pH测试仪的设计毕业论文

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1、 pH测试仪的设计 摘要本文设计的pH测试仪采用电化学原理及单片微型计算机技术完成对各种溶液中氢离子浓度的测定。本论文详细地论述了pH测试仪的设计，包括氢离子浓度的测量原理、标定方法、传感器设计，测量电路原理图和系统软件的设计。pH测试仪配用适当的参比电极和指示电极能够对氢离子的浓度进行测定。采用的三电极测量系统可大大降低外界干扰的影响。输入电路采用高阻差分放大电路，输入电阻可高达1012。传感器的独特设计可以降低参比电极内溶液的离子干扰。仪器电路以MCS-51单片机系统为核心，使本仪器的智能化程度高。这样，使其具有校准记忆，能自动调节斜率，温度自动补偿的能力及检测时间定时等功能。采用人机对话

2、方式，可实现自动测量、标定、存储、显示数据等功能。仪器的标定采用两点标定法对仪器进行校准。关键词：三电极；两点标定；高阻；温度补偿TITLE：The Design of the pH InstrumentAbstractOn the basis of electrochemical principle and single-chip microcomputer techniques, this system can measure activity in solution. The paper details the research and design of intelligent ver

3、satile 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 concentration of hydrogen ions was determined. We used three-elect

4、rode 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 of high intelligence. Thus, it has a calibration memory, can

5、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 points of calibration to calibrate the instrument. Key words

6、: pH value; Temperature Compensation; The correct calibration of pH Meter- 3 -目 录第一章 绪论- 1 -1.1 课题背景- 1 -1.2 pH测试仪研究的必要性- 2 -1.3 pH测试仪的发展概况- 3 -1.4主要内容- 4 -第二章 PH测试仪的整体设计- 5 -2.1 pH测试仪的测量原理- 5 -2.1.1 三电极测量系统- 6 -2.1.2 两点标定法- 6 -2.2 pH测试仪的测量方法- 8 -2.2.1指示电极- 8 -2.2.2 参比电极- 10 -2.2.3 测量电池的电动势- 11 -2.3

7、 温度对测量的影响- 13 -2.4 检测下限与测量范围- 13 -2.5 方案论证- 14 -2.6 本章小结- 16 -第三章 PH测试仪的硬件设计- 17 -3.1 pH测试仪的电路原理图- 17 -3.2 输入电路- 18 -3.2.1温度采集电路- 18 -3.2.2 pH信号采集电路- 19 -3.3 模拟转换开关- 21 -3.4 A/D转换器- 22 -3.5 D/A转换器- 23 -3.6 标准信号输出电路- 24 -3.7电源模块的设计- 25 -3.8键盘和显示的设计- 26 -3.9 总线扩展电路- 27 -3.10 本章小结- 29 -第四章 PH测试仪的软件设计-

8、30 -4.1 软件控制程序设计的主要内容- 30 -4.2系统主程序- 30 -4.3 标定子程序- 32 -4.4 测量子程序- 33 -4.5 本章小结- 33 -第五章 仪表的功能测试及误差分析- 35 -5.1 数据分析- 35 -5.2 误差分析- 35 -5.2 结 论- 36 -参考文献- 38 -致 谢- 38 -附 录- 41 -长春工业大学学士学位毕业论文第一章 绪论1.1 课题背景本文所设计的pH测试仪，归属于电位式分析仪器。在测量溶液中的氢离子浓度时用到电位分析法。电位分析法是指通过三电极测量系统与被测溶液构成的测量电池（原电池）的电动势，获知被测溶液离子浓度的分析方

9、法。用于该分析法的仪器成为电位式分析仪器。1电位式分析仪器主要由测量电池和高阻毫伏计（离子计）两部分组成。测量电池是由指示电极、参比电极和被测溶液构成的原电池，参比电极的电极电位不随被测溶液浓度的变化而变化，指示电极对被测溶液中待测离子很敏感，其电极电位是待测离子浓度的函数，所以原电池的电动势与待测离子的浓度有一一对应的关系，可见，原电池的作用是把难以直接测量的离子浓度转换成容易测量的电学量（测量电池的电动势）。高阻毫伏计是检测测量电池电动势的电子仪器，如果它兼有直接读出待测离子浓度的功能，就是离子计。2 电位式分析仪器具有读数直观、清晰和测量精确度高的优点。随着化学传感器(电极）、电子技术和

10、计算机的发展应用日趋广泛。 电子技术的发展，促进了电位法测量仪器的不断更新。数字式直流电压表的普及，使仪器能够很快的数字化。这也使电位法测量仪器的发展进入了一个崭新领域。 pH测试仪随着化学仪表的发展，也不断地更新换代。在电子技术飞速发展的基础上，pH测试仪的电子线路由电子管电路进入晶体管电路再进入了集成电路。各种智能型芯片被应用于分析仪器中3，提高了仪器的智能化和测量精度，并且也简化了仪器的测量电路。 微型计算机技术的发展使得制造智能化的新型电位分析仪器成为了可能。随着计算机的发展与普及，出现了许多微机化电位测量仪器，它用软件来完成电位、pH浓度的测定。对于那些测量方便，而计算很复杂的方法，

