一种铟金属电解液酸碱度快速检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种铟金属电解液酸碱度快速检测装置及方法，属于溶液酸碱度快速检测应用技术领域。

背景技术

目前制备高纯铟的主要方法是电解精炼法，在铟离子电解精炼制备高纯铟的过程中，电解液的pH值直接影响着金属铟的纯度，所以在生产过程中需要对电解液进行实时的溶液pH值检测，进而配比出适合生产的pH值，而目前缺少对电解液pH值的实时检测。

现在工业现场的铟金属电解液pH值的检测方法通常是抽取一定量的溶液，计算出配比浓度后静置处理，等到溶液完全混合以后再使用单个pH传感器进行离线测试。静置等待溶液完全混合要花费很长的时间，大大影响了检测的实时性和采样频率，而且静置处理无法保证溶液混合的均匀，这也影响着使用单个pH传感器测量pH值的精确性，这种无法保证采样频率、实时性和精度的传统方法，将很大程度上的影响生产。有鉴于此，本发明提出一种铟金属电解液酸碱度快速检测装置。

发明内容

发明目标的：本发明针对铟金属电解液酸碱度检测领域，提供一种能够把注入的铟金属电解液快速混合均匀，并精确测量其酸碱度的装置。

为达到上述目的，本发明采用的构思是：设计以圆柱体溶液池为搅拌池，以四叶斜式桨为搅拌涡轮，结合多个pH传感器实时测量溶液各部分pH值差异获得电解液混合程度的信息，通过控制器运行算法策略控制搅拌涡轮旋转，进而使得溶液快速混合实现快速、精确测量pH值的目的。根据上诉发明构思，本发明采用以下技术方案：一种铟金属电解液酸碱度快速检测装置，该检测装置包括圆柱体溶液池(1)、顶盖(7)、搅拌涡轮组、传感器组、控制器；

所述顶盖(7)上设置有第一pH传感器安装口(11)、第二pH传感器安装口(14)、第三pH传感器安装口(17)、第一温度传感器安装口(16)、第二温度传感器安装口(18)；

所述第三pH传感器安装口(17)位于顶盖(7)的第一直径上，第一温度传感器安装口(16)和第二温度传感器安装口(18)位于顶盖(7)的第二直径上，并关于顶盖(7)中心对称，且第一直径和第二直径相互垂直；所述第三pH传感器安装口(17)位于第二直径一侧，所述第一pH传感器安装口(11)临近位置设置有纯净水注入口(12)，第二pH传感器安装口(14)临近位置设置有电解液注入口(13)，所述第一pH传感器安装口(11)与纯净水注入口(12)距离为L1，第二pH传感器安装口(14)与电解液注入口(13)的距离为L2，并且，2cm＜L1＜10cm，2cm＜L2＜10cm，所述临近设置是为了保证pH传感器快速测得液体注入口附近的pH信息的同时，不被过快的水流破坏精度。

所述电解液注入口(13)与所述纯净水注入口(12)关于第一直径对称，所述第一pH传感器安装口(11)与第二pH传感器安装口(14)关于第一直径对称；所述纯净水注入口(12)、电解液注入口(13)、第一pH传感器安装口(11)、第二pH传感器安装口(14)位于第二直径另一侧；

所述搅拌涡轮组包括侧壁搅拌涡轮(9)、第一中心搅拌涡轮(8)、第二中心搅拌涡轮(10)，所述侧壁搅拌涡轮(9)位于圆柱体溶液池(1)的侧壁上，并且位于所述电解液注入口(13)与所述纯净水注入口(12)下方；

所述第一中心搅拌涡轮(8)和第二中心搅拌涡轮(10)上端安装在顶盖(7)上，并且安装位置位于第二直径上，两个安装位置关于顶盖(7)中心对称，所述第一中心搅拌涡轮(8)安装位置位于所述第二温度传感器安装口(18)右侧，所述第二中心搅拌涡轮(10)安装位置位于所述温度传感器安装口(16)左侧；所述传感器组包括第一pH传感器(5)、第二pH传感器(3)、第三pH传感器(4)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(2)；

所述第一pH传感器(5)安装在第一pH传感器安装口(11)，所述第二pH传感器(3)安装在第二pH传感器安装口(14)，所述第三pH传感器(4)安装在第三pH传感器安装口(17)，所述第一温度传感器(6)安装在第二温度传感器安装口(18)，所述第二温度传感器(2)安装在第一温度传感器安装口(16)；所述控制器(15)位于所述顶盖(7)上方中心处，所述控制器(15)与所述第一pH传感器(5)、第二pH传感器(3)、第三pH传感器(4)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器二、侧壁搅拌涡轮(9)、第一中心搅拌涡轮(8)、第二中心搅拌涡轮(10)相连。

