【正文】 a w n B y :R910 KR 1 710 0R 1 110 0KW310 0KK4K2K1R 1 510R 1 25KR 1 410 KR710 KR84. 7KR 1 34. 7KC60. 1uFD2 1N 41 48T180 50+ 1 2R 1 050567U 1 0 BL M 32 4 121314U 1 0 DL M 32 41098U 1 0 CL M 32 4K3 5 VW110 kW210 k1 87 23 6 5 4V o ut0 10m A4 20m A0 10m V0 5V 圖 37 輸出電路 單片機(jī)微機(jī)系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號經(jīng) DAC0832 送入 輸出 電路，如 圖 37所示， 經(jīng)輸出 電路轉(zhuǎn)換可輸出 010mA 或 420mA 的 電流信號 和 05mV 或 010mV 的電壓信號。 此時(shí)DAC0832 用作程控放大器。 DAC0832 的引腳如 圖 36 所示。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)一 BCD 碼的形式分四次送出。主要因?yàn)?A/D 轉(zhuǎn)換器一次僅能轉(zhuǎn)換一個(gè)信號，而且價(jià)格較貴，若采用兩個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，則設(shè)計(jì)成本將會增加。這些開關(guān)電路在整個(gè) VDDVSS和 VDDVEE 電源范圍 內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。另外，通過適當(dāng)調(diào)節(jié) U3中的電阻 Rw 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。并 且具有非?？斓捻憫?yīng)速度。從復(fù)合 pH電極的玻璃電極和參考電極兩端輸出的信號為電壓。提高輸入阻抗。 圖 31 p H 測試儀電路原理框圖 參比電極 高阻 差分 放大 電路 溫度傳感器 89C52 單片機(jī) 系統(tǒng) AD 轉(zhuǎn)換 DA 轉(zhuǎn)換 模 擬 轉(zhuǎn) 換 開 關(guān) 接地電極 顯示器 鍵 盤 報(bào) 警 串行通訊 溫度放大電路 指示電極 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 18 輸入電路 溫度采集電路 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 ， 對溫度信號的處理要求精度比較高 。本設(shè)計(jì)控制位只需 2 位，此將 A、 B 信號接單片機(jī)，用來控制 1 1 1 l5 的 4 路輸入， 4051 其他幾路輸入接地， INH 禁止端接地。第一級采用放大器 CA314O 正相放大。 一旦有電流通過 ,要采用三電極體系 ， 以同時(shí)測得工作電極的電位和電流 。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。在 0℃ 100℃時(shí)，最大非線性偏差小于 ℃。 在測量 pH時(shí)，要有溫度補(bǔ)償和標(biāo)定，所以 要求對溫度進(jìn)行檢測，應(yīng)該先考慮用熱電阻傳感器。 參比電極 (Reference electrode)： 參比長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 15 電極具有已知恒定的電位 ， 為研究對象提供一個(gè)電位標(biāo)準(zhǔn) 。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。 因此一 般的離子計(jì)只能對能斯特方程中的溫度系數(shù)斜率項(xiàng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，只能消除溫度對測量的部分影響，因此若嚴(yán)格要求，測量應(yīng)在恒溫條件下進(jìn)行。 0dEdT 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)。原電池的電動勢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。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 11 (a) 單接界 (b) 雙結(jié)界 1— 引線； 2— KCl 溶液； 3— AgCl 絲； 4— 磨口接口； 5— 陶瓷芯； 6— 外鹽橋液 圖 24 銀 氯化銀外參比電極結(jié)構(gòu)示意圖 銀 氯化銀電極表示為 KCl ， AgCl （飽和） |AgCl （固體）， Ag 其中 AgCl 是 Ag 的固體難溶 鹽， KCl 溶液提供 Cl 1（也可用 HCl 來提供）。 1— 參比電極； 2— 參比電極； 3— 敏感膜 圖 23 膜電位示意 圖 23是測量離子選擇性敏感膜電位的示意圖，圖中的 1與 2 是完全相同的參3 2 1 A2 A1 A1 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 10 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 A 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 E E2.，通常稱之為敏感膜相界面電位。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。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。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。這里主要介紹這種測量方法。選用兩點(diǎn)標(biāo)定方法來實(shí)現(xiàn)自動標(biāo)定。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)生的變化引起的測量值的漂移，一般必須由標(biāo)定來消除。 三電極測量系統(tǒng) 因?yàn)楣腆w電極的內(nèi)阻較高，測量池中又增設(shè)了溶液接地電極，所以儀器的測量電路中 ， 必須中必須有雙高阻電路。 并 列舉了 系統(tǒng)主程序、鍵盤子程序、標(biāo)定子程序和測量子程序 等 流程框圖。② 要求儀器具有傳感器自診斷、標(biāo)準(zhǔn)液自動校正， 電極自動清洗，以及具有人機(jī)對話和通訊功能。 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)。 [10]1975 年，日立生產(chǎn)的 K7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傳感器的小型化作出了貢獻(xiàn)。日本生產(chǎn)的第一臺工業(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)。 我們使用離子電極分析發(fā)來測量離子的濃度，具有簡便、快速的特點(diǎn)。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。 例如，在印染行業(yè)， pH 值的精確度 對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 ， 這無論對于節(jié)省原材料 ， 減少沖洗槽的數(shù)量 ， 還是對于以后的污水處理來說 ， 都十分有益 。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)自動分析中的一種不可缺少的手段。