PH測(cè)試儀的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文題 目：ph測(cè)試儀的設(shè)計(jì)學(xué) 院：電氣與電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：生物醫(yī)學(xué)工程指導(dǎo)教師：2010年6月10日摘要本文設(shè)計(jì)的pll測(cè)試儀采用屯化學(xué)原理及單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)完成對(duì)各種溶液屮 氫離子濃度的測(cè)定。本論文詳細(xì)地論述了pll測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，包括氫離子濃度的測(cè)量原 理、標(biāo)定方法、傳感器設(shè)計(jì)，測(cè)量屯路原理圖和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。pll測(cè)試儀配用適當(dāng)?shù)膮⒈韧蜆O和指示屯極能夠?qū)潆x子的濃度進(jìn)行測(cè)定。采用的 三電極測(cè)量系統(tǒng)可大大降低外界干擾的影響。輸入電路采用高阻差分放大電路，輸入 電阻可高達(dá)10q。傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)可以降低參比屯極內(nèi)溶液的離子干擾。儀器電 路以mcs-51單片機(jī)系統(tǒng)為核心，使

2、本儀器的智能化程度高。這樣，使其具有校準(zhǔn)記憶, 能自動(dòng)調(diào)節(jié)斜率，溫度白動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰皺z測(cè)時(shí)間定時(shí)等功能。采用人機(jī)對(duì)話方式, 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、標(biāo)定、存儲(chǔ)、顯示數(shù)據(jù)等功能。儀器的標(biāo)定采用兩點(diǎn)標(biāo)定法對(duì)儀器 進(jìn)行校準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：三電極；兩點(diǎn)標(biāo)定；高阻；溫度補(bǔ)償title： the design of the ph instrumentabstracton the basis of electrochemical principle and single-chip microcomputer techniques, this system can measure activity in solution.

3、 the paper details the research and design of intelligent versatile ion meter, including the measuring principle, the calibration way, the design of transducer, measuring circuit software scheme .the ph tester is equipped with the appropriate reference electrode and indicator electrode to the concen

4、tration of hydrogen ions was determined. we used three-electrode measurement system can greatly reduce the impact of outside interference. the unique sensor design can reduce the reference electrode and ionic interference. instrument circuit system to mcs-51 microcontroller core, is the instrument o

5、f high intelligence. thus, it has a calibration memory, can automatically adjust the slope, automatic temperature compensation capability and the detection time timer functions. the use of man-machine dialogue, enabling automatic measurement, calibration, storage, display data functions. we use two

6、points of calibration to calibrate the instrument.key words: ph value; temperature compensation; the correct calibration ofph meter第一章緒論-1 -1.1課題背景-1 -1.2 ph測(cè)試儀研究的必要性-2 -1. 3 ph測(cè)試儀的發(fā)展概況-3 -14主要內(nèi)容-4-第二章ph測(cè)試儀的整體設(shè)計(jì)2. 1 ph測(cè)試儀的測(cè)量原理-5-2. 1. 1三電極測(cè)量系統(tǒng)- 6 -2. 1.2兩點(diǎn)標(biāo)定法-6 -2. 2 ph測(cè)試儀的測(cè)量方法-8-2. 2. 1指示電極-8-2. 2.

7、2參比電極-10-2. 2.3測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)-11-2.3溫度對(duì)測(cè)量的影響-13-2.4檢測(cè)下限與測(cè)量范圍 -13-2.5方案論證-14-26本章力、纟吉-16-第三章ph測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)-17-3. 1 i川測(cè)試儀的屯路原理圖-17-3. 2輸入電路-18-3. 2. 1溫度采集電路-18-3. 2.2 pll信號(hào)釆集電路-19-3.3模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)-20-3.4 a/d 轉(zhuǎn)換器-21-3. 5 d/a 轉(zhuǎn)換器-23-3. 6標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出電路-24-3. 7電源模塊的設(shè)計(jì)-25-3. 8鍵盤和顯示的設(shè)計(jì) -25-3.9總線擴(kuò)展電路-26-3. 10本章小結(jié)-28-第四章ph測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)-

8、 29-4. 1軟件控制程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容- 29-4. 2系統(tǒng)主程序-29-4. 3標(biāo)定子程序一 31一4. 4 0®量子程序 一 32一4.5本章小結(jié)-32-第五章儀表的功能測(cè)試及誤差分析- 34-5. 1數(shù)據(jù)分析-34-5.2誤差分析-34-5. 2 結(jié)論-35-參考文獻(xiàn)-37-致 謝錯(cuò)誤!未定義書簽。附 錄-40 -第一章緒論1.1課題背景本文所設(shè)計(jì)的ph測(cè)試儀，歸屈于電位式分析儀器。在測(cè)量溶液中的氫離子濃 度時(shí)用到電位分析法。電位分析法是指通過(guò)三電極測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)溶液構(gòu)成的測(cè)量 電池（原電池）的電動(dòng)勢(shì)，獲知被測(cè)溶液離子濃度的分析方法。用于該分析法的儀 器成為電位式分析儀器。

9、電位式分析儀器主要由測(cè)量電池和高阻毫伏計(jì)（離子計(jì)）兩部分組成。測(cè)量電 池是由指示電極、參比電極和被測(cè)溶液構(gòu)成的原電池，參比電極的電極電位不隨被 測(cè)溶液濃度的變化而變化，指示電極對(duì)被測(cè)溶液中待測(cè)離子很敏感，其電極電位是 待測(cè)離子濃度的函數(shù)，所以原電池的電動(dòng)勢(shì)與待測(cè)離子的濃度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系， 可見，原電池的作用是把難以直接測(cè)量的離子濃度轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電學(xué)量（測(cè)量 電池的電動(dòng)勢(shì)）。高阻毫伏計(jì)是檢測(cè)測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)的電子儀器，如果它兼有直接 讀出待測(cè)離子濃度的功能，就是離子計(jì)。電位式分析儀器具有讀數(shù)直觀、清晰和測(cè)量精確度高的優(yōu)點(diǎn)。隨著化學(xué)傳感器 （電極）、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展應(yīng)用日趨廣泛。電子技術(shù)

10、的發(fā)展，促進(jìn)了電位法測(cè)量?jī)x器的不斷更新。數(shù)字式直流電壓表的普 及，使儀器能夠很快的數(shù)字化。這也使電位法測(cè)量?jī)x器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新領(lǐng)域。ph測(cè)試儀隨著化學(xué)儀表的發(fā)展，也不斷地更新?lián)Q代。在電子技術(shù)飛速發(fā)展的 基礎(chǔ)上，ph測(cè)試儀的電子線路由電子管電路進(jìn)入品體管電路再進(jìn)入了集成電路。 各種智能型芯片被應(yīng)用于分析儀器中，提高了儀器的智能化和測(cè)量精度，并且也 簡(jiǎn)化了儀器的測(cè)量電路。微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得制造智能化的新型電位分析儀器成為了可能。隨著 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及，出現(xiàn)了許多微機(jī)化電位測(cè)量?jī)x器，它用軟件來(lái)完成電位、ph 濃度的測(cè)定。對(duì)于那些測(cè)量方便，而計(jì)算很復(fù)雜的方法，如多次添加法有重要的意 義。同

