畢業(yè)設(shè)計(jì)---ph測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文</b></p><p>　　題 目: pH測(cè)試儀的設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院: 電氣與電氣工程學(xué)院</p><p><b>　　專業(yè)班級(jí): </b></p><p>　　2010年6月10日</p><p>

2、;<b>　　摘要</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)的pH測(cè)試儀采用電化學(xué)原理及單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)完成對(duì)各種溶液中氫離子濃度的測(cè)定。本論文詳細(xì)地論述了pH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)量電路原理圖和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。</p><p>　　pH測(cè)試儀配用適當(dāng)?shù)膮⒈入姌O和指示電極能夠?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

3、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)1012。傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)可以降低參比電極內(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，溫度自動(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)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三電極；兩點(diǎn)標(biāo)定；高

4、阻；溫度補(bǔ)償</p><p>　　TITLE：The Design of the pH Instrument</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　On the basis of electrochemical principle and single-chip microcomputer technique

5、s, this system can measure activity in solution. The paper details the research and design of intelligent versatile ion meter, including the measuring principle, the calibration way, the design of transducer, measuring c

6、ircuit software scheme . </p><p>　　The pH tester is equipped with the appropriate reference electrode and indicator electrode to the concentration of hydrogen ions was determined. We used three-electrode mea

7、surement 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

8、instrument of high intelligence. Thus, it has a calibration memory, can automatically adjust the slope, auto</p><p>　　Key words: pH value; Temperature Compensation; The correct calibration of pH Meter</p

9、><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1 課題背景- 1 -</p><p>　　1.2 pH測(cè)試儀研究的必要性- 2 -</p><p>　　1.3 pH測(cè)試儀的發(fā)展概況- 3 -</p><p&g

10、t;　　1.4主要內(nèi)容- 4 -</p><p>　　第二章 pH測(cè)試儀的整體設(shè)計(jì)- 5 -</p><p>　　2.1 pH測(cè)試儀的測(cè)量原理- 5 -</p><p>　　2.1.1 三電極測(cè)量系統(tǒng)- 6 -</p><p>　　2.1.2 兩點(diǎn)標(biāo)定法- 6 -</p><p>　　2.2 pH測(cè)試儀的測(cè)量

11、方法- 8 -</p><p>　　2.2.1指示電極- 8 -</p><p>　　2.2.2 參比電極- 10 -</p><p>　　2.2.3 測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)- 11 -</p><p>　　2.3 溫度對(duì)測(cè)量的影響- 13 -</p><p>　　2.4 檢測(cè)下限與測(cè)量范圍- 13 -</

12、p><p>　　2.5 方案論證- 14 -</p><p>　　2.6 本章小結(jié)- 16 -</p><p>　　第三章 pH測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)- 17 -</p><p>　　3.1 pH測(cè)試儀的電路原理圖- 17 -</p><p>　　3.2 輸入電路- 18 -</p><p>　

13、　3.2.1溫度采集電路- 18 -</p><p>　　3.2.2 pH信號(hào)采集電路- 19 -</p><p>　　3.3 模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)- 21 -</p><p>　　3.4 A/D轉(zhuǎn)換器- 22 -</p><p>　　3.5 D/A轉(zhuǎn)換器- 23 -</p><p>　　3.6 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出電路-

14、 24 -</p><p>　　3.7電源模塊的設(shè)計(jì)- 25 -</p><p>　　3.8鍵盤和顯示的設(shè)計(jì)- 26 -</p><p>　　3.9 總線擴(kuò)展電路- 27 -</p><p>　　3.10 本章小結(jié)- 29 -</p><p>　　第四章 pH測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)- 30 -</p>

15、<p>　　4.1 軟件控制程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容- 30 -</p><p>　　4.2系統(tǒng)主程序- 30 -</p><p>　　4.3 標(biāo)定子程序- 32 -</p><p>　　4.4 測(cè)量子程序- 33 -</p><p>　　4.5 本章小結(jié)- 33 -</p><p>　　第五章 儀表的

16、功能測(cè)試及誤差分析- 35 -</p><p>　　5.1 數(shù)據(jù)分析- 35 -</p><p>　　5.2 誤差分析- 35 -</p><p>　　5.2 結(jié) 論- 36 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 38 -</p><p>　　致 謝- 38 -</p><p>

17、　　附 錄- 41 -</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的pH測(cè)試儀，歸屬于電位式分析儀器。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