11、如多次添加法有重要的意义。同时，它能进行背景校正，以及温度自动补偿、自动校正等多种功能。4这种仪器由于操作简便、测定速度快、灵敏度高、精度好，是电位法测量仪器的发展方向。pH测试仪主要是对溶液中氢离子浓度的测量。它是工业生产中的重要分析内容之一，在生产过程中经常要分析中间产物及生产过程中各种离子活度。5例如：在电厂水汽分析中，测定氢离子含量，过去我们常用化学分析法、如容量法，但是这种分析方法周期长，不能满足自动化的要求。利用电化学原理，通过在零电流条件下对非极化电极的电位进行测定，可以准确获得被测溶液氢离子浓度。这种方法是近代发展起来的一类分析方法，成为电位分析法，它是根据发生特定反应电池的电

12、特性进行分析。与其它分析方法相比，具有准确、可靠、迅速等优点，已成为分析化学中的一个重要方面，在自然科学的许多领域里得到了应用，并成为常规和工业自动分析中的一种不可缺少的手段。61.2 pH测试仪研究的必要性溶液酸碱度的检测，在工业生产中具有重要的意义。例如：测量工业废水的酸碱度，以便选择合适的化学物质进行中和，使其生成无毒无污染便于沉淀或蒸发的物质。过程用pH测试仪在各行各业的原材料测定、管理、制造工程中，对反应条件的控制、监视，以及对产品质量的检测等方面起了极其重要的作用。除此以外，为了防止公害，pH测试仪作为排水监测仪表，作用也很大。随着现代化的工业生产向大型、高效、快速的方向发展和自动

13、化程度的提高,工业pH测试仪的应用领域和需求量也日益扩大。7目前工业pH测试仪已广泛的应用于石油、化工、钢铁、电力、食品、酿造、医药、纺织、制革、造纸、印染、水处理、锅炉系统等各个工业部门。而且越来越显示出工业pH测试仪将成为上述工业部门中检测和控制所必不可少的有效工具。例如，在印染行业，pH值的精确度对染料的高吸收率是衡量印染过程是否有效的重要因素之一，这无论对于节省原材料，减少冲洗槽的数量，还是对于以后的污水处理来说，都十分有益。染料的吸收率取决于纤维材料，终点pH终点温度，染色深度以及染色时间，特别是终点温度及终点pH尤其重要。通常通过仪器对时间和温度曲线进行自动控制，而对pH值只是简单

14、的通过加入染料进行调节。在最终检查pH值的时候经常会发现变化很大。即使使用了缓冲染料后, 终点pH 值都不尽准确并且各个罐批之间差值很大，这是就需加入例外的酸进行调节。终点pH值的重复性不好会直接影响染料吸收的效率及均匀度。离子选择性电极法，在工业生产中也得到了广泛的应用。电极法简单易行，便于重复测定，标准偏差小，因而分析结果比较准确。电极法不需要许多昂贵的度数设备，例如曲线的线化电路、积分器和图纸记录仪等，通过离子计可直接读取浓度值。电极法分析还可以节省时间，仅需几分钟，典型的单词分析时间为1分钟。在许多情况下，用电极进行多样分析比其他自动分析以更快。由于电极可以携带，故测量并不局限在实验室

15、进行。质量控制分析可以直接在工厂现场完成，所用方法是相同的。采样可以在水库、江河、溪流的岸边进行，实验室外所用的方法与实验室内的相同。8电极法是灵敏的，可测量低g/L。电极直接测量法与样品体积无关。我们使用离子电极分析发来测量离子的浓度，具有简便、快速的特点。另外，由于离子电极分析法所依据的电位变化可供连续显示与自动记录，因而使用这种方法有利于实现连续与自动分析。在这方面，电子计算机技术的迅猛发展，微处理机、微型计算机等的应用，更加速了离子电极测试仪表与数据处理的计算机化进程，所以研究新型的pH测试仪是必要的。二十世纪七十年代后期国外出现了许多微机化pH测试仪，这些pH测试仪的功能全面，但其价

16、格比较昂贵，维护量比较大。所以研究一种经济实用型pH测试仪是很有必要的。91.3 pH测试仪的发展概况pH测试仪在日本发展很快，特别是70年代和80年代，日本的产品紧跟时代潮流，每个时期的产品都具有时代的特点，都具有代表性及世界的先进性。世界上第一台商品pH计21，是Arnold Beckman于1936年研制生产的。工业pH计的问世约于4O年代末期。日本生产的第一台工业pH计是于1951年由日本电气式化学计研究所(DKK 前身)研制生产的，1953年日本横河电机开始研制生产工业pH计。 初期的pH 测定装置是由传感器亦称发送器(包括玻璃电极、参比电极、温度补偿元件)和阻抗变换、放大、指示的电

17、子单元两部分组成。人们习惯上把阻抗变换、放大、指示部分叫pH计或pH变送器。而现代的工业pH测定装置，或称为工业pH计，则应包括pH传感器、支架、pH变送器，安全保持器、电极清洗单元、配电箱等一个完整的系统。70年代是工业pH测试仪具有突破性进展的年代。由于生产过程监测和控制的实际需要和先进的科学技术的开发，IC和FET的出现，使工业pH计在7O年代取得了突破性的进展。日本横河电机利用FET和IC组成的高输入阻抗变换器体积小的特点，于1971年首次推出由pH传感器、高阻变换器和指示器构成一体化结构的8511型(流通式)pH变送器，并由pH变送器、超声波振荡器和安全保持器组成小型工业pH 系统。