11、時(shí)，它能進(jìn)行背景校正，以及溫度自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校正等多種功能。這種 儀器由于操作簡(jiǎn)便、測(cè)定速度快、靈敏度高、精度好，是電位法測(cè)量?jī)x器的發(fā)展方 向。ph測(cè)試儀主要是對(duì)溶液中氫離子濃度的測(cè)量。它是工業(yè)生產(chǎn)中的重要分析內(nèi) 容之一，在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常要分析中間產(chǎn)物及生產(chǎn)過(guò)程中各種離子活度。例如： 在電廠水汽分析中，測(cè)定氫離子含量，過(guò)去我們常用化學(xué)分析法、如容量法，但是 這種分析方法周期長(zhǎng)，不能滿足自動(dòng)化的要求。利用電化學(xué)原理，通過(guò)在零電流條 件下對(duì)非極化屯極的屯位進(jìn)行測(cè)定，可以準(zhǔn)確獲得被測(cè)溶液氫離子濃度。這種方法 是近代發(fā)展起來(lái)的一類分析方法，成為電位分析法，它是根據(jù)發(fā)生特定反應(yīng)電池的 電特性進(jìn)行分析。與

12、其它分析方法相比，具有準(zhǔn)確、可靠、迅速等優(yōu)點(diǎn)，已成為分 析化學(xué)屮的一個(gè)重要方面，在自然科學(xué)的許多領(lǐng)域里得到了應(yīng)用，并成為常規(guī)和工 業(yè)自動(dòng)分析屮的一種不可缺少的手段。1.2 ph測(cè)試儀研究的必要性溶液酸堿度的檢測(cè)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。例如：測(cè)量工業(yè)廢水的酸 堿度，以便選擇合適的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行中和，使其生成無(wú)毒無(wú)污染便于沉淀或蒸發(fā)的 物質(zhì)。過(guò)程用ph測(cè)試儀在各行各業(yè)的原材料測(cè)定、管理、制造工程中，對(duì)反應(yīng)條 件的控制、監(jiān)視，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)等方面起了極其重要的作用。除此以外， 為了防止公害，ph測(cè)試儀作為排水監(jiān)測(cè)儀表，作用也很大。隨著現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn) 向大型、高效、快速的方向發(fā)展和自動(dòng)化程

13、度的提高，工業(yè)ph測(cè)試儀的應(yīng)用領(lǐng)域和 需求量也h益擴(kuò)大。目前工業(yè)ph測(cè)試儀已廣泛的應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵、電 力、食品、釀造、醫(yī)藥、紡織、制革、造紙、印染、水處理、鍋爐系統(tǒng)等各個(gè)工業(yè) 部門。而且越來(lái)越顯示出工業(yè)ph測(cè)試儀將成為上述工業(yè)部門中檢測(cè)和控制所必不 可少的有效工具。例如，在印染行業(yè)，ph值的精確度對(duì)染料的高吸收率是衡量印 染過(guò)程是否有效的重要因素之一，這無(wú)論對(duì)于節(jié)省原材料，減少?zèng)_洗槽的數(shù)量，述 是對(duì)于以后的污水處理來(lái)說(shuō)，都十分有益。染料的吸收率取決于纖維材料，終點(diǎn)ph 終點(diǎn)溫度，染色深度以及染色時(shí)間，特別是終點(diǎn)溫度及終點(diǎn)ph尤其重要。通常通 過(guò)儀器對(duì)時(shí)間和溫度曲線進(jìn)行自動(dòng)控制，而對(duì)ph

14、值只是簡(jiǎn)單的通過(guò)加入染料進(jìn)行 調(diào)節(jié)。在最終檢查ph值的時(shí)候經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)變化很大。即使使用了緩沖染料后，終 點(diǎn)ph值都不盡準(zhǔn)確并且各個(gè)罐批之間差值很大，這是就需加入例外的酸進(jìn)行調(diào)節(jié)。 終點(diǎn)ph值的重復(fù)性不好會(huì)直接影響染料吸收的效率及均勻度。離子選擇性電極法，在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用。電極法簡(jiǎn)單易行，便 于重復(fù)測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)偏差小，因而分析結(jié)果比較準(zhǔn)確。電極法不需要許多昂貴的度數(shù) 設(shè)備，例如曲線的線化電路、積分器和圖紙記錄儀等，通過(guò)離子計(jì)可直接讀取濃度 值。電極法分析還可以節(jié)省時(shí)間，僅需幾分鐘，典型的單詞分析時(shí)間為1分鐘。在 許多情況下，用電極進(jìn)行多樣分析比其他自動(dòng)分析以更快。由于電極可以攜帶，故

15、 測(cè)量并不局限在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。質(zhì)量控制分析可以直接在工廠現(xiàn)場(chǎng)完成，所用方法是 相同的。采樣可以在水庫(kù)、江河、溪流的岸邊進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室外所用的方法與實(shí)驗(yàn)室 內(nèi)的相同。岡電極法是靈敏的，可測(cè)量低yg/l。電極直接測(cè)量法與樣品體積無(wú)關(guān)。我們使用離子電極分析發(fā)來(lái)測(cè)量離子的濃度，具有簡(jiǎn)便、快速的特點(diǎn)。另外， 由于離子電極分析法所依據(jù)的電位變化可供連續(xù)顯示與自動(dòng)記錄，因而使用這種方 法有利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)與自動(dòng)分析。在這方面，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理機(jī)、 微型計(jì)算機(jī)等的應(yīng)用，更加速了離子電極測(cè)試儀表與數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)化進(jìn)程，所 以研究新型的ph測(cè)試儀是必要的。二十世紀(jì)七十年代后期國(guó)外出現(xiàn)了許多微機(jī)化 ph測(cè)

16、試儀，這些ph測(cè)試儀的功能全面，但其價(jià)格比較昂貴，維護(hù)量比較大。所以 研究一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用型ph測(cè)試儀是很有必要的。91.3 ph測(cè)試儀的發(fā)展概況ph測(cè)試儀在h本發(fā)展很快，特別是70年代和80年代h本的產(chǎn)品緊跟時(shí)代潮 流，每個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品都具有時(shí)代的特點(diǎn)，都具有代表性及世界的先進(jìn)性。世界上第一臺(tái)商品ph計(jì)創(chuàng),是arnold beckman t* 1936年研制生產(chǎn)的。工業(yè) ph計(jì)的問(wèn)世約于40年代末期。h本生產(chǎn)的第一臺(tái)工業(yè)ph計(jì)是于1951年由h本電 氣式化學(xué)計(jì)研究所（dkk前身）研制生產(chǎn)的，1953年h本橫河電機(jī)開始研制生產(chǎn)工業(yè) ph計(jì)。初期的ph測(cè)定裝置是由傳感器亦稱發(fā)送器（包括玻璃電極、參比電

