滴定仪的整体设计与软硬件框架的实现

　　钾肥作为我国农业生产过程中最重要的3种基础肥料之一，关系到整个***的粮食生产安全，地位和作用不容忽视。盐湖作为钾肥最重要的来源地，其产出的结晶矿物中同时包含多种矿物元素，如何将它们进行有效区分以用于不同的需求是盐湖选矿过程的重要任务。传统的浓度检测过程大多需要工人现场手工滴定观察来完成。手工滴定分析法操作简单、方法成熟，广泛使用于盐湖行业的离子浓度检测。其滴定分析过程耗时长，滴定终点的判断也依赖于目视判决。鉴于传统滴定分析方法的上述不足，本文研制的基于色度分析的自动滴定仪系统解决了传统离子浓度检测中操作复杂度高、检测精度低、检测周期长等问题，为盐湖行业工业自动化产品的快速发展和推广具有重要意义。

　　自动滴定仪系统整体设计

　　从容量法出发，提出了滴定仪的整体设计方案。对容量法的滴定步骤、滴定用量、变色反应进行了分析，制定了对应的控制流程和检测算法，确定了系统的数据和功能需求，研制出了基于色度分析的自动滴定仪。四苯硼钠-季胺盐容量法同样作为测定钾离子的常用手段，被各大盐湖行业所使用。容量法原理为：碱性环境中，过量四苯硼钠与钾离子反应生成四苯硼钾沉淀，随后过剩的四苯硼钠与季铵盐反应生成四苯硼季铵盐沉淀，四苯硼钾沉淀需要加入松节油包裹防止解离，四苯硼钠全部消耗之后，继续滴入过量季铵盐会与达旦黄指示剂进行显色反应，以粉红色表示滴定终点。对比重量法标准检测结果和四苯硼钠容量法检测结果，待测溶液离子含量为8%~10%时，容量法检测回收率在99.04%~100.84%之间，滴定结果的相对标准偏差<0.35%。

　　滴定仪组成框架

　　滴定仪器包括：人机交互、处理核心、运动部件3个部分。人机交互部分主要是MCGS的组态显示器，负责仪器的数据显示功能，包括相关参数的输入、检测模式的选择、检测数据的网络转发等功能。处理核心部分主要是微处理器，负责数据的采集和处理功能，包括解析屏幕指令、下发控制指令、颜色算法、控制算法等功能。被控对象主要是电机、液泵、传感器，负责仪器的相应动作，完成对应功能滴定仪器实现溶液的定量吸液、排液，溶液反应变色的快速捕获，检测结果的快速运算，实时保存上传数据，通过网络共享到车间指导工艺环节生产。

　　系统硬件实现

　　容器进行***定量有序的进量、给量动作。控制摇台有序转动，***容器内试剂充分混合进行反应。各运动部件均有限位开关，确保不超程动作。2）主控器搭载uC/OS-II系统，采用分时复用方式进行多任务操作，***各任务状态切换的高效性和数据传输的快速稳定。系统多任务设计如下：传感器模块、人机交互模块、运动部件4个部分。其中控制模块部分以NXPlpc1788处理器为主控核心，处理和分析外设数据，实现数据的互通交换。传感器部分包括颜色传感器、液位传感器、温度传感器、限位传感器等，将仪器的实时状态、监测数据回送给控制模块。人机交互模块包括MCGS组态显示屏，实时显示仪器的状态信息、结果数据和下发各项控制指令。

　　软件架构实现

　　该滴定仪器旨在为检测行业提供一种稳定可靠、精度高的元素离子分析系统。有效避免人工操作不具备良好的一致性问题，降低操作引起的人为误差，同时节省检测成本。由此进行软件系统整体功能设计，即其计算机软件配置项（CSCI）。系统的软件实施方案从以下几点实现：1）系统主控制器控制各运动部件进行定量动作。控制电磁阀开关配合泵体，按预设指令往反应任务一轮询任务，实时接收上位机传输的指令，解析出相应的动作指令；任务二Modbus通信任务，数据流的传输协议，稳定进行双向数据传输，便于进行人机交互。任务三检测滴定任务，控制运动部件按规定指令进行配合动作，监视溶液反应颜色变化，高效准确的变色判定，最后上传检测结果。

　　非接触透射式色度传感器设计

　　颜色测量方法可以分为：目视法和光电积分法。1）目视法：是色度测量的最基本方法，通过目视方式比较色样中被测色样与标准色样之间的色差。2）光电积分法：通过测得的探测器光谱响应与正标准色度观察者光谱三刺激曲线匹配，形成特定的光谱响应曲线，以此来对被测光谱功率进行积分测量。该方法测量速度快，但受限于探测器光谱灵敏度，仅适用于对精度要求不高的场合。非接触透射式结构设计：光源与传感器符合0/0分布方式。光源光束直接透射被测试剂进入色度传感器。传感器安装位置为盛装试剂装置的底部，中间不与试剂相接触。色度传感器的测色控制流程主要分为以下3个部分：***：传感器白平衡校正。色度传感器测色之前需要建立一个统一的测色标准，***测量的***度，因此需要在颜色采集前完成白平衡校正，标定传感器为待检测状态。第二：颜色采集。在颜色采集过程中，通过I2C对4个颜色采集器进行轮询读取，融合4组数据取其平均值作为当前采样输出。第三：颜色发送程序。获取溶液的实时颜色RGB值后，执行相应的发送程序。等待主控芯片的触发信号，将结果通过串口发送到连接的主控芯片。

　　结果分析

　　研制的基于色度分析的自动滴定仪用来测定样品中各种元素的浓度，利用自研的色度传感器、专有的图形图像处理算法、高精度液相滴定系统以及复杂的数据处理方式，解决了传统离子浓度检测中操作复杂度高、检测精度低、检测周期长等问题。实际测试结果相比传统人工测试结果准确度高，重复性好，能更好的满足工业生产需要。