【正文】 的。測量電池的電動勢可寫為 E=（ ED+E不對稱 +E1+E2+ E內(nèi)參 ） (213) 對于確定的測量電池， ED、 E不對稱 、 E E內(nèi)參 、 E外參 、 E液接 為常數(shù)，所以上式可表示為 0 lnRTE E anF?? 外 (214) 式 中 0E = ED+E不對稱 +E1+E2+ E內(nèi)參 E外參 + E液接 。 lgT d an dT? 為溶液溫度系數(shù)項，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)和離子強度。國際純化學與應(yīng)用化學協(xié)會規(guī)定，檢測下限指在低濃度方向斜率值為理論斜率 70%時曲線上的點對應(yīng)的濃度值。 參比電極的作用是在測量過程中提供一個穩(wěn)定的電極電位 ， 對于一個三電極的測試系統(tǒng) ， 之所以要有一個參比電極 ， 是因為有些時候 指示 電極和輔助電極 (對電極 )的電極電位在測試過程中都會發(fā)生變化的 ， 為了確切的知道其中某一個電極的電位(通常我們關(guān)心的是工作電極的電極電位 )， 我們就必須有一個在測試過程中電極電位恒定的電極作為參比來進行測量 。 當體系中沒有電流通過 ， 工作電極的電位可以由對電極直接準確測定 ， 因此可以用雙電極體系 。其特點是，在工作溫度范圍內(nèi)電阻阻值隨溫度的升高而降低。 它是電流型溫度傳感器。 長春工業(yè)大學學士學位畢業(yè) 論文 16 本章小結(jié) 本章主要介紹 pH 測量儀的測量原理和兩點標定法標定原理。 長春工業(yè)大學學士學位畢業(yè) 論文 17 第三 章 pH 測試儀的硬件設(shè)計 具有計算機的功能的芯片成為單片機，它體積小，重量輕，抗干擾能力強，開發(fā)較為容易，所以可以把它應(yīng)用于傳統(tǒng)的儀器中。溫度傳感器將液體內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號。 器件之間需要光電隔離進行抗擾。 圖 32 所示是一個電壓串聯(lián)負反饋電路中 ，由于輸入電流（即信號電流）等于反饋電流，集成運放的兩個輸入端電 位均為零，稱為“虛地” 。得到與輸入信號同相的電壓信號 。要求前置放大器有較高的輸入阻抗。電路圖如圖33所示。 所以儀器使用的 美國無線電公司研制開發(fā)的 CA3140高輸入阻抗運算放大器 ,該運算放大器功能保護 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。 如圖 34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。 MC14433 是 主要對從輸入電路進來的 pH 和溫度信號經(jīng)模擬電子開關(guān)選擇的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。每個選通脈沖寬度為 18個時鐘周期， 2個相 應(yīng)脈沖之間間隔為 2個時鐘周期； Q1Q3： BCD 碼數(shù)據(jù)輸出線。 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； 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路由 8 位 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)受 8 位 DAC 寄存器輸出的數(shù)字來能 夠控制， T 型電阻網(wǎng)絡(luò)能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。 DAC0832 內(nèi)部 Io 一邊和 T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連，另一邊又通過反饋電阻 fbR和 Vi 相通，故而得到 DAC 的輸出和輸入之間的關(guān)系： 256fbVi RVo BR? ? ? ? 。當 CS=0、 ILE= WR1=0 時，數(shù)據(jù)信號被鎖存到第一級 8位輸入寄存器； Xfer ： 數(shù)據(jù)傳輸控制 ， 低電平有效 ； WR2： DAC 寄存器 寫 選通 控制端， 低電平有效 。