18、该仪器首次把2线式传输方式用于工业pH计系统，从而简化了本质安全防爆的结构设计。101975年，日立生产的K-7型工业pH计中,首次将玻璃电极、比较电极和温度补偿电极一体化，构成复合电极，这种复合电极的出现，无疑为pH传感器的小型化作出了贡献。1979年，横河电机在8511型pH 变送器的基础上,推出pH6F型pH变送器；后又于1982年推出pH8F型pH变送器。并由pH 8 F型变送器与pH传感器及其辅助设备构成了pH 系列。该pH系列曾在我国1983年多国仪器仪表展览会上展出，受到好评。80年代是工业pH计微机化、智能化的年代。自从1971年微处理机问世以来，由于其独特的功能，引起了人们极

19、大的兴趣。科研生产单位首先研制生产了带微处理机的实验室pH计。而工业pH计的微机化约于1983年。1984年日本电气化学计生产了HBM51型带微机的工业pH计。该仪器能够进行pH自动校正和电极的自动清洗。仪器采用液晶7段数字显示，具有校正时电极电位稳定性判断功能；检量线运算功能，用液晶显示校正异常和电极劣化功能；上下限调节功能，任意设定量程功能；输出同步功能及pH标准液在各温度下pH值的存储功能等。1987年9月，日本横河电机在pH系列的基础上推出具有自诊断功能的TM20BG型工业pH计。该仪器为一体化结构，具有高可靠性、多功能、使用维护方便等特点。1989年月本横河电机又推出EXAPH pH

20、 200 G型智能式工业pH计，11仪器配有微处理机，据称该EXA型pH计是世界上第一台智能2线式工业pH计。90年代是工业pH计微机化、智能化普及的年代。90年代用户对工业pH计的要求为：可靠性高、易维护、成本低、操作方便、小型、防爆且能在条件恶劣的场所使用。要求仪器具有传感器自诊断、标准液自动校正，电极自动清洗，以及具有人机对话和通讯功能。产品系列化，为满足不同用户的要求，仪器应具有多种电极清洗方式，可供用户选用。2线式传输，具有标准信号输出，便于和计算机联用。可以一种机器多种用途，仪器不仅可检测pH值，也可对ORP(氧化还原电位)、电导率、离子浓度、温度等一项或几项联合检测。1.4主要内

21、容 pH测试仪是一种利用电化学原理设计制造的新型电位式测量仪器，在本课题研制过程中，设计了pH测试仪的pH信号输入电路和温度采集电路，其中pH信号采集电路用高阻运算放大电路，将高阻的pH信号进行放大；而温度采集电路用AD590温度传感器的放大电路完成温度采集功能。用4051对进来的温度和pH信号进行选择并送入MC14433，MC14433将其中之一的模拟信号转换为数字信号，并将其送入单片机进行下一步操作。最后仪器将所得的pH值存储到单片机，并由LCD显示。文中对相应的输入、输出电路进行计算。并列举了系统主程序、键盘子程序、标定子程序和测量子程序等流程框图。 - 36 -长春工业大学学士学位毕业

22、论文第二章 pH测试仪的整体设计2.1 pH测试仪的测量原理数学模型的建立:水溶液的酸碱度与被测溶液的pH值关系，可以用能斯特方程表示为 （2-1）：电极的标准点位；：气体的常数R=8.314焦耳/摩；：绝对温度=273.15+t；：法拉第常数=96500库/摩。把常数带入（2-1）（54.20+0.1984t）*pH （2-2） 我们采用电极的零电位pH=7,则 （2-3） 由（2-3）式可知，pH值与电极产生的电势呈线性，并且与温度有关。随着电极的使用，其转换率降低，pH响应时间变长。因此，必须对其电极的转换率进行修正，一般电极的转换率低于94%就不能使用了，再考虑电极的固有误差，则（2-

23、3）式变为 （2-4）：电极的补偿斜率；：电极的固有误差；，都是由固定溶液测定的。因为，在我国标准缓冲液中，没有pH=7.000。我们采用定标的中性溶液为pH=6.684，pH=4.003，pH=9.182。把pH=6.864代入（2-4）得 (2-5)把（2-5）代入（2-4）得 (2-6)为玻璃电极再pH=6.864标准溶液产生的电动势。2.1.1 三电极测量系统因为固体电极的内阻较高，测量池中又增设了溶液接地电极，所以仪器的测量电路中，必须中必须有双高阻电路。图2-1是这种三电极测量电路的示意。由图2-1可知，变送器的输入级由两个相同的高输入阻抗放大器3、6组成。用放大器3测量参比电极与

