第二进液泵36；排液泵33的进液口通过管路分别与清洗酸管27、清洗水管28和校准液管29连通，连通排液泵33和清洗酸管27的管路上设有第一电磁阀30，连通排液泵33和清洗水管28的管路上设有第二电磁阀31，连通排液泵33和校准液管29的管路上设有第三电磁阀32。

如图3所示，本实用新型pH值自动校准装置中的机械臂14，包括底座38，底座38上安装有支杆电机39，支杆电机39上安装有支杆40，支杆电机39驱动支杆40上下移动，支杆40顶部安装有横杆电机41，横杆电机41上安装有横杆42，横杆42的一端与横杆电机41相连，横杆42是另一端安装有pH电极电机44，pH电极电机44上设有pH电极43，pH电极43的下端为测量探头46，测量探头46与pH电极电机44之间的pH电极43上设有光电开关感应片45。

支杆电机39、横杆电机41、pH电极电机44分别与第一信号电缆47相连；pH电极43与第二信号电缆48相连。

如图4所示，本实用新型pH值自动校准装置中的控制系统，包括嵌入式计算机21，嵌入式计算机21分别与时钟电路49、电源电路50、机械臂控制电路51、WIFI模块电路52、键盘输入电路53、电磁阀控制电路54和电流输入电路55相连接。

机械臂控制电路51分别控制支杆电机39、横杆电机41和pH电极电机44；电流输入电路55与pH电极43相连接；电磁阀控制电路54分别与三通阀3、校准液开关阀15、清洗水开关阀16、清洗酸开关阀17、第一电磁阀30、第二电磁阀31、第三电磁阀32、排液泵33、第一进液泵35、第二进液泵36和第三进液泵37相连。

嵌入式计算机21中采用MCU主机电路，该MCU主机电路包括第一芯片U1，如图5所示。第一芯片U1采用STM32F103芯片，第一芯片U1的第5脚接晶振XTAL和第一电容C1的一端，第一芯片U1的第6脚接晶振XTAL和第二电容C2的一端，第一电容C1的另一端和第二电容C2的另一端接地；第一芯片U1的第7脚接第三电容C3的一端第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极和按键S1的一端，第一二极管D1的正极和第一电阻R1的一端接电源VCC3.3V，第一电阻R1的另一端接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端、第三电容C3的另一端和第二二极管D2的负极均接按键S1的另一端；第一芯片U1的第9脚和第24脚接电源VCC3.3V，第一芯片U1的第23脚接地。第一芯片U1的第37脚接接线端子J1的第4脚，接线端子J1第5脚、第三电阻R3的一端和第一芯片U1的第34脚接第一芯片U1的第36脚，第三电阻R3的另一端和接线端子J1的第1脚接电源VCC3.3V；接线端子J1的第2脚接地，接线端子J1的第3脚接NRST。第一芯片U1分别与电源电路50、机械臂控制电路51、WIFI模块电路52、键盘输入电路53、电磁阀控制电路54和电流输入电路55相连接。

图5中第一芯片U1外部左下方为复位电路，系统正常工作时，NRST引脚被拉高至高电平，当按键S1被按下时，NRST引脚被拉低至低电平，完成系统复位；复位电路上方为时钟电路，为系统提供2.4576MHZ；右上方为SWD下载电路，用于程序下载。

如图6所示为WIFI模块电路52。WIFI模块电路52采用上海汉枫公司生产的HF-LPB100系列Wi-Fi模组作为手机APP与主控芯片之间的信息交互。其内置嵌入式固件和收发天线，可通过此模块与传统家电的低端串口通讯，以实现对家电物联网的接入。Wi-Fi模块通过串口（UART）来把其接收到的编码数据传输到MCU内部数据寄存器，清洗校准装置以及pH电极测量值的反馈状态通过信息处理传输给串口，并通过Wi-Fi模块反馈给智能手机显示。

图7为电机接口电路。SERVOR-32 控制器支持同时接 12 个总线舵机。由于总线舵机采用串口控制，使用STM32 串口 3 的半双工模式即可通过单线实现串口数据的收发，实现舵机的控制和角度的读取。

如图8为电源电路。电源电路的稳定工作是整个系统稳定工作的基础，电源电路为各个模块提供稳定的直流电源，保证其能够正常工作。本实用新型硬件电路所需的电压为5V和3.3V，而蓄电池提供的电压为12V因此必须经过电压转换后，方能为各个芯片提供所需电压。

5V电压的转换采用的是LM2576-3V3芯片。LM2576 系列是美国国家半导体公司生产的 3A 电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V）， 并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。 LM2576 系列包括 LM2576（最高输入电压 40V）及 LM2576HV（最高输入电压 60V）二个系列。各系列产品均提供有 3.3V（-3.3）、 5V（-5.0）、12V（-12）、 15V（-15）及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。