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eA4D a t e : 13 J un 2 010 S he e t o f F i l e : G : \bi y e z i l i a o\ P R E V I O ~ 1 D B D r a w n B y :V A G1V R E F2V I N3R I N T4R / C5C I N T6C 027C 018DU9C L K I10C L K O11V E E12V D D24Q023Q122Q221Q320D S 119D S 218D S 317D S 416OR15E O C14V S S13U9M C 1443 3C3 uFC4 uFR 2 0470 KR 2 1470 K+ 5V 5VV R E FG N DD S 1D S 2D S 3D S 4P 3 . 3V I NP 3 . 3Q0Q1Q2Q3 圖 35 MC14433 引腳圖 下面介紹引腳的功能： VDD：主工作電源 +5V； VEE：模擬部分的伏電源端， 接 5V； VAG：模擬地端 ； VSS：數(shù)字地端； VREF:基準電壓輸入端； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出端，正脈沖有效； DU：啟動新的轉(zhuǎn)換，若 DU 與 EOC 相連，每當 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動啟動新的轉(zhuǎn)換； OR：當 |VX||VR|，過量程 OR 輸出低電壓； DS1DS4：分別為個、十、百、千、位輸出的選通脈沖，正脈沖有效。 A/D 轉(zhuǎn)換器 本 pH 測試儀，測量的是溶液中的氫離子濃度和溫度。三位二進制信號選通 8 通道中的一 個 通道，可連接該輸入端至輸出。以前影響測量儀器發(fā)展的主要技術(shù)關(guān)鍵是前置運算放大器的性能不能適應(yīng)現(xiàn)場的需求，表現(xiàn)在性能上不穩(wěn)定飄移大，噪音大，傳輸距離不遠等。 可完 成阻抗匹配、降低測量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 等 ， 非常適合此電路設(shè)計。由于復(fù)合 pH電極內(nèi)阻很高。最后一級反相放大。 AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片機集成兩端感溫電流源，它的主要特性如下： 每增加 1℃ ，它會增加 1μA 輸出電流 ； 可測量范圍 55℃ 至 150℃ ； 供電電壓范圍 +4V 至 +30V。 電子開關(guān)為 177。最后一級反相放大．將信號再進行一次反相。 對 于實際的測量系統(tǒng)來說，能斯特方程響應(yīng)的實際曲線又往往偏離理想曲線，即實際響應(yīng)的曲線的斜率不等于理想曲線的斜率，所以只有知道實際的斜率，測量系統(tǒng)中的電極才能使用。 方案選擇：選擇方案 3。但其成本太貴，不適合做普通設(shè)計。 方案 1：采用熱敏電阻，這種電阻是利用對溫度敏感的半導(dǎo)體材料制成，其阻值隨溫度變化有明顯的變化。 由于體系中有電流通過 ， 產(chǎn)生了溶液電壓降和對電極的極化 ， 因此工作電極的電位難以準確測定 ， 由此引入?yún)⒈入姌O 。 方案論證 本設(shè)計采用三電極測量系統(tǒng)，可大大降低外界干擾的影響。當選擇性離子濃度從大變小直至無限稀時， E ln a曲線由直線逐漸彎曲，直至與水平軸平行。當 n=1,溫度變化 1℃，則斜率 變 ；n=2，則變化為 。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)。盡管 KCl 內(nèi)充液的濃度可以不同，但所用的 KCl 溶液必須是 AgCl 的飽和溶液，否則覆蓋在銀表面的一層 AgCl將溶解到 KCl 溶液中，這將引起電極電位漂移或縮短電極的使用壽命。 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E 可 表示為 21E E E? ? ? 2lnRT anF 1lnRT anF? (211) 參比電極 同樣測量離子選擇性電極電位必須有參比電極。它是一支端部吹成泡狀的對于 pH敏感的玻璃膜的玻璃管。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。 此電位的測量是相對一個電位與鹽溶液的成分無關(guān)的參比電極進行的。原電池是一個系統(tǒng)，它的作用是使化學反應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能。 