24、溶液接地电极之间的电势；用放大器6测量指示电极与溶液接地电极之间的电势，这两个电势的代数和就是与待测溶液的pH相关的电势差（等于指示电极和参比电极之间的电动势），放大器用来测量这个电势差。从图2-1可知，这样的测量系统可消除由于大地回路漏电流引起的测量误差，具有较强的抗干扰能力。图2-1 三电极系统 2.1.2 两点标定法标定方法很多，标定是用已知浓度的标准液去校准仪器。算出测量方程中的未知数，然后才能在测量过程中根据测量值和参数值算出被测试样浓度值。对于实际的测量系统来说，能斯特方程响应的实际曲线又往往偏离理想曲线，即实际响应的曲线的斜率不等于理想曲线的斜率，所以只有知道实际的斜率，测量系统

25、中的电极才能使用。标定不仅在运行初期进行，在运行过程中，由于化学反应的一些不确定因素发生的变化引起的测量值的漂移，一般必须由标定来消除。对此，我们采用两点标定法。过程如下：（1）配制两种标准溶液，令其pH值分别为pH1和pH2。（2）把pH探头与温度传感器置于标准溶液中，则可以测得相应的电压和温度值，如图2-1中的P1、P2点。依据电极理论： (2-7) (2-8) (2-9) 式中K1、K2对应T1、T2的电极斜率； pH0电极零电位的pH值； 电极斜率随温度的变化率（=0.1984073）。由前所述，式中仅有pH0、K1、K2为未知，因此可由上式求得电极的零电位点pH0以及T1温度下的斜率

26、K1，并把K1换算成25时的斜率K25。仪表自动完成上述过程并把pH0值和25时的斜率K25保存在EEPROM。电极标定过程即求电极的零点和确定温度下的斜率。选用两点标定方法来实现自动标定。如图2-2所示。图2-2 pH电极的mV-pH曲线2.2 pH测试仪的测量方法测量pH值的方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位法测得PH值。试纸法是通过pH试纸颜色的变化来测量溶液的pH值。是采用有些指示剂在不同的酸碱度下能呈现变化或变化为不同颜色这一特性来测量溶液酸碱度的一种方法。它方便、快捷。但会受到溶液本身颜色或蛋白质等物质的干扰而被限制采用只适用于分辨力大于0.5pH值的测量；

27、而对于分辨力小于0.5pH的测量，我们均采用电位法即用pH测试仪进行测量。这里主要介绍这种测量方法。 电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势（EMF）。此电动势（EMF）由二个半电池构成，其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关，如H+；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是测量溶液相通，并且与测量仪表相连。例如，一支电极由一根插在含有银离子的盐溶液中的一根银导线制成，在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，形成离子的充电过程，并形成一定的电位差。失去电子的银离子进

28、溶液。当没有施加外电流进行反充电，也就是说没有电流的话，这一过程最终会达到一个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电极电位。这种（如上所述）由金属和含有此金属离子的溶液组成的电极被称为第一类电极。 此电位的测量是相对一个电位与盐溶液的成分无关的参比电极进行的。这种具有独立电位的参比电极也被称为第二电极。对于此类电极，金属导线都是覆盖一层此种金属的微溶性盐（如：/），并且插入含有此种金属盐限离子的电解质溶中。此时半电池电位或电极电位的大小取决于此种阴离子的活度。pH测试仪是根据pH实用定义采用氢离子选择性电极测量水溶液pH值的一种广泛使用的化学分析仪器，是用其电势法测量pH值的。2

29、.2.1指示电极 指示电极是组成电位分析仪的基本部件，大部分指示电极是离子选择性电极。它具有将溶液中某特定离子的活度转变成一定电位的功能。各种离子选择性电极都有一个被称为离子选择性膜的敏感元件。离子选择性电极的性能主要取决于膜的种类及其制备技术，常用的离子选择性电极有晶体膜电极、液膜电极和玻璃膜电极等。 理想的离子选择性电极的电位与离子活度的关系应符合能斯特方程 （式中阳离子取“+”号，阴离子取“-”） a为溶液中此离子的活度值； S为电机的斜率项，是温度的函数；E0为电极等电势点的电位值。电极的响应斜率只在一定的活度范围内维持基本不变，当活度小于一定值时，斜率明显的变小。如下图，当离子活度从

30、大变小直到无限稀时，E-曲线与直逐渐弯曲，直至与水平轴平行。这说明在活度低时，测量受到一定的限制。指示电极的测量范围上限，一般为1mol/L.这并不是说电极在更浓的溶液中不能响应，主要考虑液接电位难稳定。此外，有些液膜电极在浓溶液中无响应，还有固体膜电极在浓溶液中受腐蚀严重。最常用的pH指示电极是玻璃电极。它是一支端部吹成泡状的对于pH敏感的玻璃膜的玻璃管。指示电极是组成电位式分析仪器的基本部件，大部分指示电极是离子选择性电极。离子选择性电极是具有将溶液中某种特定离子的浓度转变成电位功能的电极。各种离子选择性电极的结构虽然各有其特点，但都有一个被称为离子选择性膜的敏感元件，离子选择性电极的性能