本实用新型pH值自动校准装置的使用：

将法兰10与出液管道相连接，将被测液体注入溶液搅拌槽13，搅拌后经过进液管6流入测量池8内，液体充满测量池8后，从测量池8顶部溢至溢流池7内，当溢流池7内的液体到达出液管9时，从出液管9流出。当pH电极43完成清洗校准之后通过三自由度机械臂的支杆电机39、横杆电机41和pH电极电机44联合控制经溢流池7顶板上的通孔插入测量池8内，对测量池8内的被测液体进行测量，pH电极43测得pH电压信号，由第二信号电缆48（5芯屏蔽电缆）通过电极信号匹配器18上的电缆密封头对应连接到信号输入端子，信号经过1︰1放大，将信号阻抗从10KΩ转换为500Ω，从连接到输出端子的第一信号电缆47通过主控机25的电缆密封头接入主控机25内的接线端子排26上，并进入嵌入式计算机21进行pH转换后分为两路，一路用串口将数据传输到触摸屏24上予以显示，另一路通过WIFI模块23输出到手机1，同时手机1可根据所接收的数据发送控制信号给WIFI模块23，WIFI模块23接收数据后传给控制系统中的嵌入式计算机21，嵌入式计算机21输出相应的控制信号传输到相应的控制电路，这些控制电路分别控制相应的执行器件动作：

pH电极43的清洗和校准方式一（定时清洗或手动强制清洗校准）：通过触摸屏24或手机APP为嵌入式计算机21设定清洗时间间隔和清洗时间，嵌入式计算机21计时到清洗周期时，发出清洗校准信号，固态继电器20使机械臂控制电路51得电，此时，支杆电机39、横杆电机41和pH电极电机44按预先设置好各自的动作次序、电机转动角度和电机转动速度动作，机械臂14开始工作。

pH电极43的清洗和校准方式二（自动清洗）：嵌入式计算机21实时监测pH电极43发出的电压信号，并对信号波纹进行统计，当pH电极43前端的测量探头46结垢后，pH电极43的灵敏度会降低，信号波纹会降低，当一定的时间内波纹范围连续低于0.2mv时，嵌入式计算机21发出清洗信号，此时，支杆电机39、横杆电机41和pH电极电机44按预先设置好各自的动作次序、电机转动角度和电机转动速度动作，机械臂14开始工作。

机械臂14的工作方式：

嵌入式计算机21锁定最后一次接收到4～20mA的pH测量信号，pH电极43的信号不再传输到嵌入式计算机21，机械臂控制电路51将控制信号传给支杆电机39、横杆电机41和电极电机44。步骤一，支杆电机39、横杆电机41和电极电机44联动使pH电极43插入图2中的清洗酸管27，此时，pH计清洗校准装置11上的光电开关13感应嵌套在pH电极43上的光电感应片45，信号传输给嵌入式计算机21，嵌入式计算机21接收该信号后，打开清洗酸开关阀17、第三电磁阀30、第二进液泵36和排液泵33，使稀盐酸溶液由第二进液泵36打入清洗酸管27对pH电极43进行酸洗，若pH电极43插入错位使光电开关13不接通则开始报警；在酸洗过程中，机械臂控制电路51输出PWM波，控制pH电极电机44顺时针、逆时针各交替转动一圈，以达到充分酸洗的目的，酸洗时间设置为5分钟，计时5分钟后，机械臂14将pH电极43从清洗酸管27中拔出；步骤二，将酸洗后的pH电极43插入清洗水管28中，光电开关13感应嵌套在pH电极43上的光电感应片45，信号传输给嵌入式计算机21，嵌入式计算机21接收该信号后，打开清洗水开关阀16、第二电磁阀31、第一进液泵35和排液泵33，用清洗水冲洗pH电极43，计时5分钟后拔出电极；步骤三，将清水冲洗后的pH电极43插入校准液管29，经光电开关判断插入固定位置后，打开校准液开关阀15和第三进液泵37，第三电磁阀32处于关闭状态，待校准液注入校准液管29两分钟后，关闭校准液开关阀15和第三进液泵37，计时五分钟，嵌入式计算机21接通来自pH电极43的4～20mA测量信号。

PID自动校准原理：pH电极43发出测量信号，送入嵌入式计算机21作为PV值，手机APP或触摸屏输入校准液实际pH值，并传输到嵌入式计算机21作为给定信号SV值，嵌入式计算机21比较测量信号和给定信号的差值，若差值在0.1mV以内，则机械臂14动作，将pH电极43插入到测量池8内进行测量，经过PID计算，发出4～20mA的控制信号MV，控制信号输入嵌入式计算机21，然后，嵌入式计算机21将信号发送到阀门和执行机构，实现自动调节和控制。