圖 22 pH 電極的 mVpH 曲線 長春工業(yè)大學學士學位畢業(yè) 論文 8 pH 測試儀的測量方法 測量 pH值的方法很多，主要有化學分析法、試紙法、電位法。 過程如下： （ 1）配制兩種標準溶液，令其 pH 值分別為 pH1 和 pH2。由圖 21可知，變送器的輸入級由兩個相同的高輸入阻抗放大器 6 組成。 把常數(shù)帶入 （ 21） 0EE? ? （ +） *pH 05 4 .2 0 0 .1 9 8 4EEpH t?? ? （ 22） 我們采用電極的零電位 pH=7,則 7 5 4 .2 0 0 .1 9 8 4EpH t? ?? （ 23） 由 （ 23） 式可知， pH值與電極產(chǎn)生的電勢呈線性，并且與溫度有關(guān)。④ 2 線式傳輸，具有標準信號輸出，便于和計算機聯(lián)用 。儀器采用液晶 7段數(shù)字顯示，具有校正時電極電位穩(wěn)定性判斷功能；檢量線運算功能，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 標準液在各溫度下 pH 值的存儲功能等。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。人們習慣上把阻抗變換、放大、指示部分叫 pH 計或 pH 變送器。在這方面，電子計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理機、微型計算機等的應(yīng)用，更加速了離 子電極測試儀表與數(shù)據(jù)處理的計算機化進程，所以研究新型的 pH 測試儀是必要的。在許多情況下，用電極進行多樣分析 比其他自動分析以更快。 通常通過儀器對時間和溫度曲線進行自動控制 ， 而對 pH 值只是簡單的通過加入染料進行調(diào)節(jié) 。例如：測量工業(yè)廢水的酸堿度，以便選擇合適的化學物質(zhì)進行中和，使其生成無毒無污染便于沉淀或蒸發(fā)的物質(zhì)。 [4]這種儀器由于操作簡便、測定速度快、靈敏度高、精度好， 是電位法測量儀器的發(fā)展方向。這也 使電位法測量儀器的發(fā)展進入 了一個嶄新領(lǐng)域。用于該 分析法的儀器成為電位式分析儀器。采用人機對話方式，可實現(xiàn)自動測量、標定、存儲、顯示數(shù)據(jù)等功能。 作者簽名： 日 期： 長春工業(yè)大學學士學位畢業(yè)論文 2 摘要 本文設(shè)計的 pH測試儀采用電化學原理及單片微型計算機技術(shù)完成對各種溶液中氫離子濃度的測定。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容 。這樣，使其具有校準記憶，能自動調(diào)節(jié)斜率，溫度自動補償?shù)哪芰皺z測時間定時等功能。電位分析法是指通過 三 電極 測量 系統(tǒng)與被測溶液構(gòu)成的測量電池（原電池）的電動勢，獲知被測溶液離子濃度的分析方法。數(shù)字式直流電壓表的普及，使儀器能夠很快的 數(shù)字化。同時，它能進行背景校正，以及溫度自動補償、 自動校正等多種功能 。 [6] pH 測試儀研究的必要性 溶液酸堿度的檢測，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。 染料的吸收率取決于纖維材料 ， 終點 pH終點溫度 ， 染色深度以及染色時間 ， 特別是終點溫度及終點 pH 尤其重要 。電極法分析還可以節(jié)省時間，僅需幾分鐘，典型的單詞分析時間為 1 分鐘。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)顯示與自動記錄，因而使用這種方長春工業(yè)大學學士學位畢業(yè)論文 3 法有利于實現(xiàn)連續(xù)與自動分析。 初期的 pH 測定裝置是由傳感器亦稱發(fā)送器 (包括玻璃電極、參比電極、溫度補償元件 )和阻抗變換、放大、指示的電子單元兩部分組成。 1979 年，橫河電機在 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。該儀器能夠進行 pH 自動校正和電極的自動長春工業(yè)大學學士學位畢業(yè)論文 4 清洗。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。 長春工業(yè)大學學士學位畢業(yè) 論文 5 第二章 pH 測試儀的整體設(shè)計 pH 測試儀的測量原理 數(shù)學模型的建立 :水溶液的酸堿度與被測溶液的 pH 值關(guān)系，可以用能斯特方程表示 為