进一步的，所述控制器(15)包括电源电路、搅拌涡轮驱动电路、STM32F103C8T6芯片；所述电源电路包括LM7812电源芯片U4、LM7805电源芯片U5、ASM1117电源芯片U6、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第一电源VCC1；所述第一电源VCC1为外部接入24V直流电源；所述第一电源VCC1分别与所述第四电容C4一端、所述第五电容C5一端、所述LM7812电源芯片U4输入端相连接；

所述LM7812电源芯片U4输出端与所述第六电容C6一端、所述第七电容C7一端、所述LM7805电源芯片U5输入端相连接；所述LM7805电源芯片U5输出端与所述第八电容C8一端、所述第九电容C9阳极、所述ASM1117电源芯片U6输入端相连接；

所述ASM1117电源芯片输出端与所述第十电容C10一端、所述第十一电容C11阳极相连接；所述第四电容C4另一端、所述第五电容C5另一端、所述第六电容C6另一端、所述第七电容C7另一端、所述第八电容C8另一端、所述第九电容C9阴极、所述第十电容C10另一端、所述第十一电容C11阴极、所述LM7812电源芯片U4接地端、所述LM7805电源芯片U5接地端、所述ASM1117电源芯片U6接地端接地；

所述搅拌涡轮驱动电路包括第一光电隔离器U1、第二光电隔离器U2、第三光电隔离器U3、第一电阻R1、第一可变电阻R2、第三电阻R3、第二可变电阻R4、第五电阻R5、第三可变电阻R6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一继电器Y1、第二继电器Y2、第三继电器Y3、第一接线端子P1、第二接线端子P2、第三接线端子P3；

所述第一光电隔离器U1的发射端正极与所述LM7805电源芯片的输出端相连接，所述第一光电隔离器U1的输出端正极与所述LM7812电源芯片的输出端相连接，所述第一光电隔离器U1的第发射端负极与所述STM32F103C8T6的PA1引脚相连接，所述第一光电隔离器U1的输出端负极与所述第一电阻R1的一端相连接，

所述第一电阻R1另一端与所述第一二极管D1阳极相连，所述第一二极管D1阴极与所述第一电容C1一端、所述第一可变电阻R2一端、所述第一场效应管Q1栅极相连；所述第一继电器Y1的公共端一侧与所述第一接线端子P1一端相连接；所述第一继电器Y1的常闭端与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第一继电器Y1的线圈端一侧与所述第一场效应管源极相连接；所述第一继电器Y1的线圈端另一侧与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第一电容C1另一端、所述第一可变电阻R2另一端、所述第一场效应管Q1漏极接地；

所述第二光电隔离器U2的发射端正极与所述LM7805电源芯片的输出端相连接；所述第二光电隔离器U2的输出端正极与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第二光电隔离器U2的发射端负极与所述STM32F103C8T6的PA2引脚相连接；所述第二光电隔离器U2的输出端负极与所述第三电阻R3的一端相连接；所述第三电阻R3另一端与所述第二二极管D2阳极相连；所述第二二极管D2阴极与所述第二电容C2一端、所述第二可变电阻R4一端、所述第二场效应管Q2栅极相连；所述第二继电器Y2的公共端一侧与所述第二接线端子P2一端相连接；所述第二继电器Y2的常闭端与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第二继电器Y2的线圈端一侧与所述第二场效应管源极相连接；所述第二继电器Y2的线圈端另一侧与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第二电容C2另一端、所述第二可变电阻R4另一端、所述第二场效应管Q2漏极接地；

所述第三光电隔离器U3的发射端正极与所述LM7805电源芯片的输出端相连接；所述第三光电隔离器U3的输出端正极与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第三光电隔离器U3的发射端负极与所述STM32F103C8T6的PA3引脚相连接；所述第三光电隔离器U3的输出端负极与所述第五电阻R5的一端相连接；所述第五电阻R5另一端与所述第三二极管D3阳极相连；所述第三二极管D3阴极与所述第三电容C3一端、所述第三可变电阻R6一端、所述第三场效应管Q3栅极相连；所述第三继电器Y3的公共端一侧与所述第三接线端子P3一端相连接；所述第三继电器Y3的常闭端与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第三继电器Y3的线圈端一侧与所述第三场效应管源极相连接；所述第三继电器Y3的线圈端另一侧与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第三电容C3另一端、所诉第三电阻R6另一端、所述第三场效应管Q3漏极接地；