18、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。[1]</p><p>　　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

19、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)。[2]</p><p>　　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。</p><p>　　電子技術(shù)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

20、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。</p><p>　　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)入晶體管電路再進(jìn)入了集成電路。各種智能型芯片被應(yīng)用于分析儀器中[3]，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。</p><p>　　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

21、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。[4]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。</p><p>　　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)

22、過程中經(jīng)常要分析中間產(chǎn)物及生產(chǎn)過程中各種離子活度。[5]例如：在電廠水汽分析中，測(cè)定氫離子含量，過去我們常用化學(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，通過在零電流條件下對(duì)非極化電極的電位進(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)中的一個(gè)重要

23、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)分析中的一種不可缺少的手段。[6]</p><p>　　1.2 pH測(cè)試儀研究的必要性</p><p>　　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，使其生成無毒無污染便于沉淀或蒸發(fā)的物質(zhì)。過程用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、

24、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)化程度的提高,工業(yè)pH測(cè)試儀的應(yīng)用領(lǐng)域和需求量也日益擴(kuò)大。[7]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

25、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程是否有效的重要因素之一，這無論對(duì)于節(jié)省原材料，減少?zèng)_洗槽的數(shù)量，還是對(duì)于以后的污水處理來說，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。通常通過儀器對(duì)時(shí)間和溫度曲線進(jìn)行自動(dòng)控制，而對(duì)pH值只是簡(jiǎn)單的通</p><p>　　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

26、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)

27、驗(yàn)室內(nèi)的相同。[8]電極法是靈敏的，可測(cè)量低μg/L。電極直接測(cè)量法與樣品體積無關(guān)。</p><p>　　我們使用離子電極分析發(fā)來測(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

28、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)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。[9]</p><p>　　1.3 pH測(cè)試儀的發(fā)展概況</p><p>　　pH測(cè)試儀在日本發(fā)展很快，特別是70年代和80年代，日本的產(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。</p&

29、gt;<p>　　世界上第一臺(tái)商品pH計(jì)[21]，是Arnold Beckman于1936年研制生產(chǎn)的。工業(yè)pH計(jì)的問世約于4O年代末期。日本生產(chǎn)的第一臺(tái)工業(yè)pH計(jì)是于1951年由日本電氣式化學(xué)計(jì)研究所(DKK 前身)研制生產(chǎn)的，1953年日本橫河電機(jī)開始研制生產(chǎn)工業(yè)pH計(jì)。 </p><p>　　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、參比電極、溫度補(bǔ)償元件)和阻抗變換、放大、指示

30、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)。</p><p>　　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的出現(xiàn)，使工業(yè)pH計(jì)在7O年代取得了突破性的進(jìn)展。日本橫河電機(jī)利用F

31、ET和IC組成的高輸入阻抗變換器體積小的特點(diǎn)，于1971年首次推出由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)。[10]1975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)，無疑為pH傳感器的

32、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 Σ系列。該pHΣ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)。</p><p>　　80年代是工業(yè)pH計(jì)微機(jī)化、智能化的年代。自從1971年微處理機(jī)問世以來，由于其獨(dú)特的功能，引起了人們極大的興趣。科研生

33、產(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年日本電氣化學(xué)計(jì)生產(chǎn)了HBM—51型帶微機(jī)的工業(yè)pH計(jì)。該儀器能夠進(jìn)行pH自動(dòng)校正和電極的自動(dòng)清洗。儀器采用液晶7段數(shù)字顯示，具有校正時(shí)電極電位穩(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，日本橫河電機(jī)在pHΣ系列的基礎(chǔ)上推出

34、具有自診斷功能的TM20BG型工業(yè)pH計(jì)。該儀器為一體化結(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)，[11]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)。</p><p>　　90年代是工業(yè)pH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：①可靠性高、易維護(hù)、成本低、操作方便、小型、防爆且能

35、在條件惡劣的場(chǎng)所使用。②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。③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。④2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。⑤可以一種機(jī)器多種用途，儀器不僅可檢測(cè)pH值，也可對(duì)ORP(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)。</p><p><b>　　1.4主要內(nèi)容 &

36、lt;/b></p><p>　　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)來的溫度和pH信號(hào)進(jìn)行選擇并送入MC14433，MC14433將其中之一的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將

37、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)的輸入、輸出電路進(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。</p><p>　　第二章 pH測(cè)試儀的整體設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 pH測(cè)試儀的測(cè)量原理</p><p>　　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