31、主要取决于膜的种类及制备技术。离子选择性电极的敏感膜都有渗透性，也就是说被测溶液中的特定离子可以进入膜内，并在膜内移动，从而可以传递电荷，在溶液和膜之间形成一定的点位。而膜的渗透性是具有选择性的，非特定离子不能再其中进行渗透，这就是离子选择性电极对离子具有选择性响应的根本道理。321A2A1 A11 参比电极；2参比电极；3敏感膜图2-3 膜电位示意图2-3是测量离子选择性敏感膜电位的示意图，图中的1与2是完全相同的参比电极；膜两侧的溶液中含有该膜能响应的离子，且离子浓度分别为A1、A2；膜两侧的表面与相接触的溶液之间存在着电位差，分别为E1、E2.，通常称之为敏感膜相界面电位。在一定测量范围

32、内，相界面电位与离子浓度关系符合能斯特方程： (2-10)式中，敏感膜两边溶液的离子浓度；离子浓度=1，温度为时的电位值（温度不同，不同）。所谓离子选择性敏感膜的膜电位是指膜的两侧相界面电位之代数和，即膜电位可表示为 (2-11)2.2.2 参比电极 同样测量离子选择性电极电位必须有参比电极。在压力、温度一定的条件下，当被测液的组成改变时，参比电极的电极电位（不包括液接电位）应保持恒定。参比电极应具有可逆性、重现性和稳定性。常用的参比电极有氢电极、甘汞电极、银-氯化银电极、固体参比电极和其他参比电极 本设计使用的是银-氯化银电极，它是一种方便可靠的电极，在电位稳定性和重现性方面都比较好，特别是

33、在高温下电极电位仍然比较稳定。虽然它的温度系数较大，但“热滞后”现象比甘汞电极下。现在离子选择性电极的内参比电极多采用银-氯化银电极。161523423 (a) 单接界 (b) 双结界1引线；2溶液；3丝；4磨口接口；5陶瓷芯；6外盐桥液图2-4 银-氯化银外参比电极结构示意图银-氯化银电极表示为，（饱和）|（固体）， 其中是的固体难溶盐，溶液提供-1（也可用来提供）。电极反应为：-电极电位为： （2-12） 当-浓度和温度一定时，电极电位是一常数。尽管内充液的浓度可以不同，但所用的溶液必须是的饱和溶液，否则覆盖在银表面的一层将溶解到溶液中，这将引起电极电位漂移或缩短电极的使用寿命。甘汞电极和

34、银-氯化银电极的内充液都可以做成凝胶形式这样可以不用添加补充液。2.2.3 测量电池的电动势在使用pH测试仪进行测定时，总是将待测溶液作为化学电池的一个组成部分而进行分析工作的。 化学电池是一个换能器，它是一个化学电源，将化学能转变为电能，它由两个电极和接通两电极的电解质溶液组成。在外电路没有接通时，两电极存在电位差，该电位差等于原电池的电动势。正是这一电动势的存在，在外电路接通时，才能有电流在内外电路中流动。原电池的电动势与两电极各自的电位有关，通常把金属和它插入的该金属的盐溶液构成的体系称为半电池，并称该金属为电极。金属与溶液间的电位差叫做该电极的电位。电极电位不仅与金属的种类有关，而且与

35、该溶液中金属的离子浓度有关。测量电池各部的电位如图2-5所示。测量电池的电动势可写为 E=（ED+E不对称+E1+E2+ E内参） (2-13)对于确定的测量电池，ED、E不对称、E1、E内参、E外参、E液接为常数，所以上式可表示为 (2-14)式中= ED+E不对称+E1+E2+ E内参-E外参+ E液接 。这里的与温度有关，只有在温度不变时，E才仅由决定。1 指示电极；2参比电极；3被测溶液；E测量电池电动势；Ed膜内扩散电位；E不对称膜内不对称电位；E内参内参比电极；E外参外参比电极；E液接外参比电极的内充夜与待测液间的液接电位；E1敏感膜内侧的相界面电位；E2敏感膜外侧的相界面电位。图

36、2-5 测量电池电位示意2.3 温度对测量的影响在代入R、F的值，并把换成2.303，则可变为如下形式 (2-15)对温度T求导数 (2-16)可理解为温度变化一个单位时测量电池电动势的变化值，即测量电池的温度系数，式表明它由三部分组成。是电极的标准电位温度系数项，它是表示电极特性的项，它与电极的膜材料、内充夜、内外参比电极等的温度特性有关。是能斯特方程系数斜率项。当n=1,温度变化1，则斜率变0.1984mV；n=2，则变化为0.0992mV。故pH测试仪都装有温度补偿器，在电路上采取措施，以补偿其对测量的影响。为溶液温度系数项，它受溶液中离子浓度的影响，而离子浓度又取决于它的浓度系数和离子

37、强度。对弱电解质和溶液形成络合物的电解质溶液，还受它们的平衡常数的影响。可见这项是很复杂的，一般的离子计不能对该项进行补偿。所以在电位法测量中，严格地说，在表明标准也和被测浓度的同时也应标明其温度。因此一般的离子计只能对能斯特方程中的温度系数斜率项进行温度补偿，只能消除温度对测量的部分影响，因此若严格要求，测量应在恒温条件下进行。2.4 检测下限与测量范围电极的响应斜率只在一定的浓度范围内维持不变，当浓度小于一定值时，斜率明显变小。当选择性离子浓度从大变小直至无限稀时，E-a曲线由直线逐渐弯曲，直至与水平轴平行。这说明在低浓度时，测量受到一定限制。国际纯化学与应用化学协会规定，检测下限指在低浓

