一种化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统技术方案

本发明专利技术涉及化学反应溶液浓度控制领域湿法化学领域，具体涉及一种化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统，基于电化学方法。本发明专利技术通过电化学离子浓度检测器将溶液实时浓度微弱变化转化为微小电信号，微小电信号经过运算放大器与调节电阻组成的简单放大电路放大并反馈给控制器，简化了检测信号模块的结构，并极大增加了对浓度微弱变量的检测灵敏度。从电化学离子浓度检测器检测到离子浓度的微弱变化到控制器根据运算放大器反馈的电信号去控制各电子阀门的开关，整个反应动作过程时间小于1秒，从而达到快速、准确控制反应溶液浓度、液面的目的，缩短了从检测到浓度变化信号到控制器进行操作的整个周期。

A Real-time Automatic Control System of Solution Concentration for Chemical Reaction Rate

The invention relates to the field of wet chemistry in the field of concentration control of chemical reaction solution, in particular to a real-time solution concentration automatic control system of chemical reaction rate based on electrochemical method. The present invention transforms the real-time weak concentration change of solution into a small electric signal by electrochemical ion concentration detector. The small electric signal is amplified and fed back to the controller through a simple amplifier circuit composed of an operational amplifier and a regulating resistor, thus simplifying the structure of the detection signal module and greatly increasing the detection of the weak concentration variable. Measure sensitivity. From the weak change of ion concentration detected by the electrochemical ion concentration detector to the switch of the electronic valves controlled by the controller according to the feedback signal of the operational amplifier, the whole reaction action time is less than 1 second, thus achieving the purpose of fast and accurate control of the concentration and level of the reaction solution, and shortening the detection concentration. Change the signal to the whole cycle of the controller.