17、極、溫度補(bǔ) 償元件）和阻抗變換、放大、指示的電子單元兩部分組成。人們習(xí)慣上把阻抗變換、 放大、指示部分叫ph計(jì)或ph變送器。而現(xiàn)代的工業(yè)ph測(cè)定裝置，或稱為工業(yè)ph 計(jì)，則應(yīng)包括ph傳感器、支架、ph變送器，安全保持器、電極清洗單元、配電箱 等一個(gè)完整的系統(tǒng)。70年代是工業(yè)ph測(cè)試儀具有突破性進(jìn)展的年代。由于生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制的 實(shí)際需要和先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的開發(fā)，ic和fet的岀現(xiàn)，使工業(yè)ph計(jì)在70年代取得 了突破性的進(jìn)展。h本橫河電機(jī)利用fet和1c組成的高輸入阻抗變換器體積小的 特點(diǎn)，于1971年首次推岀由ph傳感器、高阻變換器和指示器構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)的8511 型（流通式）ph變送器，并由

18、ph變送器、超聲波振蕩器和安全保持器組成小型工業(yè) ph系統(tǒng)。該儀器首次把2線式傳輸方式用于工業(yè)ph計(jì)系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化了本質(zhì)安全 防爆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)o 1011975年，日立生產(chǎn)的k-7型工業(yè)ph計(jì)中，首次將玻璃電極、比 較電極和溫度補(bǔ)償電極一體化，構(gòu)成復(fù)合電極，這種復(fù)合電極的出現(xiàn)，無(wú)疑為ph 傳感器的小型化作出了貢獻(xiàn)。1979年，橫河電機(jī)在8511型ph變送器的基礎(chǔ)上，推 出ph6f型ph變送器；后又于1982年推出ph8f型ph變送器。并由ph 8 f型變送 器與ph傳感器及其輔助設(shè)備構(gòu)成了 ph工系列。該ph系列曾在我國(guó)1983年多國(guó) 儀器儀表展覽會(huì)上展出，受到好評(píng)。80年代是工業(yè)ph計(jì)微機(jī)化、

19、智能化的年代。自從1971年微處理機(jī)問(wèn)世以來(lái)， 由于其獨(dú)特的功能，引起了人們極大的興趣?？蒲猩a(chǎn)單位首先研制生產(chǎn)了帶微處 理機(jī)的實(shí)驗(yàn)室ph計(jì)。而工業(yè)ph計(jì)的微機(jī)化約于1983年。1984年h本電氣化學(xué)計(jì) 生產(chǎn)了 hbm51型帶微機(jī)的工業(yè)ph計(jì)。該儀器能夠進(jìn)行ph自動(dòng)校止和電極的自動(dòng) 清洗。儀器采用液晶7段數(shù)字顯示，具有校正時(shí)屯極電位穩(wěn)定性判斷功能；檢量線 運(yùn)算功能，用液晶顯示校正異常和電極劣化功能；上下限調(diào)節(jié)功能，任意設(shè)定量程 功能；輸出同步功能及ph標(biāo)準(zhǔn)液在各溫度下ph值的存儲(chǔ)功能等。1987年9月，日 本橫河屯機(jī)在pll工系列的基礎(chǔ)上推出具有白診斷功能的tm20bg型工業(yè)pll計(jì)。該儀 器

20、為一體化結(jié)構(gòu)，具有高可靠性、多功能、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。1989年月本橫河 電機(jī)又推出exaph ph 200 g型智能式工業(yè)ph計(jì)，儀器配有微處理機(jī),據(jù)稱該exa 型ph計(jì)是世界上第一臺(tái)智能2線式工業(yè)ph計(jì)。90年代是工業(yè)pll計(jì)微機(jī)化、智能化普及的年代。90年代用戶對(duì)工業(yè)ph計(jì)的 要求為：可靠性高、易維護(hù)、成本低、操作方便、小型、防爆口能在條件惡劣的 場(chǎng)所使用。要求儀器具有傳感器自診斷、標(biāo)準(zhǔn)液自動(dòng)校正，電極自動(dòng)清洗，以及 具有人機(jī)對(duì)話和通訊功能。產(chǎn)品系列化，為滿足不同用戶的要求，儀器應(yīng)具有多 種電極清洗方式，可供用戶選用。2線式傳輸，具有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，便于和計(jì)算 機(jī)聯(lián)用?？梢砸环N機(jī)器多種用

21、途，儀器不僅可檢測(cè)pll值，也可對(duì)0rp（氧化還原 電位）、電導(dǎo)率、離子濃度、溫度等一項(xiàng)或幾項(xiàng)聯(lián)合檢測(cè)。1.4主要內(nèi)容ph測(cè)試儀是一種利用電化學(xué)原理設(shè)計(jì)制造的新型電位式測(cè)量?jī)x器，在本課題 研制過(guò)程中，設(shè)計(jì)了 ph測(cè)試儀的ph信號(hào)輸入電路和溫度采集電路，其中ph信號(hào) 采集電路用高阻運(yùn)算放大電路，將高阻的ph信號(hào)進(jìn)行放大；而溫度采集電路用 ad590溫度傳感器的放大電路完成溫度采集功能。用4051對(duì)進(jìn)來(lái)的溫度和ph信 號(hào)進(jìn)行選擇并送入mci4433, mci4433將其中之一的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)， 并將其送入單片機(jī)進(jìn)行下一步操作。最后儀器將所得的ph值存儲(chǔ)到單片機(jī)，并由 lcd顯示。文中對(duì)相應(yīng)

22、的輸入、輸岀電路進(jìn)行計(jì)算。并列舉了系統(tǒng)主程序、鍵盤子 程序、標(biāo)定子程序和測(cè)量子程序等流程框圖。第二章ph測(cè)試儀的整體設(shè)計(jì)2.1 ph測(cè)試儀的測(cè)量原理數(shù)學(xué)模型的建立:水溶液的酸堿度與被測(cè)溶液的ph值關(guān)系，可以用能斯特方程 表示為(2-1)e = eo 2.3o3rt/ f* pheq：電極的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位；r：氣體的常'數(shù)r二& 314焦耳/摩；t：絕對(duì)溫度t二27315+t；f：法拉第常數(shù)f =96500庫(kù)/摩。把常數(shù)帶入(2-1)e = eo (54. 20+0. 1984t) *phe_ eo54.20 + 0.1984/(2-2)我們采用電極的零電位pll二7,則phe7-54