38、特方程表示為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。弘姌O的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位；</b></p><p>　?。簹怏w的常數(shù)R=8.314焦耳/摩；</p><p>　?。航^對(duì)溫度=273.15+t；</p><p>　?。悍ɡ诔?shù)=96500庫(kù)/

39、摩。</p><p>　　把常數(shù)帶入（2-1）</p><p>　　（54.20+0.1984t）*pH</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　我們采用電極的零電位pH=7,則</p><p><b>　　（2-3）</b></p>

40、<p>　　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)。</p><p>　　隨著電極的使用，其轉(zhuǎn)換率降低，pH響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。因此，必須對(duì)其電極的轉(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)?lt;/p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>&l

41、t;b>　?。弘姌O的補(bǔ)償斜率；</b></p><p><b>　　：電極的固有誤差；</b></p><p>　　，都是由固定溶液測(cè)定的。</p><p>　　因?yàn)?，在我?guó)標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中，沒有pH=7.000。我們采用定標(biāo)的中性溶液為pH=6.684，pH=4.003，pH=9.182。把pH=6.864代入（2-4）得<

42、;/p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　把（2-5）代入（2-4）得</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　為玻璃電極再pH=6.864標(biāo)準(zhǔn)溶液產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。</p><p>　　2.1.1 三電極測(cè)量系統(tǒng)</p&g

43、t;<p>　　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)量電路中，必須中必須有雙高阻電路。圖2-1是這種三電極測(cè)量電路的示意。由圖2-1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)；用放大器6測(cè)量指示電極與溶液接地電極之間的電勢(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之間的電動(dòng)勢(shì)），放大器用來測(cè)量這個(gè)

44、電勢(shì)差。從圖2-1可知，這樣的測(cè)量系統(tǒng)可消除由于大地回路漏電流引起的測(cè)量誤差，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。</p><p>　　圖2-1 三電極系統(tǒng) </p><p>　　2.1.2 兩點(diǎn)標(biāo)定法</p><p>　　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)來說，能

45、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。標(biāo)定不僅在運(yùn)行初期進(jìn)行，在運(yùn)行過程中，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)定來消除。對(duì)此，我們采用兩點(diǎn)標(biāo)定法。</p><p><b>　　過程如下：</b></p><p>　?。?）配制兩種標(biāo)準(zhǔn)溶

46、液，令其pH值分別為pH1和pH2。</p><p>　?。?）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2-1中的P1、P2點(diǎn)。</p><p><b>　　依據(jù)電極理論：</b></p><p>　　(2-7) </p>

47、<p>　　(2-8) </p><p>　　(2-9) </p><p>　　式中K1、K2——對(duì)應(yīng)T1、T2的電極斜率；</p><p>　　pH0——電極零電位的pH值；<

48、;/p><p>　　——電極斜率隨溫度的變化率（=0.1984073）。</p><p>　　由前所述，式中僅有pH0、K1、K2為未知，因此可由上式求得電極的零電位點(diǎn)pH0以及T1溫度下的斜率K1，并把K1換算成25℃時(shí)的斜率K25。</p><p>　　儀表自動(dòng)完成上述過程并把pH0值和25℃時(shí)的斜率K25保存在EEPROM。</p><p>

49、;　　電極標(biāo)定過程即求電極的零點(diǎn)和確定溫度下的斜率。選用兩點(diǎn)標(biāo)定方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 pH電極的mV-pH曲線</p><p>　　2.2 pH測(cè)試儀的測(cè)量方法</p><p>　　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?，F(xiàn)主要介紹電位法測(cè)得PH值。試紙法是通過pH試紙顏色的變化來測(cè)量溶液的pH值。是采用

50、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測(cè)量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0.5pH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。</p><p>　　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

51、被稱為電動(dòng)勢(shì)（EMF）。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)沒有施加外電流進(jìn)行反充電，也就是說

52、沒有電流的話，這一過程最終會(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）由金屬和含有此金屬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屬的微溶性鹽（如：/），并且插入含有此種金屬鹽限離子的電解質(zhì)溶中。此時(shí)半電池電位或電極電位的大小取決于此種陰離子的活

53、度。</p><p>　　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。</p><p><b>　　2.2.1指示電極</b></p><p>　　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