所述STM32F103C8T6的VBAT引脚与所述ASM1117电源芯片的输出端相连接，所述搅拌涡轮驱动电路的第一接线端子P1与所述侧壁搅拌涡轮相连接，所述第二接线端子P2与所述的第一中心搅拌涡轮相连接，第三接线端子P3与所述第二中心搅拌涡轮相连接。

进一步的，所述控制器(15)还包括数据采集电路，所述数据采集电路包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十二电容C12、第一信号灯LED1、MAX3487通讯芯片U8、第四接线端子P4；

所述MAX3487通讯芯片U8的RO引脚与所述第十一电阻R11相连接；所述MAX3487通讯芯片U8的RE、DE引脚分别与所述STM32F103C8T6的PB13引脚相连接；所述MAX3487通讯芯片U8的DI引脚与所述STM32F103C8T6的PA9引脚相连接；

所述MAX3487通讯芯片U8的GND引脚接地；所述MAX3487通讯芯片U8的A引脚与所述第十三电阻R13的一端、所述第4接线端子P4的端相连接；所述MAX3487通讯芯片U8的B引脚与所述第十三电阻R13的另一端、所述第4接线端子P4的另一端相连接；所述MAX3487通讯芯片U8的VCC引脚与所述LM7805电源芯片的输出端相连接；

所述第十电阻R10的一端与第十一电阻R11另一端与所述STM32F103C8T6的PA10相连接，所述第十电阻R10的另一端接地；所述第十二电阻R12的一端与所述LM7805电源芯片的输出端相连接，所述第十二电阻R12的另一端与所述第一信号灯LED1的阳极相连接；所述第一信号灯LED1的阴极接地；所述第十二电容C12的一端与所述LM7805电源芯片的输出端相连接，所述第十二电容C12的另一端接地；所述数据采集电路的第四接线端子P4与所述传感器组相连接，所述传感器组通过所述MAX3487通讯芯片使用Modbus-RTU协议实现STM32F103C8T6与传感器组的数据通讯。

本发明还提出根据上述一种铟金属电解液酸碱度快速检测装置实现的搅拌方法，该方法包括如下步骤：

(1)设置侧壁涡轮初始搅拌时间为t

(2)读取第一pH传感器与第二pH传感器的数据，得到pH差异值EC，公式为：

EC＝|E

其中，E

根据侧壁搅拌涡轮搅拌强度F

T

控制所述侧壁搅拌涡轮按照搅拌时间T

(3)当侧壁搅拌涡轮搅拌停止，读取第三pH传感器的数据，得到pH测量值E，根据E可得中心涡轮搅拌强度F

根据中心搅拌涡轮搅拌强度F

T

T

控制第一中心搅拌涡轮与第二中心搅拌涡轮根据搅拌时间T

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

通过本发明的装置以及方法能够实现溶液混合的自动化操作，有效提高溶液混合的速度，减少人工操作的误差。

附图说明

图1铟金属电解液酸碱度快速检测装置组成结构示意图；

图2铟金属电解液酸碱度快速检测装置控制器电气连接图；

图3电源电路原理图；

图4搅拌涡轮驱动电路原理图；

图5数据采集电路原理图；

图6铟金属电解液酸碱度快速检测装置示意图；

图7搅拌涡轮大小示意图；

图8溶液注入示意图；

图9实例实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

本发明提出一种铟金属电解液酸碱度快速检测装置，其特征在于，该检测装置包括圆柱体溶液池(1)、顶盖(7)、搅拌涡轮组、传感器组、控制器；

所述顶盖(7)上设置有第一pH传感器安装口(11)、第二pH传感器安装口(14)、第三pH传感器安装口(17)、第一温度传感器安装口(16)、第二温度传感器安装口(18)；

所述第三pH传感器安装口(17)位于顶盖(7)的第一直径上，第一温度传感器安装口(16)和第二温度传感器安装口(18)位于顶盖(7)的第二直径上，并关于顶盖(7)中心对称，且第一直径和第二直径相互垂直；所述第三pH传感器安装口(17)位于第二直径一侧，所述第一pH传感器安装口(11)临近位置设置有纯净水注入口(12)，第二pH传感器安装口(14)临近位置设置有电解液注入口(13)，所述电解液注入口(13)与所述纯净水注入口(12)关于第一直径对称，所述第一pH传感器安装口(11)与第二pH传感器安装口(14)关于第一直径对称；所述纯净水注入口(12)、电解液注入口(13)、第一pH传感器安装口(11)、第二pH传感器安装口(14)位于第二直径另一侧；