23、.20 + 0.1984/(2-3)由(2-3)式可知，ph值與電極產(chǎn)生的電勢(shì)呈線性，并且與溫度有關(guān)。隨著電極的使用，其轉(zhuǎn)換率降低，pll響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。因此，必須對(duì)其屯極的轉(zhuǎn) 換率進(jìn)行修正，一般電極的轉(zhuǎn)換率低于94%就不能使用了，再考慮電極的固有誤差, 則(2-3)式變?yōu)閜h = kx(e_ex)_(鳥厶)7-54.20 + 0984rkx：電極的補(bǔ)償斜率；ex :電極的固有誤差；kx,必都是由固定溶液測(cè)定的。因?yàn)?，在我?guó)標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中，沒(méi)有ph二7. 000。我們采用定標(biāo)的中性溶液為 ph二6. 684, ph=4. 003, ph二9. 182。把 ph=6. 864 代入(2-4)得(2-

24、5)e理2-e理1 (理論mv數(shù))e實(shí)2-e實(shí)2 (實(shí)際mv數(shù))廠 廠 0.136x(54.20 + 0.1984/)kxex = £6.86;把（2-5）代入（2-4）得(2-6)網(wǎng)二 6.864-心(e 處)54.20+ 0.1984/e6.86為玻璃電極再ph二6. 864標(biāo)準(zhǔn)溶液產(chǎn)牛的電動(dòng)勢(shì)。2. 1.1三電極測(cè)量系統(tǒng)因?yàn)楣腆w電極的內(nèi)阻較高，測(cè)量池中又增設(shè)了溶液接地電極，所以儀器的測(cè)量 電路屮，必須屮必須有雙高阻電路。圖21是這種三電極測(cè)量電路的示意。由圖21 可知，變送器的輸入級(jí)由兩個(gè)相同的高輸入阻抗放大器3、6組成。用放大器3測(cè) 量參比電極與溶液接地電極之間的電勢(shì)；用放人

25、器6測(cè)量指示電極與溶液接地電極 z間的電勢(shì)，這兩個(gè)電勢(shì)的代數(shù)和就是與待測(cè)溶液的ph相關(guān)的電勢(shì)差（等于指示 電極和參比電極z間的電動(dòng)勢(shì)），放大器用來(lái)測(cè)量這個(gè)電勢(shì)差。從圖2-1 nj知，這樣 的測(cè)量系統(tǒng)可消除由于人地冋路漏電流引起的測(cè)量誤差，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。2. 1.2兩點(diǎn)標(biāo)定法標(biāo)定方法很多，標(biāo)定是用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)液去校準(zhǔn)儀器。算出測(cè)量方程中的未 知數(shù)，然后才能在測(cè)量過(guò)程中根據(jù)測(cè)量值和參數(shù)值算出被測(cè)試樣濃度值。對(duì)于實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能斯特方程響應(yīng)的實(shí)際曲線又往往偏離理想曲線，即實(shí)際響應(yīng)的 曲線的斜率不等于理想曲線的斜率，所以只有知道實(shí)際的斜率，測(cè)量系統(tǒng)屮的電極 才能使用。標(biāo)定不僅在運(yùn)行初期

26、進(jìn)行，在運(yùn)行過(guò)程中，由于化學(xué)反應(yīng)的一些不確定 因素發(fā)生的變化引起的測(cè)量值的漂移，一般必須由標(biāo)定來(lái)消除。對(duì)此，我們采用兩 點(diǎn)標(biāo)定法。過(guò)程如下：(1) 配制兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液，令其ph值分別為phl和ph2o(2) 把ph探頭與溫度傳感器置于標(biāo)準(zhǔn)溶液中，則可以測(cè)得相應(yīng)的電壓和溫度 值，如圖21中的pl、p2點(diǎn)。依據(jù)屯極理論：(2-7)(2-8)(2-9)mv2 = (ph2 pho)k2mv = (phl-pho)-kik2 = kl + (t2-tl)ak式屮ki、k2對(duì)應(yīng)tl、t2的電極斜率； pho電極零屯位的ph值；k屯極斜率隨溫度的變化率(«=(). 1984073)。由前所述，式屮

27、僅有pho、ki、k2為未知，因此可由上式求得電極的零電位 點(diǎn)pho以及t1溫度下的斜率k1,并把k1換算成25°cci寸的斜率k25。儀表自動(dòng)完成上述過(guò)程并把pho值和25°c時(shí)的斜率k25保存在eeprom。 屯極標(biāo)定過(guò)程即求屯極的零點(diǎn)和確定溫度下的斜率。選用兩點(diǎn)標(biāo)定方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)標(biāo)定。如圖22所示。圖2-2 ph電極的mv-ph曲線2.2 ph測(cè)試儀的測(cè)量方法測(cè)量ph值的方法很多，主要有化學(xué)分析法、試紙法、電位法。現(xiàn)主要介紹電位 法測(cè)得ph值。試紙法是通過(guò)ph試紙顏色的變化來(lái)測(cè)量溶液的ph值。是采用有些指示 劑在不同的酸堿度下能呈現(xiàn)變化或變化為不同顏色這一特性來(lái)測(cè)量

28、溶液酸堿度的一 種方法。它方便、快捷。但會(huì)受到溶液本身顏色或蛋白質(zhì)等物質(zhì)的干擾而被限制采 用.只適用于分辨力大于0.5ph值的測(cè)量；而對(duì)于分辨力小于05ph的測(cè)量，我們均采 用電位法即用ph測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。這里主要介紹這種測(cè)量方法。電位分析法所用的電極被稱為原電池。原電池是一個(gè)系統(tǒng)，它的作用是使化學(xué)反 應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能。此電池的電壓被稱為電動(dòng)勢(shì)(emf)o此電動(dòng)勢(shì)(emf)由二個(gè) 半電池構(gòu)成，其中一個(gè)半電池稱作測(cè)量電極，它的電位與特定的離子活度有關(guān)，如 h+；另一個(gè)半電池為參比半電池，通常稱作參比電極，它一般是測(cè)量溶液相通，并 且與測(cè)量?jī)x表相連。例如，一支電極由一根插在含有銀離子的鹽溶液中的一

29、根銀導(dǎo)線 制成，在導(dǎo)線和溶液的界面處，由于金屬和鹽溶液二種物相中銀離子的不同活度，形 成離子的充電過(guò)程，并形成一定的電位差。失去電子的銀離子進(jìn)溶液。當(dāng)沒(méi)有施加外 電流進(jìn)行反充電，也就是說(shuō)沒(méi)有電流的話，這一過(guò)程最終會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡。在這種平 衡狀態(tài)下存在的電壓被稱為半電池電位或電極電位。這種(如上所述)由金屬和含有 此金屈離子的溶液組成的電極被稱為第一類電極。此電位的測(cè)量是相對(duì)一個(gè)電位與鹽溶液的成分無(wú)關(guān)的參比電極進(jìn)行的。這種具有 獨(dú)立電位的參比電極也被稱為第二電極。對(duì)于此類電極，金屬導(dǎo)線都是覆蓋一層此種 金屈的微溶性鹽(如：ag/agcl并且插入含有此種金屬鹽限離子的電解質(zhì)溶中。 此時(shí)半電池電位或