38、度方向斜率值为理论斜率70%时曲线上的点对应的浓度值。由于此点不易确定，又推荐用下述方法确定检测下限：把E-a直线部分外推，再在电极的选择性离子的浓度为无限低时，由E-a曲线上的对应点作平行于浓度对数轴的直线，两直线交点所对应的浓度值即为检测下限，如图2-6中A点对应的a0点。图2-6 曲线测量范围的上限一般用经验方法确定，大多数以a=1mol/L作为测量范围上限。这并不是电极在更浓的溶液中不能响应，主要考虑液接电位难稳定。此外，有些液膜电极在浓溶液中无响应，有些固膜电极在浓溶液中受腐蚀严重，影响使用寿命。因此，根据各电极的具体情况，也可以把电极的测量上限规定小于1mol/L。2.5 方案论证

39、本设计采用三电极测量系统，可大大降低外界干扰的影响。电化学测量三电极：指示电极，辅助电极(对电极)，参比电极。 参比电极的作用是在测量过程中提供一个稳定的电极电位，对于一个三电极的测试系统，之所以要有一个参比电极，是因为有些时候指示电极和辅助电极(对电极)的电极电位在测试过程中都会发生变化的，为了确切的知道其中某一个电极的电位(通常我们关心的是工作电极的电极电位)，我们就必须有一个在测试过程中电极电位恒定的电极作为参比来进行测量。如果可以确定辅助电极的电极电位在测试过程中是不发生变化或者变化可以忽略不计时，我们就不必使用参比电极.这就是所谓的双电极测试系统，辅助电极的作用是在整个测试中形成一个

40、可以让电流通过的回路，只有一个电极外电路上是不可能有稳定的电流通过的。这就好比电路里面必须要有火线和零线一样。因此辅助电极对于电化学测试是必须的，而参比电极则可以根据具体情况进行选择，并不是一定要有的。参比电极(Reference electrode)：参比电极具有已知恒定的电位，为研究对象提供一个电位标准。测量时，参比电极上通过的电流极小，不致引起参比电极的极化。由于体系中有电流通过，产生了溶液电压降和对电极的极化，因此工作电极的电位难以准确测定，由此引入参比电极。参比电极有着非常稳定的电位，且电流不经过参比电极不会引起极化，从而工作电极的电位可以由参比电极得到，而电流由工作电极-辅助电极回

41、路得到。当体系中没有电流通过，工作电极的电位可以由对电极直接准确测定，因此可以用双电极体系。由此可得，如果体系中没有电流通过，都可以用双电极体系。一旦有电流通过,要采用三电极体系，以同时测得工作电极的电位和电流。所以本设计采用三电极测量系统，可大大降低外界干扰的影响。在测量pH时，要有温度补偿和标定，所以要求对温度进行检测，应该先考虑用热电阻传感器。按照热敏电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。方案1：采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其阻值随温度变化有明显的变化。负温度系数热敏电阻器通常是由锰、钴的氧化物烧制成半导体陶瓷

42、制成。其特点是，在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。可满足40-90测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1的信号；而且线性度很差，不能直接用于A/D转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。方案2：采用温度传感器铂电阻Pt100。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0-100时，最大非线性偏差小于0.5。铂电阻与温度的关系是： =R0(1+At+Bt*t) (2-17)其中是温度为t时铂热电阻的电阻值；R0是温度为0时铂热电阻的电阻值；t为任意温度值，A、B为温度系数。但其成本太贵，不适合做普通设计。方案

43、3：采用集成温度传感器AD590。它是电流型温度传感器。这种器件以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度是1。它是二端器件，使用非常方便，作为一种高阻电流源，它不需要严格考虑传输线上的电压信号损失和噪音干扰问题，因此特别适合作为远程测量或控制用。另外，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光调技术校准，使得AD590具有很高的精度。并且应用电路简单，便于设计。方案选择：选择方案3。理由：电路简单稳定可靠、无需调试，与A/D连接方便。2.6 本章小结本章主要介绍pH测

44、量仪的测量原理和两点标定法标定原理。其中还介绍了介绍参比电极和指示电极的基本概念和基本工作原理以及温度对测量的影响以及测量下限与测量范围。本章对三电极测量系统和双电极测量系统进行了对比。如果体系中没有电流通过，都可以用双电极体系。一旦有电流通过,要采用三电极体系，以同时测得工作电极的电位和电流。所以本设计采用三电极测量系统，可大大降低外界干扰的影响。对于实际的测量系统来说，能斯特方程响应的实际曲线又往往偏离理想曲线，即实际响应的曲线的斜率不等于理想曲线的斜率，所以只有知道实际的斜率，测量系统中的电极才能使用。所以必须用两点标定方法，即在此标定过程中，计算出电极零点和确定温度下的斜率，从而计算得