54、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。</p><p>　　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</p><p>　?。ㄊ街嘘栯x子取“+”號(hào)，陰離子取“-”） </p><p>　　a為溶液中此離子的活度值；</p

55、><p>　　S為電機(jī)的斜率項(xiàng)，是溫度的函數(shù)；</p><p>　　E0為電極等電勢(shì)點(diǎn)的電位值。</p><p>　　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)活度小于一定值時(shí)，斜率明顯的變小。如下圖，當(dāng)離子活度從大變小直到無限稀時(shí)，E-曲線與直逐漸彎曲，直至與水平軸平行。這說明在活度低時(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

56、說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響應(yīng)，還有固體膜電極在濃溶液中受腐蝕嚴(yán)重。</p><p>　　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。</p><p>　　指示電極是組成電位式分析儀器的基本部件，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

57、。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)。</p><p>　　離子選擇性電極的敏感膜都有滲透性，也就是說被測(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。</p&

58、gt;<p>　　參比電極；2—參比電極；3—敏感膜</p><p>　　圖2-3 膜電位示意</p><p>　　圖2-3是測(cè)量離子選擇性敏感膜電位的示意圖，圖中的1與2是完全相同的參比電極；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A1、A2；膜兩側(cè)的表面與相接觸的溶液之間存在著電位差，分別為E1、E2.，通常稱之為敏感膜相界面電位。在一定測(cè)量范圍內(nèi)，相界面電位

59、與離子濃度關(guān)系符合能斯特方程：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　式中，——敏感膜兩邊溶液的離子濃度；</p><p>　　——離子濃度=1，溫度為時(shí)的電位值（溫度不同，不同）。</p><p>　　所謂離子選擇性敏感膜的膜電位是指膜的兩側(cè)相界面電位之代數(shù)和，即膜電位可表示為</

60、p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　2.2.2 參比電極</p><p>　　同樣測(cè)量離子選擇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)液的組成改變時(shí)，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、甘汞電極、銀-氯化銀電極、固體參比電極和其

61、他參比電極</p><p>　　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。</p><p>　　(a) 單接界 (b) 雙結(jié)界</p><p>　　1—引線；

62、2—溶液；3—絲；4—磨口接口；5—陶瓷芯；6—外鹽橋液</p><p>　　圖2-4 銀-氯化銀外參比電極結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　銀-氯化銀電極表示為，（飽和）|（固體），</p><p>　　其中是的固體難溶鹽，溶液提供-1（也可用來提供）。電極反應(yīng)為：</p><p><b>　　-</b></p&g

63、t;<p><b>　　電極電位為：</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　當(dāng)-濃度和溫度一定時(shí)，電極電位是一常數(shù)。盡管內(nèi)充液的濃度可以不同，但所用的溶液必須是的飽和溶液，否則覆蓋在銀表面的一層將溶解到溶液中，這將引起電極電位漂移或縮短電極的使用壽命。</p><p>

64、　　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補(bǔ)充液。</p><p>　　2.2.3 測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)</p><p>　　在使用pH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。</p><p>　　化學(xué)電池是一個(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?，它由兩個(gè)電極和接通兩電極的電解質(zhì)溶液組成。在外電路

65、沒有接通時(shí)，兩電極存在電位差，該電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)外電路中流動(dòng)。原電池的電動(dòng)勢(shì)與兩電極各自的電位有關(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)，而且與該溶液中金屬的離子濃度有關(guān)。</p><p>　　測(cè)量電池各部的電位如圖2-5所示。測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)可寫為

66、</p><p>　　E=（ED+E不對(duì)稱+E1+E2+ E內(nèi)參） (2-13)</p><p>　　對(duì)于確定的測(cè)量電池，ED、E不對(duì)稱、E1、E內(nèi)參、E外參、E液接為常數(shù)，所以上式可表示為 (2-14)</p><p>　　式中= E

67、D+E不對(duì)稱+E1+E2+ E內(nèi)參-E外參+ E液接 。這里的與溫度有關(guān)，只有在溫度不變時(shí)，E才僅由決定。</p><p>　　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—內(nèi)參比電極；E外參—外參比電極；E液接—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)的相界面電位；E2—敏感膜外側(cè)的相界面電位。</p><p&

68、gt;　　圖2-5 測(cè)量電池電位示意</p><p>　　2.3 溫度對(duì)測(cè)量的影響</p><p>　　在代入R、F的值，并把換成2.303，則可變?yōu)槿缦滦问?lt;/p><p><b>　　(2-15)</b></p><p><b>　　對(duì)溫度T求導(dǎo)數(shù)</b></p><p>