30、電極電位的大小取決于此種陰離子的活度。ph測(cè)試儀是根據(jù)ph實(shí)用定義采用氫離子選擇性電極測(cè)量水溶液ph值的一種廣泛 使用的化學(xué)分析儀器，是用其電勢(shì)法測(cè)量ph值的。2. 2. 1指示電極指示電極是組成電位分析儀的基本部件，大部分指示電極是離子選擇性電 極。它具有將溶液中某特定離子的活度轉(zhuǎn)變成一定電位的功能。各種離子選擇 性電極都有一個(gè)被稱為離子選擇性膜的敏感元件。離子選擇性電極的性能主要 取決于膜的種類及其制備技術(shù)，常用的離子選擇性電極有晶體膜電極、液膜電 極和玻璃膜電極等。理想的離子選擇性電極的電位與離子活度的關(guān)系應(yīng)符合能斯特方程e = eo±slg6z (式中陽(yáng)離子取“ + ”號(hào)，陰

31、離子取a為溶液屮此離子的活度值；s為電機(jī)的斜率項(xiàng)，是溫度的函數(shù)；e。為電極等電勢(shì)點(diǎn)的電位值。電極的響應(yīng)斜率只在一定的活度范圍內(nèi)維持基本不變，當(dāng)活度小于一定值 吋，斜率明顯的變小。如下圖，當(dāng)離子活度從大變小直到無(wú)限稀吋，e-lgf/曲線 與直逐漸彎曲，盲至與水平軸平行。這說(shuō)明在活度低時(shí)，測(cè)量受到一定的限制。 指示電極的測(cè)量范圍上限，一般為1mol/l這并不是說(shuō)電極在更濃的溶液中不能 響應(yīng)，主要考慮液接電位難穩(wěn)定。此外，有些液膜電極在濃溶液中無(wú)響應(yīng)，還 有固體膜電極在濃溶液中受腐蝕嚴(yán)重。最常用的ph指示電極是玻璃電極。它是一支端部吹成泡狀的對(duì)于ph敏感的玻 璃膜的玻璃管。指示電極是組成電位式分析儀

32、器的基木部件，大部分指示電極是離子選擇性電 極。離子選擇性電極是具有將溶液中某種特定離子的濃度轉(zhuǎn)變成電位功能的電極。 各種離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)雖然各有其特點(diǎn)，但都有一個(gè)被稱為離子選擇性膜的敏 感元件，離子選擇性電極的性能主要取決于膜的種類及制備技術(shù)。離子選擇性電極的敏感膜都有滲透性，也就是說(shuō)被測(cè)溶液中的特定離子可以進(jìn)入膜 內(nèi)，并在膜內(nèi)移動(dòng)，從而可以傳遞電荷，在溶液和膜之間形成一定的點(diǎn)位。而膜的 滲透性是具有選擇性的，非特定離子不能再其中進(jìn)行滲透，這就是離子選擇性電極 對(duì)離子具有選擇性響應(yīng)的根本道理。1a1a21一參比電極；2參比電極；3敏感膜圖23膜電位示意圖2-3是測(cè)量離子選擇性敏感膜電位的

33、示意圖，圖中的1與2是完全相同的參比屯極；膜兩側(cè)的溶液中含有該膜能響應(yīng)的離子，且離子濃度分別為al、a2；膜兩 側(cè)的表面與相接觸的溶液z間存在著屯位差，分別為el、e2.,通常稱z為敏感膜 相界面電位。在一定測(cè)量范圍內(nèi)，相界面電位與離子濃度關(guān)系符合能斯特方程：eo +rt、 ina nfe2 = eo +rtnfnai(2-10)式屮g, g2皺感膜兩邊溶液的離子濃度；eo離子濃度a=,溫度為/時(shí)的電位值（溫度不同，eo不同）。所謂離子選擇性敏感膜的膜電位是指膜的兩側(cè)相界而電位之代數(shù)和，即膜電位e可表示為e = ei- ei = inai（2-11）nfnf2. 2.2參比電極同樣測(cè)量離子選擇

34、性電極電位必須有參比電極。在壓力、溫度一定的條件 下，當(dāng)被測(cè)液的組成改變吋，參比電極的電極電位（不包括液接電位）應(yīng)保持 恒定。參比電極應(yīng)具有可逆性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。常用的參比電極有氫電極、 甘汞屯極、銀氯化銀電極、固體參比電極和其他參比電極本設(shè)計(jì)使用的是銀氯化銀電極，它是一種方便可靠的電極，在電位穩(wěn)定性 和重現(xiàn)性方面都比較好，特別是在高溫下電極電位仍然比較穩(wěn)定。雖然它的溫 度系數(shù)較大，但“熱滯后”現(xiàn)象比甘汞電極下?，F(xiàn)在離子選擇性電極的內(nèi)參比 電極多采用銀氯化銀電極。(a)單接界(b)雙結(jié)界1 引線；2kci溶液；3- agcl絲；4磨口接口； 5陶瓷芯；6外鹽橋液圖2-4銀-氯化銀外參比電極結(jié)

35、構(gòu)示意圖銀-氯化銀電極表示為kc7, agcl (飽和)|agc7 (固體)，ag其中agc/是ag的固體難溶鹽，kc/溶液提供ci'1 (也可用hc7來(lái)提供)。電 極反應(yīng)為：agcl + e ag + cl電極電位為：e = eo- ln/-(2-12)f當(dāng)c廠濃度和溫度一定時(shí)，電極電位是一常數(shù)。盡管kc7內(nèi)充液的濃度可以 不同，但所用的kci溶液必須是agc7的飽和溶液，否則覆蓋在銀表面的一層4gc/ 將溶解到kc/溶液中，這將引起電極電位漂移或縮短電極的使用壽命。甘汞電極和銀-氯化銀電極的內(nèi)充液都可以做成凝膠形式這樣可以不用添加 kc7補(bǔ)充液。2. 2.3測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)在使用p

36、h測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定時(shí)，總是將待測(cè)溶液作為化學(xué)電池的一個(gè)組成部 分而進(jìn)行分析工作的?；瘜W(xué)屯池是一個(gè)換能器，它是一個(gè)化學(xué)電源，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，它?兩個(gè)屯極和接通兩電極的屯解質(zhì)溶液組成。在外電路沒(méi)有接通時(shí)，兩電極存在 電位差，該屯位差等于原電池的電動(dòng)勢(shì)。正是這一電動(dòng)勢(shì)的存在，在外電路接 通時(shí)，才能有電流在內(nèi)外電路屮流動(dòng)。原電池的電動(dòng)勢(shì)與兩電極各白的電位有 關(guān)，通常把金屬和它插入的該金屬的鹽溶液構(gòu)成的體系稱為半電池，并稱該金 屬為電極。金屬與溶液間的電位差叫做該電極的電位。電極電位不僅與金屬的 種類有關(guān)，而且與該溶液屮金屬的離子濃度有關(guān)。測(cè)量電池各部的電位如圖25所示。測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)可寫為e=

