【正文】 電流信號(hào)和電壓信號(hào)的輸出范圍可通過(guò)儀器內(nèi)部的切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換 。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 23 D/A 轉(zhuǎn)換器 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 MCS51 單片機(jī)相連， 其主要性能如下： 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；單一電源供電； 低功耗 ， 20mW。它的被轉(zhuǎn)換電壓量程為長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 22 。 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。例如，若 VDD＝ +5V， VSS＝ 0， VEE＝ ，則 0～ 5V 的數(shù)字信 號(hào)可控制 ～ 的模擬信號(hào)。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。輸入電路 PMOS 提供非常高的阻抗。 其厚度可以小于 ， Ag— AgC1 為參考電極在內(nèi)部，由二者組成復(fù)合電極。第一級(jí)采用放大器 CA314O 正相放大。 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。電子開(kāi)關(guān)采用 4051 芯片。信號(hào)凋整電路采用多級(jí)集成運(yùn)放構(gòu)成。 如果體系中沒(méi)有電流通過(guò) ， 都可以用雙電極體系 。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(kāi)關(guān)或 CMOS多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)所引起的附加電阻造成的誤差。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。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。 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 。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。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。 圖 25 測(cè)量電池電位示意 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 13 溫度對(duì)測(cè)量的影響 在0 lnRTE E anF?? 代入 R、 F的值，并把 lna 換成 ，則可變?yōu)槿缦滦问? 0 0 .1 9 8 4 lgTE E an?? (215) 對(duì)溫度 T求導(dǎo)數(shù) 0 0 . 1 9 8 4 0 . 1 9 8 4 l glgd E d E T d aad T d T n n d T? ? ? ? (216) dEdT 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。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)。現(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。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。指示電極的測(cè)量范圍上限，一般為 1mol/響應(yīng)，主要考慮液接電位難穩(wěn)定。 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。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。 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 的測(cè)量； 而對(duì)于分辨力小于 ，我們均采用電位法即用 pH測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。 電極標(biāo)定過(guò)程即求電極的零點(diǎn)和確定溫度 下的斜率。對(duì)于實(shí)際長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 7 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。把 pH= 代入 （ 24） 得 6. 86( ) m 64 7 54 .20 98 4 m VK x E E x E EKxt E E?? ? ?? 理 2 理 1實(shí) 2 實(shí) 2 （ 理 論 數(shù) ） （ 實(shí) 際 數(shù) ） (25) 0 . 1 3 6 ( 5 4 . 2 0 0 . 1 9 8 4 )tE x E Kx???? 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 6 把 （ 25） 代入 （ 24） 得 ()6 .8 6 45 4 .2 0 0 .1 9 8 4K x E EpH t??? ? (26) 為玻璃電極再 pH= 標(biāo)準(zhǔn)溶液產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) 。 文中 對(duì) 相應(yīng)的 輸入 、 輸出電路進(jìn)行計(jì)算。 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、防爆且能在條件惡劣的場(chǎng)所使用。 而工業(yè) pH 計(jì)的微機(jī)化約于 1983 年。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) 。工業(yè)pH 計(jì)的問(wèn)世約于 4O年代末期。 電極直接測(cè)量法 與樣品體積無(wú)關(guān)。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。 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 。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。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。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。 附 錄 .......................................................... 40 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 課題背景 本文所設(shè)計(jì)的 pH 測(cè)試儀，歸屬于電位式分析儀器。 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。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。 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。 關(guān)鍵詞： 三電極 ；兩點(diǎn)標(biāo)定；高阻； 溫度補(bǔ)償 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 3 TITLE： The Design of the pH Instrument Abstract On the basis of electrochemical principle and singlechip microputer techniques, 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 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 threeelectrode 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 MCS51 microcontroller core, is the instrument of high intelligence. Thus, it has a calibration memory, can automatically adjust the slope, automatic temperature pensation capability and the detection time timer functions. The use of manmachine dialogue, enabling automatic measurement, calibration, storage, display data functions. We use two points of calibration to calibrate the instrument. Key words: pH value。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(jiàn)，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)）。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。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 。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。 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) 。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。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 。 70 年代是工業(yè) pH 測(cè)試儀具有突破性進(jìn)展的 年代。 80 年代是工業(yè) pH 計(jì)微機(jī)化、智能化的年代 。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)。 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。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 （ 23） 式變?yōu)? ()7 5 4 .2 0 0 .1 9 8 4Kx E E xpH t?? ?? （ 24） Kx ：電極的補(bǔ)償斜率 ； Ex ：電極的固有誤差 ； Kx ， Ex 都是由 固定溶液測(cè)定的 。從圖 21 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。 依據(jù)電極理論： 2 ( 2 0 ) 2m V p H p H K? ? ? (27) 1 ( 1 0 ) 1m V p H p H K? ? ? (28) 2 1 ( 2 1 )K K T T K? ? ? ? ? (29) 式中 K K2—— 對(duì)應(yīng) T T2 的電極斜率 ； pH0—— 電極零電位的 pH 值 ； K? —— 電極斜率隨溫度的變化率（ K? =） 。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。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。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 ： Ag / AgCl ），并且插入含有此種金屬鹽限離子的電解質(zhì)溶 中。 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。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。參比電極應(yīng) 具有可逆性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。 測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì) 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