45、出pH值。 第三章 pH测试仪的硬件设计具有计算机的功能的芯片成为单片机，它体积小，重量轻，抗干扰能力强，开发较为容易，所以可以把它应用于传统的仪器中。本系统就是以MCS-51型单片微型计算机作为数据处理的核心部件，并扩展一些外围芯片，组成一个可以完成自检、运行、标定等功能的智能型仪器。3.1 pH测试仪的电路原理图测量数据经pH电极转化为的电压信号，信号调整电路对原始信号进行调整。信号凋整电路采用多级集成运放构成。第一级采用放大器CA314O正相放大。提高输入阻抗；第二级反相放大，采用可调电阻做反馈电阻，放大倍数可调，便于仪器的调试；第三级与第四级结合起来调节输人信号的零点。最后一级反相放大

46、将信号再进行一次反相。得到与输入信号同相的电压信号。温度传感器将液体内部温度转换为电压信号。对温度信号的处理要求精度比较高。因此采用高精度运算放大器对其进行放大处理经处理后的两路信号与参比电极两路信号同时进入电子开关供CPU选择。电子开关采用4051芯片。本设计控制位只需2位，此将A、B信号接单片机，用来控制12、13、14、l5的4路输入，4051其他几路输入接地，INH禁止端接地。由于单片机采用+5V 电压。电子开关为6V。器件之间需要光电隔离进行抗扰。被选信号通过LM33l进行幅频转换。经过光电隔离输入单片机。单片机以一段时间为基准读取频率数值将频率数值换算成pH数值，用以操作。参比电极

47、高阻差分放大电路温度传感器89C52单片机系统AD 转换DA转换模拟转换开关接地电极显示器键 盘报 警串行通讯温度放大电路指示电极图3-1 p H测试仪电路原理框图3.2 输入电路3.2.1温度采集电路方案选择温度传感器将液体内部温度转换为电压信号，对温度信号的处理要求精度比较高。本文设计的温度采集电路运用AD590温度传感器。AD590是美国模拟器件公司生产的单片机集成两端感温电流源，它的主要特性如下： 1、每增加1，它会增加1A输出电流；2、可测量范围-55至150；3、供电电压范围+4V至+30V。AD590的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它

48、会增加1A输出电流，因此室温25时，其输出电流t=（273+25）=298A。图3-2所示是一个电压串联负反馈电路中，由于输入电流（即信号电流）等于反馈电流，集成运放的两个输入端电位均为零，称为“虚地”。电压放大倍数 （3-1） =1500所以最小输出电压为1500mV。图3-2 温度采集电路3.2.2 pH信号采集电路测量数据经pH电极转化为微弱的电压信号，信号调整电路对原始信号进行调整信号凋整电路采用多级集成运放构成。第一级采用放大器CA314O正相放大。提高输入阻抗。增强抗干扰能力；第二级反相放大，采用可调电阻做反馈电阻，放大倍数可调，便于仪器的调试：第三级与第四级结合起来调节输人信号的

49、零点。最后一级反相放大。将信号再进行一次反相。得到与输入信号同相的电压信号。pH电极由玻璃电极和参考电极组成。玻璃电极是由特殊玻璃膜制成的。其厚度可以小于0.1mm，AgAgC1为参考电极在内部，由二者组成复合电极。从复合pH电极的玻璃电极和参考电极两端输出的信号为电压。在一定的温度下只要知道了电压值，即可求出溶液的pH值，因此pH值的测量实际上就是电压信号的测量。由于复合pH电极内阻很高。大约l012。要求前置放大器有较高的输入阻抗。因此设计中选用了运放CA3140，它兼有高电压PMOS管和高压二极管的优点。都集成在单独的芯片上。输入电路PMOS提供非常高的阻抗。并且具有非常快的响应速度。还

50、具有自身补偿能力来达到稳定的放大增益；输出部分含有自身保护电路来保护由于负载短路造成的损害。可完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等，非常适合此电路设计。本文采用3个CA3140来构成双高阻抗差分输入电路。电路图如图3-3所示。图3-3 pH信号输入电路 在图（3-3）中，U1和U2构成输入级或第一级，而U3构成输出级或第二级，依据输入电压约束条件，在R3上的电压为玻璃电极V1和参比电极V2电压之差，即V1-V2，依据输入电流约束条件，流过R1与R3是同一电流。由欧姆定律得： （3-5）输入级也称为差分输入，U3为差分放大器，因此有： （3-6）将两式结合在一起： （3-7） （3-8）

51、此式表明总增益A是第一级A1和第二级A2的乘积，输入电路的增益取决于外部电阻的比值，所以采用合适的电阻。也就是调节合适的放大增益使输出电压V0达到模数转换所需的电压范围，送入单片机DAC0832模数端进行数据处理。另外，通过适当调节U3中的电阻可以使共模抑制比CMRR达到最大抑制共模噪声，提高系统的信噪比，增强系统抗干扰能力。为了准确的测定溶液中氢离子浓度，除了需要性能优良的电极外，还与仪器的前置运算放大的选择有密切的关系。以前影响测量仪器发展的主要技术关键是前置运算放大器的性能不能适应现场的需求，表现在性能上不稳定飘移大，噪音大，传输距离不远等。作为前值运算放大器，应有以下几个要求： 1.放