37、（ ed+e 不對(duì)稱+e1+e2+ e內(nèi)參）（2 一 13）對(duì)于確定的測(cè)量電池，e, e不対稱、el、e“、e外觀、e液接為常數(shù)，所以上式可表示為e = e na 外（2-14）nf式中ed+e不對(duì)稱+e1+e2+ e內(nèi)參-e外參+ e液接。這里的eo與溫度有關(guān)，只有在溫度不變 時(shí)，e才僅由°外決定。1指示電極；2參比電極；3被測(cè)溶液；e測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)；ed膜內(nèi)擴(kuò)散電位；e不對(duì)稱 膜內(nèi)不對(duì)稱電位；e內(nèi)參一內(nèi)參比電極；e外參一外參比電極；e液接一外參比電極的內(nèi)充 夜與待測(cè)液間的液接電位；e1敏感膜內(nèi)側(cè)的相界血電位；e2敏感膜外側(cè)的相界血電位。圖25測(cè)量電池電位示意2. 3溫度對(duì)測(cè)量的影

38、響rt在e=eo +ina代入r、f的值，并把1m換成2.303igo,則可變?yōu)槿缦滦问?nf(2-15)(2-16)e = eo + o.1984-lga對(duì)溫度t求導(dǎo)數(shù)dt dt nnd!nhf籌可理解為溫度變化一個(gè)單位吋測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)的變化值，即測(cè)量電池的溫度 系數(shù)，式表明它由三部分組成。些是電極的標(biāo)準(zhǔn)電位溫度系數(shù)項(xiàng)，它是表示電極特性的項(xiàng)，它與電極的膜材料、 dt內(nèi)充夜、內(nèi)外參比電極等的溫度特性有關(guān)。冬空l(shuí)gd是能斯特方程系數(shù)斜率項(xiàng)。當(dāng)11=1,溫度變化1°c,則斜率變0.1984mv； nn=2,則變化為0.0992mvo故ph測(cè)試儀都裝有溫度補(bǔ)償器，在電路上采取措施，以補(bǔ) 償

39、其對(duì)測(cè)量的影響。0.19847；血為溶液溫度系數(shù)項(xiàng),它受溶液中離子濃度的影響，而離子濃度又 n dt取決于它的濃度系數(shù)和離子強(qiáng)度。對(duì)弱電解質(zhì)和溶液形成絡(luò)合物的電解質(zhì)溶液，還受 它們的平衡常數(shù)的影響?？梢娺@項(xiàng)是很復(fù)雜的，一般的離子計(jì)不能對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。所以在電位法測(cè)量中，嚴(yán)格地說(shuō)，在表明標(biāo)準(zhǔn)也和被測(cè)濃度的同時(shí)也應(yīng)標(biāo)明其溫度。因此一般的離子計(jì)只能對(duì)能斯特方程中的溫度系數(shù)斜率項(xiàng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，只能消 除溫度對(duì)測(cè)量的部分影響，因此若嚴(yán)格要求，測(cè)量應(yīng)在恒溫條件下進(jìn)行。2.4檢測(cè)下限與測(cè)量范圍電極的響應(yīng)斜率只在一定的濃度范圍內(nèi)維持不變，當(dāng)濃度小于一定值吋，斜率明 顯變小。當(dāng)選擇性離子濃度從大變小直至無(wú)限稀時(shí)

40、，elna曲線由直線逐漸彎曲，直 至與水平軸平行。這說(shuō)明在低濃度時(shí)，測(cè)量受到一定限制。國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)協(xié) 會(huì)規(guī)定，檢測(cè)下限指在低濃度方向斜率值為理論斜率70%時(shí)曲線上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度 值。由于此點(diǎn)不易確定，又推薦用下述方法確定檢測(cè)下限：把elna直線部分外推， 再在電極的選擇性離子的濃度為無(wú)限低時(shí)，由elna曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)作平行于濃度對(duì) 數(shù)軸的直線，兩直線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的濃度值即為檢測(cè)下限，如圖26中a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的a0點(diǎn)。圖2-6 e-ga曲線測(cè)量范圍的上限一般用經(jīng)驗(yàn)方法確定，大多數(shù)wa=lmol/l作為測(cè)量范圍上限。這 并不是電極在更濃的溶液中不能響應(yīng)，主要考慮液接電位難穩(wěn)定。此外，有些液膜電 極

41、在濃溶液中無(wú)響應(yīng)，有些固膜電極在濃溶液中受腐蝕嚴(yán)重，影響使用壽命。因此, 根據(jù)各電極的具體情況，也可以把電極的測(cè)量上限規(guī)定小于lmol/lo2. 5方案論證本設(shè)計(jì)采用三電極測(cè)量系統(tǒng)，可大大降低外界干擾的影響。電化學(xué)測(cè)量三電極： 指示電極，輔助電極（對(duì)電極），參比電極。參比電極的作用是在測(cè)量過(guò)程中提供一個(gè)穩(wěn)定的電極電位，對(duì)于一個(gè)三電極的 測(cè)試系統(tǒng)，之所以要有一個(gè)參比電極，是因?yàn)橛行r(shí)候指示電極和輔助電極（對(duì)電極） 的電極電位在測(cè)試過(guò)程中都會(huì)發(fā)生變化的，為了確切的知道其中某一個(gè)電極的電位 （通常我們關(guān)心的是工作電極的電極電位），我們就必須有一個(gè)在測(cè)試過(guò)程中電極電 位恒定的電極作為參比來(lái)進(jìn)行測(cè)量。如

42、果可以確定輔助電極的電極電位在測(cè)試過(guò)程 中是不發(fā)生變化或者變化可以忽略不計(jì)時(shí)，我們就不必使用參比電極.這就是所謂的 雙電極測(cè)試系統(tǒng)，輔助電極的作用是在整個(gè)測(cè)試中形成一個(gè)可以讓電流通過(guò)的回 路，只有一個(gè)電極外電路上是不可能有穩(wěn)定的電流通過(guò)的。這就好比電路里面必須 要有火線和零線一樣。因此輔助電極對(duì)于電化學(xué)測(cè)試是必須的，而參比電極則可以 根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇，并不是一定要有的。參比電極（reference electrode）：參比 屯極具有已知恒定的屯位，為研究對(duì)象提供一個(gè)電位標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量時(shí)，參比電極上通 過(guò)的屯流極小，不致引起參比屯極的極化。由于體系中有電流通過(guò)，產(chǎn)生了溶液電壓降和對(duì)電極的極化，

