【正文】 的。測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)可寫(xiě)為 E=（ ED+E不對(duì)稱(chēng) +E1+E2+ E內(nèi)參 ） (213) 對(duì)于確定的測(cè)量電池， ED、 E不對(duì)稱(chēng) 、 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(duì)稱(chēng) +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(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。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。 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 。 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 ， 因此可以用雙電極體系 。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。 它是電流型溫度傳感器。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 16 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。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 17 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(kāi)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(hào)。 器件之間需要光電隔離進(jìn)行抗擾。 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(chēng)為“虛地” 。得到與輸入信號(hào)同相的電壓信號(hào) 。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?xún)x器使用的 美國(guó)無(wú)線電公司研制開(kāi)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。 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(duì)從輸入電路進(jìn)來(lái)的 pH 和溫度信號(hào)經(jīng)模擬電子開(kāi)關(guān)選擇的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。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； 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(lái)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(kāi)關(guān)組成，電子開(kāi)關(guān)受 8 位 DAC 寄存器輸出的數(shù)字來(lái)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(guò)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(dāng) CS=0、 ILE= 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； Xfer ： 數(shù)據(jù)傳輸控制 ， 低電平有效 ； WR2： DAC 寄存器 寫(xiě) 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(zhǔn)電壓輸入端； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出端，正脈沖有效； 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； OR：當(dāng) |VX||VR|，過(guò)量程 OR 輸出低電壓； DS1DS4：分別為個(gè)、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(cè)試儀，測(cè)量的是溶液中的氫離子濃度和溫度。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。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。 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)。由于復(fù)合 pH電極內(nèi)阻很高。最后一級(jí)反相放大。 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： 每增加 1℃ ，它會(huì)增加 1μA 輸出電流 ； 可測(cè)量范圍 55℃ 至 150℃ ； 供電電壓范圍 +4V 至 +30V。 電子開(kāi)關(guān)為 177。最后一級(jí)反相放大．將信號(hào)再進(jìn)行一次反相。 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。 方案選擇：選擇方案 3。但其成本太貴，不適合做普通設(shè)計(jì)。 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。 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 ， 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 。 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。當(dāng)選擇性離子濃度從大變小直至無(wú)限稀時(shí)， E ln a曲線由直線逐漸彎曲，直至與水平軸平行。當(dāng) 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(lèi)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(cè)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(duì)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(lèi)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(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。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。 圖 22 pH 電極的 mVpH 曲線 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 8 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。 過(guò)程如下： （ 1）配制兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液，令其 pH 值分別為 pH1 和 pH2。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 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(shì)呈線性，并且與溫度有關(guān)。④ 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 。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。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(xí)慣上把阻抗變換、放大、指示部分叫 pH 計(jì)或 pH 變送器。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。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。 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 值只是簡(jiǎn)單的通過(guò)加入染料進(jìn)行調(diào)節(jié) 。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)。 [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。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。用于該 分析法的儀器成為電位式分析儀器。采用人機(jī)對(duì)話(huà)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。 作者簽名： 日 期： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 2 摘要 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。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、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(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容 。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。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。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(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 。 [6] 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。 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 。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。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，因而使用這種方長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 3 法有利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)與自動(dòng)分析。 初期的 pH 測(cè)定裝置是由傳感器亦稱(chēng)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、指示的電子單元兩部分組成。 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。該儀器能夠進(jìn)行 pH 自動(dòng)校正和電極的自動(dòng)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 4 清洗。③產(chǎn)品系列化，為滿(mǎn)足不同用戶(hù)的要求，儀器應(yīng)具有多種電極清洗方式，可供用戶(hù)選用。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 5 第二章 pH 測(cè)試儀的整體設(shè)計(jì) 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