所述搅拌涡轮组包括侧壁搅拌涡轮(9)、第一中心搅拌涡轮(8)、第二中心搅拌涡轮(10)，所述侧壁搅拌涡轮(9)位于圆柱体溶液池(1)的侧壁上，并且位于所述电解液注入口(13)与所述纯净水注入口(12)下方；

所述第一中心搅拌涡轮(8)和第二中心搅拌涡轮(10)上端安装在顶盖(7)上，并且安装位置位于第二直径上，两个安装位置关于顶盖(7)中心对称，所述第一中心搅拌涡轮(8)安装位置位于所述第二温度传感器安装口(18)右侧，所述第二中心搅拌涡轮(10)安装位置位于所述温度传感器安装口(16)左侧；所述传感器组包括第一pH传感器(5)、第二pH传感器(3)、第三pH传感器(4)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(2)；

所述第一pH传感器(5)安装在第一pH传感器安装口(11)，所述第二pH传感器(3)安装在第二pH传感器安装口(14)，所述第三pH传感器(4)安装在第三pH传感器安装口(17)，所述第一温度传感器(6)安装在第二温度传感器安装口(18)，所述第二温度传感器(2)安装在第一温度传感器安装口(16)；所述控制器(15)位于所述顶盖(7)上方中心处，所述控制器(15)与所述第一pH传感器(5)、第二pH传感器(3)、第三pH传感器(4)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器二、侧壁搅拌涡轮(9)、第一中心搅拌涡轮(8)、第二中心搅拌涡轮(10)相连。

进一步的，所述控制器(15)包括电源电路、搅拌涡轮驱动电路、STM32F103C8T6芯片；

所述电源电路包括LM7812电源芯片U4、LM7805电源芯片U5、ASM1117电源芯片U6、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第一电源VCC1；所述第一电源VCC1为外部接入24V直流电源；所述第一电源VCC1分别与所述第四电容C4一端、所述第五电容C5一端、所述LM7812电源芯片U4输入端相连接；

所述LM7812电源芯片U4输出端与所述第六电容C6一端、所述第七电容C7一端、所述LM7805电源芯片U5输入端相连接；所述LM7805电源芯片U5输出端与所述第八电容C8一端、所述第九电容C9阳极、所述ASM1117电源芯片U6输入端相连接；

所述ASM1117电源芯片输出端与所述第十电容C10一端、所述第十一电容C11阳极相连接；所述第四电容C4另一端、所述第五电容C5另一端、所述第六电容C6另一端、所述第七电容C7另一端、所述第八电容C8另一端、所述第九电容C9阴极、所述第十电容C10另一端、所述第十一电容C11阴极、所述LM7812电源芯片U4接地端、所述LM7805电源芯片U5接地端、所述ASM1117电源芯片U6接地端接地；

所述搅拌涡轮驱动电路包括第一光电隔离器U1、第二光电隔离器U2、第三光电隔离器U3、第一电阻R1、第一可变电阻R2、第三电阻R3、第二可变电阻R4、第五电阻R5、第三可变电阻R6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一继电器Y1、第二继电器Y2、第三继电器Y3、第一接线端子P1、第二接线端子P2、第三接线端子P3；

所述第一光电隔离器U1的发射端正极与所述LM7805电源芯片的输出端相连接，所述第一光电隔离器U1的输出端正极与所述LM7812电源芯片的输出端相连接，所述第一光电隔离器U1的第发射端负极与所述STM32F103C8T6的PA1引脚相连接，所述第一光电隔离器U1的输出端负极与所述第一电阻R1的一端相连接，

所述第一电阻R1另一端与所述第一二极管D1阳极相连，所述第一二极管D1阴极与所述第一电容C1一端、所述第一可变电阻R2一端、所述第一场效应管Q1栅极相连；所述第一继电器Y1的公共端一侧与所述第一接线端子P1一端相连接；所述第一继电器Y1的常闭端与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第一继电器Y1的线圈端一侧与所述第一场效应管源极相连接；所述第一继电器Y1的线圈端另一侧与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第一电容C1另一端、所述第一可变电阻R2另一端、所述第一场效应管Q1漏极接地；