43、因此工作屯極的 電位難以準(zhǔn)確測(cè)定，由此引入?yún)⒈入姌O。參比電極有著非常穩(wěn)定的電位，且電流不 經(jīng)過(guò)參比屯極不會(huì)引起極化，從而工作電極的電位可以由參比電極得到，而電流由 工作電極輔助電極冋路得到。當(dāng)體系中沒(méi)有電流通過(guò)，工作電極的電位可以由對(duì)電 極直接準(zhǔn)確測(cè)定，因此可以用雙屯極體系。由此可得，如果體系中沒(méi)有電流通過(guò)，都可以用雙電極體系。一旦有電流通過(guò)， 要采用三電極體系，以同吋測(cè)得工作電極的電位和電流。所以本設(shè)計(jì)采用三電極測(cè) 量系統(tǒng)，可大大降低外界干擾的影響。在測(cè)量pll時(shí)，要有溫度補(bǔ)償和標(biāo)定，所以要求對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)該先考慮用熱 電阻傳感器。按照熱敏電阻的性質(zhì)可以分為半導(dǎo)體熱電阻和金屬熱電阻兩人類

44、，前者 通常稱為熱敏屯阻，后者稱為熱屯阻。方案1:采用熱敏電阻，這種電阻是利用對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體材料制成，其阻值 隨溫度變化有明顯的變化。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器通常是由鎰、鉆的氧化物燒制成半 導(dǎo)體陶瓷制成。其特點(diǎn)是，在工作溫度范圍內(nèi)電阻阻值隨溫度的升高而降低。可滿足 40°c-90°c測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，不適用于檢測(cè)小于1°c 的信號(hào)；而口線性度很差，不能直接用于a/d轉(zhuǎn)換，應(yīng)該用硬件或軟件對(duì)其進(jìn)行線性 化補(bǔ)償。方案2：采用溫度傳感器鉗電阻ptl00o鉗熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性 介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測(cè)溫元件，口此元件線性較好

45、。在0°c-100°c吋，最大 非線性偏差小于0.5°co鉗屯阻與溫度的關(guān)系是：7?/二 ro(l+at+bt*t)(2-17)其中用是溫度為t°c時(shí)鉗熱電阻的電阻值；r0是溫度為0°c時(shí)鈉熱電阻的電阻值; t為任意溫度值，a、b為溫度系數(shù)。但其成本太貴，不適合做普通設(shè)計(jì)。方案3：采用集成溫度傳感器ad590o它是電流型溫度傳感器。這種器件以電流作 為輸出量指示溫度，其典型的電流溫度靈敏度是1/a/k。它是二端器件，使用非常 方便，作為一種高阻電流源，它不需要嚴(yán)格考慮傳輸線上的電壓信號(hào)損失和噪音干擾 問(wèn)題，因此特別適合作為遠(yuǎn)程測(cè)量或控制用。另外

46、，ad590也特別適用于多點(diǎn)溫度測(cè) 量系統(tǒng)，而不必考慮選擇開關(guān)或cmos多路轉(zhuǎn)換開關(guān)所引起的附加電阻造成的課差。由 于采用了一種獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)，并利用最新的薄膜電阻激光調(diào)技術(shù)校準(zhǔn)，使得ad590 具有很高的精度。并且應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)。方案選擇：選擇方案3。理由：電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定可靠、無(wú)需調(diào)試，與a/d連接方便。2. 6本章小結(jié)本章主要介紹ph測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理和兩點(diǎn)標(biāo)定法標(biāo)定原理。其中還介紹了介 紹參比電極和指示電極的基本概念和基本工作原理以及溫度對(duì)測(cè)量的影響以及測(cè) 量下限與測(cè)量范圍。本章對(duì)三電極測(cè)量系統(tǒng)和雙電極測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。如果體系中沒(méi)有電流通 過(guò)，都可以用雙電極體系。一旦有電流通過(guò),

47、要采用三電極體系，以同時(shí)測(cè)得工作 電極的電位和電流。所以本設(shè)計(jì)采用三電極測(cè)量系統(tǒng)，可大大降低外界干擾的影響。對(duì)于實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能斯特方程響應(yīng)的實(shí)際曲線又往往偏離理想曲線， 即實(shí)際響應(yīng)的曲線的斜率不等于理想曲線的斜率，所以只有知道實(shí)際的斜率，測(cè)量 系統(tǒng)中的電極才能使用。所以必須用兩點(diǎn)標(biāo)定方法，即在此標(biāo)定過(guò)程中，計(jì)算出電 極零點(diǎn)和確定溫度下的斜率，從而計(jì)算得出ph值。第三章ph測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)具有計(jì)算機(jī)的功能的芯片成為單片機(jī)，它體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，開 發(fā)較為容易，所以可以把它應(yīng)用于傳統(tǒng)的儀器中。本系統(tǒng)就是以mcs-51型單片微 型計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，并擴(kuò)展-些外圍芯片，組

48、成一個(gè)可以完成自檢、 運(yùn)行、標(biāo)定等功能的智能型儀器。3.1 ph測(cè)試儀的電路原理圖測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)ph電極轉(zhuǎn)化為的電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)整電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。 信號(hào)凋整電路采用多級(jí)集成運(yùn)放構(gòu)成。第一級(jí)采用放大器ca3140正相放大。提高 輸入阻抗；第二級(jí)反相放大，采用可調(diào)電阻做反饋電阻，放大倍數(shù)可調(diào)，便于儀器 的調(diào)試；第三級(jí)與第四級(jí)結(jié)合起來(lái)調(diào)節(jié)輸人信號(hào)的零點(diǎn)。最后一級(jí)反相放大.將信 號(hào)再進(jìn)行一次反相。得到與輸入信號(hào)同相的電壓信號(hào)。溫度傳感器將液體內(nèi)部溫度 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。對(duì)溫度信號(hào)的處理要求精度比較高。因此采用高精度運(yùn)算放大器 對(duì)其進(jìn)行放大處理經(jīng)處理后的兩路信號(hào)與參比電極兩路信號(hào)同時(shí)進(jìn)入電子開關(guān)供 c

49、pu選擇。電子開關(guān)采用4051芯片。本設(shè)計(jì)控制位只需2位，此將a、b信號(hào)接 單片機(jī)，用來(lái)控制12、13、14、15的4路輸入，4051其他幾路輸入接地，inh禁 止端接地。由于單片機(jī)采用+5v電壓。電子開關(guān)為土6v。器件之間需要光電隔離 進(jìn)行抗擾。被選信號(hào)通過(guò)lm331進(jìn)行幅頻轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)光電隔離輸入單片機(jī)。單片機(jī) 以一段時(shí)間為基準(zhǔn)讀取頻率數(shù)值.將頻率數(shù)值換算成ph數(shù)值，用以操作。圖31 ph測(cè)試儀電路原理框圖3.2輸入電路3.2.1溫度采集電路方案選擇溫度傳感器將液體內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)溫度信號(hào)的處理要求精 度比較高。木文設(shè)計(jì)的溫度采集電路運(yùn)用ad590溫度傳感器。ad590是美國(guó)模擬器