對于那些測量方便，而計(jì)算很復(fù)雜的方法，如多次添加法有重要的意義。 電子技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn) 了電位法測量儀器的不斷更新。在測量溶液中的氫離子濃度時(shí)用到電位分析法。儀器電路以 MCS51單片機(jī)系統(tǒng)為核心，使 本儀器 的 智能化程度高。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。本論文詳細(xì)地論述了 pH測試儀的設(shè)計(jì)，包括氫離子濃度的測量原理、標(biāo)定方法、傳感器設(shè)計(jì)，測量電路原理圖和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 儀器的標(biāo)定采用兩點(diǎn)標(biāo)定法對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。 [1] 電位式分 析儀器主要由測量電池和高阻毫伏計(jì)（離子計(jì)）兩部分組成。 pH 測試儀 隨著化學(xué)儀表的發(fā)展，也不斷地更新?lián)Q代。 pH 測試儀主要是對溶液中氫離子濃度的測量。 過程用 pH 測試儀在各行各業(yè) 的原材料測定、管理、制造工程中，對反應(yīng)條件的控制、監(jiān)視，以及對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測等方面起了極其重要的作用。 在最 終檢查 pH 值的時(shí)候經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)變化很大 。由于電極可以攜帶，故測量并不局限在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。二十世紀(jì)七十年代后期國外出現(xiàn)了許多微機(jī)化pH 測試儀，這些 pH 測試儀的功能全面，但其價(jià)格比較昂貴，維護(hù)量比較大。而現(xiàn)代的工業(yè) pH 測定裝置 ，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)。該 pHΣ系列曾在我國 1983 年多國儀器儀表展覽會上展出，受到好評。 1987 年 9月，日本橫河電機(jī)在 pHΣ系列的基礎(chǔ)上推出具有自診斷功能的 TM20BG 型工業(yè) pH 計(jì)。 ⑤ 可以一種機(jī)器多種用途， 儀器不僅可檢測 pH 值，也可對 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。 隨著電極的使用， 其轉(zhuǎn)換率降低， pH 響應(yīng)時(shí)間變長。用放大器 3 測量參比電極與溶液接地電極之間的電勢；用放大器 6 測量指示電極與溶液接地電極之間的電勢，這兩個(gè)電 勢的代數(shù)和就是與待測溶液的 pH 相關(guān)的電勢差（等于指示電極和參比電極之間的電動勢），放大器用來測量這個(gè)電勢差。 （ 2）把 pH 探頭與溫度傳感器置于標(biāo)準(zhǔn)溶液中，則可以測得相應(yīng)的電壓和溫度值，如圖 21 中的 P P2 點(diǎn)?，F(xiàn)主要介紹電位法測得 PH值。此電池的電壓被稱為電動勢（ EMF）。這種具有獨(dú)立電位的參比電極也被稱為第二電極。 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 0 lgE E S a?? （式中陽離子取“ +”號，陰離子取“ ”） 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 9 a 為溶液中此離子的活度值； S 為電機(jī)的斜率項(xiàng)，是溫度的函數(shù)； E0 為電極等電勢點(diǎn)的電位值。 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。在壓力、溫度一定的條件下，當(dāng)被測液的組成改變時(shí)，參比電極的電極電位（不包括液接電位）應(yīng)保持恒定。 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KCl 補(bǔ)充液。 測量電池各部的電位如圖 25所示。故 pH測試儀都裝有溫度補(bǔ)償器，在電路上采取措施，以補(bǔ)償其對測量的影響。這說明在低濃度時(shí)，測量受到一定限制。 電化學(xué)測量 三電極：指示 電極 ， 輔助電極 (對電極 )， 參比電極 。 參比電極有著 非常穩(wěn)定的電位 ， 且電流不經(jīng)過參比電極不會引起極化 ， 從而工作電極的電位可以由參比電極得到 ， 而電流由工作電極 輔助電極回路得到 。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。 方案 3：采用集成溫度傳感器 AD590。理由：電路簡單穩(wěn)定可靠、無需調(diào)試，與 A/D連接方便。 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)算得出 pH 值。得到與 輸入信號同相的電壓信號。 6V。 AD590 的輸出電流值說明如下： 其輸出電流是以絕對溫度零度（ 273℃ ）為基準(zhǔn)，每增加 1℃ ，它會增加 1μ A輸出電流，因此室溫 25℃ 時(shí)，其輸出電流 outI t=（ 273+25） =298μA 。 將信號再進(jìn)行一次反相。大約 l012? 。本文采用 3 個(gè) CA3140 來構(gòu)成雙高阻 抗 差分輸入電路。作為前值運(yùn)算放大器，應(yīng)有以下幾個(gè)要求： ； ， 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 ； 。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eA4D a t e : 17 J un 2 010 S he e t o f F i l e : G : \bi y e zi l i a o\ P R E V I O ~ 1 D B D r a w n B y :X013X114X215X312X41X55X62X74I N H6A11B10C9V E E7X3U3405 1R3 1K+ 5V 5VP 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4TPHV I N168 圖 34 4051 引腳接口 圖 主要引腳功能說明： X0： pH 信號輸入端 ； X1： T溫度信號輸入端 ； INH：禁止段 ； A， B， C：地址端 ； X：輸入或輸出端 。根據(jù)測量的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用的是 MC14433 芯片，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 DS1 對應(yīng)千位， DS4 對應(yīng)各位。 當(dāng) Xfer =0； WR2=0 時(shí)；輸入寄存器狀態(tài)傳入 8 位 DAC 寄存器 中； 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?。? Iout2： D/A 轉(zhuǎn)換器電流輸出 2 端， Iout2+Iout1=常數(shù)； Rfb ：外部反饋信號輸入端，內(nèi)部已有反饋 電阻 Rfb ，根據(jù)需要 也可外接反饋電阻； 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè) 論文 24 Vc ：電源輸入端，可在 +5V+15V 范圍內(nèi)； DGND：數(shù)字信號地； AGND:模擬信號地，最好與基準(zhǔn)電壓共地