【技术实现步骤摘要】
一种化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统
本专利技术涉及化学反应溶液浓度控制领域湿法化学领域，具体涉及一种化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统，基于电化学方法。
技术介绍
由于湿法化学反应速率通常由反应物和生成物的浓度、反应温度等因素共同决定，对于需要长时间保持材料沉积速率不变的化学反应，需要严格精密控制反应中所涉及物质的浓度，对此需要实时测量和反馈控制部分溶液的添加和排出。传统的溶液浓度控制方法多为人为测定溶液浓度后，通过计算手动滴定、加入定量溶液或溶质来达到某一浓度，不但耗时耗力，还具有一定的滞后性，误差也比较大，并且测定溶液中离子浓度变化的灵敏度也较低。而现有自动控制系统的信号检测模块的实现机理导致其结构相对复杂，从检测到浓度变化信号到控制器进行操作的整个周期也相对较长。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为解决现有自动控制系统中检测信号模块结构复杂以及操控周期较长的技术问题，本专利技术提供了一种化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统，基于电化学方法。化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统包括：电化学离子浓度检测器、运算放大器、控制器、电子阀门、反应池、补给池、参考池和废液池。电化学离子浓度检测器有2个，分别置于反应池和参考池中，以将反应池和参考池中溶液离子浓度变化转化为两电极电势差信号并输出给外电路。所述电化学离子浓度检测器包括指示电极和参考电极两部分，反应池中的指示电极与运算放大器的同相输入端连接，参考池中的指示电极与运算放大器的反相输入端连接；参考电极均与运算放大器的接地端连接。电子阀门，安装在补给池与反应池之间的连接管道中，以及反应池与废液池之间的连接管道中，当需要补给反应溶液时，由控制器控制补给池与反应池之间连接管道上的电子阀门打开，当需要排出废液时，由控制器控制反应池与补给池之间连接管道上的电子阀门打开。运算放大器的同相输入端经调节电阻R1与反应池中指示电极连接，经调节电阻R2与输出端连接；反相输入端分别与参考池中指示电极和控制器连接；接地端分别与反应池、参考池中的参考电极连接，以将电化学离子浓度检测器反馈的电势差信号放大并输出反馈给控制器。控制器为可编程逻辑控制器，分别与运算放大器反相输入端、输出端以及各电子阀门连接，能够根据运算放大器反馈的电势差信号控制各电子阀门的开关时间。反应池中装有反应物的溶液，通过装有可控电子阀门的连通管道分别与上方的补给池以及下方的废液池连接，电子阀门打开时，补给池中溶液在重力作用下流向与其连通的反应池，反应池中溶液在重力作用下流向与其连通的废液池。补给池中装有各反应物的单一浓溶液；参考池中装有达到目标反应速率所需的反应物浓度的反应物溶液；废液池用来接收存储反应池排出的废液。化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统的浓度补偿机制如下：对于反应式如下的反应mA+nB＝qC(沉淀或沉积镀膜)+rDA、B为两种反应溶液，m、n、q、r为A、B、C、D对应的反应系数，C为反应生成物，设补充的A溶液浓度为N1,体积为V1；补充的B溶液浓度为N2,体积为V2；参考池中溶液A的离子浓度为N0；反应池中液体体积为V0；排出溶液的体积为V3；反应池中电化学离子浓度检测器指示电极的电位为Ut，与Ut对应的A溶液浓度为Nt；参考池中电化学电化学离子浓度检测器指示电极的电位为U0；运算放大器输出端电位为U。根据电路知识有即由于反应池溶液中A和B的量以m:n的比例逐渐减少，则对于补充溶液应有：令V1＝V2，则为了保持液位不变，则应有V3＝V1+V2＝2V1，根据电化学电位法测离子浓度的原理，设溶液中A溶液浓度与指示电极电位关系为Nt＝f(Ut)，为了达到相同的反应速率，应保证反应池中A溶液浓度与参考池中A溶液浓度相等，则应有：N1*V1＝(N0-f(Ut))*V0+V3*f(Ut)①把V3＝2V1带入上式可得：本专利技术通过电化学离子浓度检测器将溶液实时浓度微弱变化转化为微小电信号，微小电信号经过运算放大器与调节电阻组成的简单放大电路放大并反馈给控制器，简化了检测信号模块的结构，并极大增加了对浓度微弱变量的检测灵敏度。从电化学离子浓度检测器检测到离子浓度的微弱变化到控制器根据运算放大器反馈的电信号去控制各电子阀门的开关，整个反应动作过程时间小于1秒，从而达到快速、准确控制反应溶液浓度、液面的目的，缩短了从检测到浓度变化信号到控制器进行操作的整个周期。综上所述，与现有技术相比，本专利技术实现了检测信号模块结构的简化以及缩短操作周期提升工作效率的效果。附图说明图1为实施例的框架示意图；附图标记：1-电化学离子浓度检测器，2-指示电极，3-参考电极，4-运算放大器，5-控制器，6-电子阀门，7-反应池，8-补给池，9-参考池，10-废液池。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。电化学离子浓度检测器将实时浓度转化为电信号，经运算放大器将微小电信号变化放大、控制器处理后对各电子阀门的开关时间及顺序进行控制，从而达到快速、准确控制反应溶液浓度、液面的目的。1、对于沉淀反应，以实验室制烧碱反应为例,反应式为Ca(OH)2+Na2CO3＝CaCO3+2NaOH,其中Na+和OH-不参加反应，在补给池中分别装入高浓度的Ca(OH)2、Na2CO3两种溶液，参考池中装入达到所需反应速率所需浓度的Ca(OH)2溶液，随着反应进行，生成物CaCO3开始沉积，反应池溶液中Ca2+和CO32-的量逐渐减小，因此要补充Ca(OH)2、Na2CO3两种溶液。我们假设补充的Ca(OH)2、Na2CO3溶液浓度分别为N1、N2；体积分别为V1、V2；参考池中溶液A的离子浓度为N0；反应池中液体体积为V0；排出溶液的体积为V3；反应池中电化学离子浓度检测器指示电极的电位为Ut；对应的Ca2+离子浓度为Nt；参考池中电化学离子浓度检测器指示电极的电位为U0；运算放大器输出端电位为U。如附图所示，根据电路知识有即这样就将由于反应池中某种离子浓度的微小变化而引起的电位信号变化放大了倍，控制器通过对运算放大器输出值进行判断从而大大提高了控制器对反应池中浓度变化的反应速度。由于反应池溶液中A和B的量以1:1的比例逐渐减少，则对于补充溶液应有：为了使问题简化，令V1＝V2，则N1＝N2，为了保持液位不变，则应有V3＝V1+V2＝2V1，根据电化学电位法测离子浓度的原理，设溶液中Ca2+离子浓度与指示电极电位关系为Nt＝f(Ut)，为了达到相同的反应速率，应保证反应池溶液中离子浓度与参考池中溶液离子浓度相等，则应有：N1*V1＝(N0-f(Ut))*V0+V3*f(Ut)①把V3＝2V1带入上式可得：值得注意的是，为了使V1尽可能的小，N1要尽可能的大。综上所述，在补给溶液浓度成一定比例的情况下，由于连接管道单位时间内的流量是一定的，控制器只需要根据上述关系控制电子阀门的开关顺序和时间排出体积为V3的反应溶液，补充体积为V1的Ca(OH)2溶液和体积为V2的Na2CO3溶液，即可达到快速、准确控制反应池内溶液浓度、液面的目的。2.对于更一般性的反应，如mA+nB＝qC(沉淀或沉积镀膜)+rD其反应速率应该有如下关系:F(N0)＝F(Nt’)其中Nt’是指要实现相同的反应速率，A需要达到的反应浓度，则上面公式①可以改写为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统，其特征在于：包括：电化学离子浓度检测器、运算放大器、控制器、电子阀门、反应池、补给池、参考池和废液池；电化学离子浓度检测器有2个，分别置于反应池和参考池中，以将反应池和参考池中溶液离子浓度变化转化为两电极电势差信号并输出给外电路；所述电化学离子浓度检测器包括指示电极和参考电极两部分，反应池中的指示电极与运算放大器的同相输入端连接，参考池中的指示电极与运算放大器的反相输入端连接；参考电极均与运算放大器的接地端连接；电子阀门，安装在补给池与反应池之间的连接管道中，以及反应池与废液池之间的连接管道中，当需要补给反应溶液时，由控制器控制补给池与反应池之间连接管道上的电子阀门打开，当需要排出废液时，由控制器控制反应池与补给池之间连接管道上的电子阀门打开；运算放大器的同相输入端经调节电阻R1与反应池中指示电极连接，经调节电阻R2与输出端连接；反相输入端分别与参考池中指示电极和控制器连接；接地端分别与反应池、参考池中的参考电极连接，以将电化学离子浓度检测器反馈的电势差信号放大并输出反馈给控制器；控制器为可编程逻辑控制器，分别与运算放大器反相输入端、输出端以及各电子阀门连接，能够根据运算放大器反馈的电势差信号控制各电子阀门的开关时间；反应池中装有反应物的溶液，通过装有可控电子阀门的连通管道分别与上方的补给池以及下方的废液池连接，电子阀门打开时，补给池中溶液在重力作用下流向与其连通的反应池，反应池中溶液在重力作用下流向与其连通的废液池；补给池中装有各反应物的单一浓溶液；参考池中装有达到目标反应速率所需的反应物浓度的反应物溶液；废液池用来接收存储反应池排出的废液。...