69、;<b>　　(2-16)</b></p><p>　　可理解為溫度變化一個(gè)單位時(shí)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。</p><p>　　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、內(nèi)充夜、內(nèi)外參比電極等的溫度特性有關(guān)。</p><p>　　是能斯特方程系數(shù)斜率項(xiàng)。當(dāng)n=1,溫度變化1℃

70、，則斜率變0.1984mV；n=2，則變化為0.0992mV。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)償其對(duì)測(cè)量的影響。</p><p>　　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，在表明標(biāo)準(zhǔn)也和被測(cè)濃度的同時(shí)

71、也應(yīng)標(biāo)明其溫度。</p><p>　　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。</p><p>　　2.4 檢測(cè)下限與測(cè)量范圍</p><p>　　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)濃度小于一定值時(shí)，斜率明顯變小。當(dāng)選擇性離子濃度從大變小直至無限稀時(shí)，E-a曲線

72、由直線逐漸彎曲，直至與水平軸平行。這說明在低濃度時(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E-a直線部分外推，再在電極的選擇性離子的濃度為無限低時(shí)，由E-a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2-6中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的a0點(diǎn)。</p><p>&l

73、t;b>　　圖2-6 曲線</b></p><p>　　測(cè)量范圍的上限一般用經(jīng)驗(yàn)方法確定，大多數(shù)以a=1mol/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，有些液膜電極在濃溶液中無響應(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1mol/L。</p><p><

74、b>　　2.5 方案論證</b></p><p>　　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

75、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)試過程中電極電位恒定的電極作為參比來進(jìn)行測(cè)量。如果可以確定輔助電極的電極電位在測(cè)試過程中是不發(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)

76、行選擇，并不是一定要有的。參比電極(Reference electrode)：參比電極具有已知恒定的電位，為研究對(duì)象提供一個(gè)電位標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量時(shí)，參比電極上通過的電流極小，不致引起參比電極的極化。</p><p>　　由于體系中有電流通過，產(chǎn)生了溶液電壓降和對(duì)電極的極化，因此工作電極的電位難以準(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)過參比電極不會(huì)引起極化，從而工作電極的電位可以由參比電極得到

77、，而電流由工作電極-輔助電極回路得到。當(dāng)體系中沒有電流通過，工作電極的電位可以由對(duì)電極直接準(zhǔn)確測(cè)定，因此可以用雙電極體系。</p><p>　　由此可得，如果體系中沒有電流通過，都可以用雙電極體系。一旦有電流通過,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。</p><p>　　在測(cè)量pH時(shí)，要有溫度補(bǔ)償和標(biāo)定，所以要求對(duì)溫度進(jìn)

78、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大類，前者通常稱為熱敏電阻，后者稱為熱電阻。</p><p>　　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錳、鈷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?？蓾M足40℃-90℃測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性

79、、可靠性較差，不適用于檢測(cè)小于1℃的信號(hào)；而且線性度很差，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。</p><p>　　方案2：采用溫度傳感器鉑電阻Pt100。鉑熱電阻的物理化學(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，且此元件線性較好。在0℃-100℃時(shí)，最大非線性偏差小于0.5℃。鉑電阻與溫度的關(guān)系是：</p><p>　　=R0(1+At+Bt*t)

80、 (2-17)</p><p>　　其中是溫度為t℃時(shí)鉑熱電阻的電阻值；R0是溫度為0℃時(shí)鉑熱電阻的電阻值；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)。</p><p>　　方案3：采用集成溫度傳感器AD590。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。它是二端器件，使用非常方便，作

81、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)損失和噪音干擾問題，因此特別適合作為遠(yuǎn)程測(cè)量或控制用。另外，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誤差。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)。</p><p>　　方案選擇：選擇方案3。理由：電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定可靠、無需

82、調(diào)試，與A/D連接方便。</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　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。</p><p>　　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。如果體系中沒有電流通

83、過，都可以用雙電極體系。一旦有電流通過,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。</p><p>　　對(duì)于實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)來說，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

84、出pH值。 </p><p>　　第三章 pH測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　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)展一些外圍芯片，組成一個(gè)可以完成自檢、運(yùn)行、標(biāo)定等功能的智能型儀器。</p><p>　　3.1 pH測(cè)