50、件 公司生產(chǎn)的單片機(jī)集成兩端感溫電流源，它的主要特性如下：1、每增加1 °c,它會(huì)增加1口 a輸出電流；2、可測(cè)量范圍-55°c至150°c；3、供電電壓范圍+4v至+30voad590的輸出電流值說(shuō)明如下：其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度（-273°c）為基準(zhǔn)，每增加1°c,它會(huì)增加lua 輸出電流，因此室溫25°c吋,其輸出電流/。心二（273+25） =298 uao圖32所示是一個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路中，由于輸入電流（即信號(hào)電流）等于 反饋電流，集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位均為零，稱為“虛地”。電壓放大倍數(shù)r13(r12 + /?11)(

51、31)w1 + r13-200k(100£ + 5lk) 10£ + 200k-= 1500所以最小輸出電壓為1500mvoad59o+ 12vr115.1k12.13lr14iookrr12iookw11ok14u3dr13200kijv1324+ 12v1500mv 丁322 ph信號(hào)采集電路測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)ph電極轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)整電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)整 信號(hào)凋整電路采用多級(jí)集成運(yùn)放構(gòu)成。第一級(jí)采用放大器ca3140止相放大。提高 輸入阻抗。增強(qiáng)抗干擾能力；第二級(jí)反相放大，采用可調(diào)電阻做反饋電阻，放大倍 數(shù)可調(diào)，便于儀器的調(diào)試：第三級(jí)與第四級(jí)結(jié)合起來(lái)調(diào)節(jié)輸人信號(hào)

52、的零點(diǎn)。最后一 級(jí)反相放大。將信號(hào)再進(jìn)行一次反相。得到與輸入信號(hào)同相的電壓信號(hào)。ph電極由玻璃電極和參考電極組成。玻璃電極是由特殊玻璃膜制成的。其厚度 可以小于0lmm, agagcl為參考電極在內(nèi)部，由二者組成復(fù)合電極。從復(fù)合ph 電極的玻璃電極和參考電極兩端輸出的信號(hào)為電壓。在一定的溫度下只要知道了電 壓值，即可求出溶液的ph值，因此ph值的測(cè)量實(shí)際上就是電壓信號(hào)的測(cè)量。由于 復(fù)合ph電極內(nèi)阻很高。大約10】2q。要求前置放大器有較高的輸入阻抗。因此設(shè)計(jì) 中選用了運(yùn)放ca3140,它兼有高電壓pmos管和高壓二極管的優(yōu)點(diǎn)。都集成在單獨(dú) 的芯片上。輸入電路pmos提供非常高的阻抗。并且具有非

53、?？斓捻憫?yīng)速度。述具 有自身補(bǔ)償能力來(lái)達(dá)到穩(wěn)定的放大增益；輸岀部分含有自身保護(hù)電路來(lái)保護(hù)由于負(fù) 載短路造成的損害。可完成阻抗匹配、降低測(cè)量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等，非常適 合此電路設(shè)計(jì)。本文采用3個(gè)ca3140來(lái)構(gòu)成雙高阻抗差分輸入電路。電路圖如圖 3-3所不。在圖（3-3）屮，u1和u2構(gòu)成輸入級(jí)或第一級(jí)，而u3構(gòu)成輸出級(jí)或第二級(jí), 依據(jù)輸入電壓約束條件，在r3上的電壓為玻璃電極vi和參比電極v2電壓之差, 即v1-v2,依據(jù)輸入電流約束條件，流過(guò)r1與r3是同一電流。由歐姆定律得：vo-vo2 = + (r + r2)/r3(vl-v2)(3-5)輸入級(jí)也稱為差分輸入，u3為差分放大器，因此

54、有：vo = (r2/r)-(vo2 - vo)(3-6)將兩式結(jié)合在一起：vo = a(v2-vl)(3-7)a = al a2 = 1 + (/?1 + /?2) / /?3 - (r2 / 7?1)(3-8)此式表明總增益a是第一級(jí)a1和第二級(jí)a2的乘積，輸入電路的增益取決于外部電 阻的比值，所以采用合適的電阻。也就是調(diào)節(jié)合適的放大增益.使輸岀電壓v0達(dá)到模 數(shù)轉(zhuǎn)換所需的電壓范圍，送入單片機(jī)dac0832模/數(shù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。另外，通過(guò)適 當(dāng)調(diào)節(jié)u3中的電阻e可以使共模抑制比cmrr達(dá)到最大.抑制共模噪聲，提高系統(tǒng)的 信噪比，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。為了準(zhǔn)確的測(cè)定溶液中氫離子濃度，除了需要性

55、能優(yōu)良的電極外，還與儀器的前 置運(yùn)算放大的選擇有密切的關(guān)系。以前影響測(cè)量?jī)x器發(fā)展的主要技術(shù)關(guān)鍵是前置運(yùn)算 放大器的性能不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的需求，表現(xiàn)在性能上不穩(wěn)定飄移大，噪音大，傳輸距離 不遠(yuǎn)等。作為前值運(yùn)算放大器，應(yīng)有以下幾個(gè)要求：1 .放大器的輸入電流要小；2. 高的輸入阻抗，放大器的輸入阻抗包括放大器的阻抗和接插件的絕緣阻抗 等；3. 小的溫度漂移系數(shù)。所以儀器使用的美國(guó)無(wú)線電公司研制開發(fā)的ca3140高輸入阻抗運(yùn)算放大器，該 運(yùn)算放大器功能保護(hù)mosfet的柵極（pmos上）中的晶體管輸入電路提供非常高的 輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。3. 3模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)cd4051/cc4051是單8

56、通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有三個(gè)二進(jìn)控制輸入端a、 b、c和inh輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4. 520v的數(shù)字 信號(hào)可控制峰值至20v的模擬信號(hào)。例如，若vdd=+5v, vss=o, vee=-13. 5v, 則05v的數(shù)字信號(hào)可控制-13. 54. 5v的模擬信號(hào)。這些開關(guān)電路在整個(gè)vdd-vss 和vdd-vee電源范圉內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)。當(dāng)inh 輸入端=“1”時(shí)，所有的通道截止。三位二進(jìn)制信號(hào)選通8通道屮的一個(gè)通道, 可連接該輸入端至輸出。4051u3ph13x 3t14笄a vin1512 1 i lt：i 4-sv-5v| vee丄圖3-4 4051引腳接口圖主要引腳功能說(shuō)明：xo： ph信號(hào)輸入端；xi： t溫度信號(hào)輸入端；tnh：禁止段;a, b, c：地址端;x：輸入或輸出端。如圖3-4所示，inh輸入端接1k電阻并接地，所以inh輸入端二“0”，所有通道導(dǎo) 通。若inh二“0” ,則所有通道截止。當(dāng)a二0, b二0, c二0時(shí)x0通道被選通，即此時(shí)輸入 ph信號(hào)；當(dāng)21, b=0, c二0時(shí)，xi通道被選通，即此