52、大器的输入电流要小； 2.高的输入阻抗，放大器的输入阻抗包括放大器的阻抗和接插件的绝缘阻抗等； 3.小的温度漂移系数。所以仪器使用的美国无线电公司研制开发的CA3140高输入阻抗运算放大器,该运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。3.3 模拟转换开关CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD+5V，VSS0，VEE-13.5V，则05V的数字信号可控制-1

53、3.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一个通道，可连接该输入端至输出。图3-4 4051引脚接口图 主要引脚功能说明： X0：pH信号输入端； X1：T温度信号输入端； INH：禁止段； A，B，C：地址端； X：输入或输出端。如图3-4所示，INH输入端接1K电阻并接地，所以INH输入端=“0”，所有通道导通。若INH=“0”，则所有通道截止。当A=0，B=0，C=0时X0通道被选通，即此时输入pH信号；当A=1，B=0，C=0时，X

54、1通道被选通，即此时输入温度信号。4051主要将输入的pH信号和温度信号进行选择，选择其中之一进入A/D转换器进行A/D转换。主要因为A/D转换器一次仅能转换一个信号，而且价格较贵，若采用两个A/D转换器，则设计成本将会增加。故用4051进行信号选择。3.4 A/D转换器本pH测试仪，测量的是溶液中的氢离子浓度和温度。根据测量的特点，系统采用的是MC14433芯片，作为模数转换电路。MC14433是主要对从输入电路进来的pH和温度信号经模拟电子开关选择的信号进行模数转换。MC14433信号双积分型的A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好等优点，其缺点是转换速度慢，约1-10次/s。在不要求高速转

55、换的数据采集系统中，被广泛应用。它的被转换电压量程为1.999V。转换完的数据一BCD码的形式分四次送出。MC14433 A/D转换器引脚如图3-5所示。图3-5 MC14433引脚图 下面介绍引脚的功能：VDD：主工作电源+5V；VEE：模拟部分的伏电源端，接-5V；VAG：模拟地端；VSS：数字地端；VREF:基准电压输入端；EOC：转换结束输出端，正脉冲有效；DU：启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换；OR：当|VX|VR|，过量程OR输出低电压；DS1-DS4：分别为个、十、百、千、位输出的选通脉冲，正脉冲有效。DS1对应千位，DS4对应各位。每个选

56、通脉冲宽度为18个时钟周期，2个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期；Q1-Q3：BCD码数据输出线。其中Q0为最低位，Q3为最高位。当DS2、DS2和DS4选通期间，输出3位完整的BCD码数，但在DS1（千位）选通期间，输出端Q0-Q3除了表示千位的0或1外，还表示被转换电压的正负极性（Q2=1为正）以及欠量程还是过量程。3.5 D/A转换器 我们使用的D/A转换器为美国国家半导体公司的DAC0832芯片具有2个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS-51单片机相连，其主要性能如下：分辨率为8位，电流输出，稳定时间为1us；可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入；单一电源供电；低功耗，20m

57、W。DAC0832的引脚如图3-6所示。图3-6 DAC0832的引脚DI0-DI7：8位数字信号输入端，与单片机的数据总线相连，用于接受单片机送来的待转换的数字量，DI7为最高位； CS：片选段，当CS为低电平时，本芯片被选中； ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效； WR1：第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。当CS=0、ILE=1、WR1=0时，数据信号被锁存到第一级8位输入寄存器；：数据传输控制，低电平有效；WR2：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效。当=0；WR2=0时；输入寄存器状态传入8位DAC寄存器中；Iout1：D/A转换器电流输出1端，输入数字量全为1时，Iout1

58、输出最大，输入数字量全为0时，Iout1输出最小；Iout2：D/A转换器电流输出2端，Iout2+Iout1=常数；：外部反馈信号输入端，内部已有反馈电阻，根据需要也可外接反馈电阻；：电源输入端，可在+5V-+15V范围内；DGND：数字信号地；AGND:模拟信号地，最好与基准电压共地。DAC0832内部的8位输入寄存器用于存放CPU送来的数字量，是输入数字量得到缓冲和所存，由LE1端加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由LE2端控制；8位D/A转换电路由8位T型电阻网络和电子开关组成，电子开关受8位DAC寄存器输出的数字来能够控制，T型电阻网络能输出和数字量成正比的模拟电流。

59、因此，DAC0832通常需要外接运算放大器，进行电流/电压转换，才能得到模拟输出电压。3.6 标准信号输出电路图3-7 输出电路单片机微机系统输出的数字信号经DAC0832送入输出电路，如图3-7所示，经输出电路转换可输出0-10mA或4-20mA的电流信号和0-5mV或0-10mV的电压信号。电流信号和电压信号的输出范围可通过仪器内部的切换开关进行切换。此时DAC0832用作程控放大器。由图可见，需要放大的电压Vi和反馈输入端相接，运算放大器输出Vo还作为DAC0832的基准电压,数字量由CPU送来，其余如图（3-7）所示。DAC0832内部Io一边和T型电阻网络相连，另一边又通过反馈电阻和Vi相通，故而得到DAC的输出和输入之间的关系： （3-9）选R=，则上式变为 （3-10）上式中的256/B看作放大倍数。但输入的数字量B不得为0，否则放大倍数为无限大，