85、試儀的電路原理圖</p><p>　　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CA314O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)

86、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CPU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)，用來控制12、13、14、l5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±6V。器件之間需要光電隔離進(jìn)行抗擾。被選信號(hào)通過LM33l進(jìn)行幅頻轉(zhuǎn)換。經(jīng)過光電隔離輸入單片機(jī)。

87、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。</p><p>　　圖3-1 p H測(cè)試儀電路原理框圖</p><p><b>　　3.2 輸入電路</b></p><p>　　3.2.1溫度采集電路</p><p>　　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

88、比較高。本文設(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：</p><p>　　1、每增加1℃，它會(huì)增加1μA輸出電流；</p><p>　　2、可測(cè)量范圍-55℃至150℃；</p><p>　　3、供電電壓范圍+4V至+30V。</p><p>　　AD590的輸

89、出電流值說明如下：</p><p>　　其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度（-273℃）為基準(zhǔn)，每增加1℃，它會(huì)增加1μA輸出電流，因此室溫25℃時(shí)，其輸出電流t=（273+25）=298μA。</p><p>　　圖3-2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) </p><p&

90、gt;<b>　　（3-1）</b></p><p><b>　　=1500</b></p><p>　　所以最小輸出電壓為1500mV。</p><p>　　圖3-2 溫度采集電路</p><p>　　3.2.2 pH信號(hào)采集電路</p><p>　　測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)pH電極轉(zhuǎn)化

91、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CA314O正相放大。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)。</p><p>　　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

92、。其厚度可以小于0.1mm，Ag—AgC1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l012。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

93、具有非常快的響應(yīng)速度。還具有自身補(bǔ)償能力來達(dá)到穩(wěn)定的放大增益；輸出部分含有自身保護(hù)電路來保護(hù)由于負(fù)載短路造成的損害?？赏瓿勺杩蛊ヅ?、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來構(gòu)成雙高阻抗差分輸入電路。電路圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 pH信號(hào)輸入電路</p><p>　　在圖（3-3）中，U1和U2構(gòu)成輸入級(jí)或第一級(jí)，而U3構(gòu)成輸出級(jí)

94、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V1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R1與R3是同一電流。</p><p><b>　　由歐姆定律得：</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　輸入級(jí)也稱為差分輸入，U3為差分放大器，因此有：<

95、/p><p><b>　　（3-6）</b></p><p><b>　　將兩式結(jié)合在一起：</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　（3-8）</b></p><p>　　此式表明總增益A是

96、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．使輸出電壓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，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)U3中的電阻可以使共模抑制比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。</p><p>　　為了準(zhǔn)確的測(cè)定溶液中氫離子濃度，除了需要性能優(yōu)良的電極外，還與儀器的前置運(yùn)算放

97、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：</p><p>　　1.放大器的輸入電流要?。?lt;/p><p>　　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；</p><p>　　3.小的溫度漂移系

98、數(shù)。</p><p>　　所以儀器使用的美國(guó)無線電公司研制開發(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。</p><p>　　3.3 模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)</p><p>　　CD4051/CC4051是單8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

99、INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20V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＝0，VEE＝-13.5V，則0～5V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.5～4.5V的模擬信號(hào)。這些開關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(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通道中的一個(gè)通道，可連接該輸入端至輸出。</p

100、><p>　　圖3-4 4051引腳接口圖</p><p><b>　　主要引腳功能說明：</b></p><p>　　X0：pH信號(hào)輸入端；</p><p>　　X1：T溫度信號(hào)輸入端；</p><p><b>　　INH：禁止段；</b></p><p&

101、gt;　　A，B，C：地址端；</p><p><b>　　X：輸入或輸出端。</b></p><p>　　如圖3-4所示，INH輸入端接1K電阻并接地，所以INH輸入端=“0”，所有通道導(dǎo)通。若INH=“0”，則所有通道截止。當(dāng)A=0，B=0，C=0時(shí)X0通道被選通，即此時(shí)輸入pH信號(hào)；當(dāng)A=1，B=0，C=0時(shí)，X1通道被選通，即此時(shí)輸入溫度信號(hào)。</p&g

102、t;<p>　　4051主要將輸入的pH信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行選擇，選擇其中之一進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。主要因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器一次僅能轉(zhuǎn)換一個(gè)信號(hào)，而且價(jià)格較貴，若采用兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，則設(shè)計(jì)成本將會(huì)增加。故用4051進(jìn)行信號(hào)選擇。</p><p>　　3.4 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　本pH測(cè)試儀，測(cè)量的是溶液中的氫離子濃度和溫度。根據(jù)測(cè)量的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用的是MC