【技术特征摘要】
1.一种化学反应速率实时溶液浓度自动控制系统，其特征在于：包括：电化学离子浓度检测器、运算放大器、控制器、电子阀门、反应池、补给池、参考池和废液池；电化学离子浓度检测器有2个，分别置于反应池和参考池中，以将反应池和参考池中溶液离子浓度变化转化为两电极电势差信号并输出给外电路；所述电化学离子浓度检测器包括指示电极和参考电极两部分，反应池中的指示电极与运算放大器的同相输入端连接，参考池中的指示电极与运算放大器的反相输入端连接；参考电极均与运算放大器的接地端连接；电子阀门，安装在补给池与反应池之间的连接管道中，以及反应池与废液池之间的连接管道中，当需要补给反应溶液时，由控制器控制补给池与反应池之间连接管道上的电子阀门打开，当需要排出废液时，由控制器控制反应池与补给池之间连接管道上的电子阀门打开；运算放大器的同相输入端经调节电阻R1与反应池中指示电极连接，经调节电阻R2与输出端连接；反相输入端分别与参考池中指示电极和控制器连接；接地端分别与反应池、参考池中的参考电极连接，以将电化学离子浓度检测器反馈的电势差信号放大并输出反馈给控制器；控制器为可编程逻辑控制器，分别与运算放大器反相输入端、输出端以及各电子阀门连接，能够根据运算放大器反馈的电势差信号控制各电子阀门的开关时间；反应池中装有反应物的溶液，通过装有可控电子阀门的连通管道分别与上方的补给池以及下方的废液池连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：向勇，吴帅，闫宗楷，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51