所述第二光电隔离器U2的发射端正极与所述LM7805电源芯片的输出端相连接；所述第二光电隔离器U2的输出端正极与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第二光电隔离器U2的发射端负极与所述STM32F103C8T6的PA2引脚相连接；所述第二光电隔离器U2的输出端负极与所述第三电阻R3的一端相连接；所述第三电阻R3另一端与所述第二二极管D2阳极相连；所述第二二极管D2阴极与所述第二电容C2一端、所述第二可变电阻R4一端、所述第二场效应管Q2栅极相连；所述第二继电器Y2的公共端一侧与所述第二接线端子P2一端相连接；所述第二继电器Y2的常闭端与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第二继电器Y2的线圈端一侧与所述第二场效应管源极相连接；所述第二继电器Y2的线圈端另一侧与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第二电容C2另一端、所述第二可变电阻R4另一端、所述第二场效应管Q2漏极接地；

所述第三光电隔离器U3的发射端正极与所述LM7805电源芯片的输出端相连接；所述第三光电隔离器U3的输出端正极与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第三光电隔离器U3的发射端负极与所述STM32F103C8T6的PA3引脚相连接；所述第三光电隔离器U3的输出端负极与所述第五电阻R5的一端相连接；所述第五电阻R5另一端与所述第三二极管D3阳极相连；所述第三二极管D3阴极与所述第三电容C3一端、所述第三可变电阻R6一端、所述第三场效应管Q3栅极相连；所述第三继电器Y3的公共端一侧与所述第三接线端子P3一端相连接；所述第三继电器Y3的常闭端与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第三继电器Y3的线圈端一侧与所述第三场效应管源极相连接；所述第三继电器Y3的线圈端另一侧与所述LM7812电源芯片的输出端相连接；所述第三电容C3另一端、所诉第三电阻R6另一端、所述第三场效应管Q3漏极接地；

所述STM32F103C8T6的VBAT引脚与所述ASM1117电源芯片的输出端相连接，所述搅拌涡轮驱动电路的第一接线端子P1与所述侧壁搅拌涡轮相连接，所述第二接线端子P2与所述的第一中心搅拌涡轮相连接，第三接线端子P3与所述第二中心搅拌涡轮相连接。

进一步的，所述控制器(15)还包括数据采集电路，所述数据采集电路包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十二电容C12、第一信号灯LED1、MAX3487通讯芯片U8、第四接线端子P4；

所述MAX3487通讯芯片U8的RO引脚与所述第十一电阻R11相连接；所述MAX3487通讯芯片U8的RE、DE引脚分别与所述STM32F103C8T6的PB13引脚相连接；所述MAX3487通讯芯片U8的DI引脚与所述STM32F103C8T6的PA9引脚相连接；

所述MAX3487通讯芯片U8的GND引脚接地；所述MAX3487通讯芯片U8的A引脚与所述第十三电阻R13的一端、所述第4接线端子P4的端相连接；所述MAX3487通讯芯片U8的B引脚与所述第十三电阻R13的另一端、所述第4接线端子P4的另一端相连接；所述MAX3487通讯芯片U8的VCC引脚与所述LM7805电源芯片的输出端相连接；

所述第十电阻R10的一端与第十一电阻R11另一端与所述STM32F103C8T6的PA10相连接，所述第十电阻R10的另一端接地；所述第十二电阻R12的一端与所述LM7805电源芯片的输出端相连接，所述第十二电阻R12的另一端与所述第一信号灯LED1的阳极相连接；所述第一信号灯LED1的阴极接地；所述第十二电容C12的一端与所述LM7805电源芯片的输出端相连接，所述第十二电容C12的另一端接地；所述数据采集电路的第四接线端子P4与所述传感器组相连接。

本发明还提出根据上述一种铟金属电解液酸碱度快速检测装置实现的搅拌方法，该方法包括如下步骤：

(1)设置侧壁涡轮初始搅拌时间为t

(2)读取第一pH传感器与第二pH传感器的数据，得到pH差异值EC，公式为：

EC＝|E

其中，E

根据侧壁搅拌涡轮搅拌强度F

T

控制所述侧壁搅拌涡轮按照搅拌时间T

(3)当侧壁搅拌涡轮搅拌停止，读取第三pH传感器的数据，得到pH测量值E，根据E可得中心涡轮搅拌强度F

根据中心搅拌涡轮搅拌强度F

T

T

控制第一中心搅拌涡轮与第二中心搅拌涡轮根据搅拌时间T