103、14433芯片，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。MC14433是主要對(duì)從輸入電路進(jìn)來的pH和溫度信號(hào)經(jīng)模擬電子開關(guān)選擇的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MC14433信號(hào)雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，約1-10次/s。在不要求高速轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛應(yīng)用。它的被轉(zhuǎn)換電壓量程為1.999V。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)一BCD碼的形式分四次送出。MC14433 A/D轉(zhuǎn)換器引腳如圖3-5所示。</p><p&g

104、t;　　圖3-5 MC14433引腳圖</p><p>　　下面介紹引腳的功能：</p><p>　　VDD：主工作電源+5V；</p><p>　　VEE：模擬部分的伏電源端，接-5V；</p><p><b>　　VAG：模擬地端；</b></p><p><b>　　VSS：數(shù)字地

105、端；</b></p><p>　　VREF:基準(zhǔn)電壓輸入端；</p><p>　　EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出端，正脈沖有效；</p><p>　　DU：?jiǎn)?dòng)新的轉(zhuǎn)換，若DU與EOC相連，每當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換；</p><p>　　OR：當(dāng)|VX|<|VR|，過量程OR輸出低電壓；</p><p

106、>　　DS1-DS4：分別為個(gè)、十、百、千、位輸出的選通脈沖，正脈沖有效。DS1對(duì)應(yīng)千位，DS4對(duì)應(yīng)各位。每個(gè)選通脈沖寬度為18個(gè)時(shí)鐘周期，2個(gè)相應(yīng)脈沖之間間隔為2個(gè)時(shí)鐘周期；</p><p>　　Q1-Q3：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線。其中Q0為最低位，Q3為最高位。當(dāng)DS2、DS2和DS4選通期間，輸出3位完整的BCD碼數(shù)，但在DS1（千位）選通期間，輸出端Q0-Q3除了表示千位的0或1外，還表示被轉(zhuǎn)換電壓的正

107、負(fù)極性（Q2=1為正）以及欠量程還是過量程。</p><p>　　3.5 D/A轉(zhuǎn)換器</p><p>　　我們使用的D/A轉(zhuǎn)換器為美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的DAC0832芯片具有2個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC，它能直接與MCS-51單片機(jī)相連，其主要性能如下：</p><p>　　分辨率為8位，電流輸出，穩(wěn)定時(shí)間為1us；可雙緩沖輸入、單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入；單一電源

108、供電；低功耗，20mW。</p><p>　　DAC0832的引腳如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 DAC0832的引腳</p><p>　　DI0-DI7：8位數(shù)字信號(hào)輸入端，與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，用于接受單片機(jī)送來的待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，DI7為最高位；</p><p>　　CS：片選段，當(dāng)CS為低電平時(shí)，本芯片被選中；<

109、/p><p>　　ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效；</p><p>　　WR1：第一級(jí)輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。當(dāng)CS=0、ILE=1、WR1=0時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)被鎖存到第一級(jí)8位輸入寄存器；</p><p>　?。簲?shù)據(jù)傳輸控制，低電平有效；</p><p>　　WR2：DAC寄存器寫選通控制端，低電平有效。當(dāng)=0；WR2=0時(shí)；輸入

110、寄存器狀態(tài)傳入8位DAC寄存器中；</p><p>　　Iout1：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出1端，輸入數(shù)字量全為1時(shí)，Iout1輸出最大，輸入數(shù)字量全為0時(shí)，Iout1輸出最??；</p><p>　　Iout2：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出2端，Iout2+Iout1=常數(shù)；</p><p>　?。和獠糠答佇盘?hào)輸入端，內(nèi)部已有反饋電阻，根據(jù)需要也可外接反饋電阻；</p&g

111、t;<p>　　：電源輸入端，可在+5V-+15V范圍內(nèi)；</p><p>　　DGND：數(shù)字信號(hào)地；</p><p>　　AGND:模擬信號(hào)地，最好與基準(zhǔn)電壓共地。</p><p>　　DAC0832內(nèi)部的8位輸入寄存器用于存放CPU送來的數(shù)字量，是輸入數(shù)字量得到緩沖和所存，由LE1端加以控制；8位DAC寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由LE2端控制；