【文章內容簡介】 輸入阻抗放大器。使用一個放大器測量參照電極和解決地電位電極之間；另一個放大器測量指示電極和地電極之間的電勢。兩個電勢的代數(shù)和就是與待測溶液的 PH 相關的電勢差（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電勢差。 PH測量 系統(tǒng) 的測量方法 本測量系統(tǒng)采用電位法進行測量。 分析電極稱為原電池。原電池是一個系統(tǒng)，它的作用是把化學能轉化為電能。電池的電壓被稱為電動勢（電磁場）。 此電動勢（ EMF）由二個半電池構成，其中一個半電池稱作測量電極，它的電位與特定的離子活度有關；另一個半電池為參比半電池， 通常稱為參考電極，它通常是測量溶液相通，并 與 測量 儀器相連 。例如，一個電極是由一個插在含銀離子的鹽溶液銀線， 在導線和溶液的界面處，由于金屬和鹽溶液二種物相中銀離子的不同活度，形成離子的充電過程 ，形成離子充電過程，并形成一定的電位差。銀離子在溶液中沒有電子。當沒有外部電流反向充電，這個過程將最終達到一個平衡。在平衡狀態(tài)下存在的電壓稱為半電池電位或電極電位。這（如上所述）由金屬和金屬離子的溶液組成的電極稱為第一類電極。 此電位的測量是相對一個電位與鹽溶第二章 測量系統(tǒng)的整體設計 6 液的成分無關的參比電極 進行的。 這是獨立 測量 的參考電極也被稱為二電極。這種電極，金屬線覆蓋著一層金屬的微溶鹽，并插入含有這種金屬鹽離子的電解質溶液。半電池電位或電極電位取決于活動這一陰離子。 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。它具有將溶液中某特定離子的活度轉變成一定電位的功能。 不同 離子選擇性電極都有一個 所謂 離子選擇性膜的敏感元件。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，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。 理想的離子選擇性電極的電位與離子活度 的關系應符合能斯特方程 0 lgE E S a?? , (28) a 為溶液中此離子的活度值 ； S 為電機的斜率項，是溫度的函數(shù) ； E0 為電極等電勢點的電位值。 電極的響應斜率只在一定的活度范圍，保 持 其 基本不變，當活度小于一定值時，斜率明顯的變小。 大 多數(shù) 指示電極是離子選擇性電極， 離子選擇性電極是 可以將 溶液中某種特定離子的濃度轉變成電位功能的電極。各種離子選擇性電極的結構雖然各有其特點，但都有 一個被稱為離子選擇性膜的敏感元件，離子選擇性電極的性能主要取決于膜的種類及制備技術。離子選擇性電極的敏感膜都有滲透性，也就是說被測溶液中的特定離子可以進入膜內，并在膜內移動，從而可以傳遞電荷，在溶液和膜之間形成一定的點位。膜的滲透性是具有 的 選擇性 使 非特定離子不能再其中進行滲透，這就是離子選擇性電極對離子具有選擇性響應的 基本原因 。 第二章 測量系統(tǒng)的整體設計 7 圖 21 敏感膜電位的示意圖 1參比電極； 2指示電極 ； 測量離子選擇性敏感膜電位的示意圖，圖中的 1與 2是完全相同的參比 電極；膜兩側的溶液中含有該膜能響應的離子，且離子濃度分別為 A A2；膜兩側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。在一定測量范圍內，相界面電位與離子濃度關系符合能斯特方程： 02 0 2lnlnRTE E anFRTE E anF???? , (29) 式中 1a ， 2a —— 敏感膜兩邊溶液的離 子濃度； 0E —— 離子濃度 a =1,溫度為 t 時的電位值（溫度不同， 0E 不同）。 所謂離子選擇性敏感膜的膜電位是指膜的兩側相界面電位之代數(shù)和，即膜電位 E 可表示為 21E E E? ? ? 2lnRT anF 1lnRT anF? , (210) 最常用的指示電極便是玻璃電極。 氯化銀電極具有良好的重復性，穩(wěn)定性。因為它是固體電極，使用方便，應用很廣泛。甚至有取代甘汞電極的趨勢，這是因為汞是有毒的，此外，甘汞電極溫度變化所造成的電極電位的變化滯后現(xiàn)象是較大的，而氯化銀電極的具有高溫3 2 1 A2 A1 A1 第二章 測量系統(tǒng)的整體設計 8 穩(wěn)定性。 1引線； 2KCL 溶液； 3AgCl 溶液； 4磨口接口； 5陶瓷芯； 6外鹽橋液 圖 22 參比電極結構圖 其中 AgCl 是 Ag 的固體難溶鹽 ， KCl 溶液提供 Cl （ 也可用 HCl 來提供 ）。電極反應為： A gCl e A g C l? ??? ? 電極電位為： 0 ln clRTE E aF ??? Ag 沉淀容易堵塞參比電極管的多孔性封口，通常不采用飽和 KCl 溶液作為Ag/ AgCl 電極的電解液。而是采用 M KCl 溶液作為電解液。此外，為了防止因研究體系溶液對 Ag/ AgCl 電極稀釋而造成的 AgCl 沉淀析出，可以在電極和研究體系溶液間放一個盛有 KCl 溶液的鹽橋。 在使用參比電極時，為了防止溶液間的相互作用和玷污，常使用同種離子溶液的參比電極。在 H2 SO4 溶液體系中采用硫酸亞汞電極，在堿性體系中用氧化汞電極，而在中性氯化物溶液中則采用氯化銀電極等。 在0 lnRTE E anF?? 代 入 R、 F 的值，并把 lga 換成 ，則可變?yōu)槿缦? 6 1 5 2 3 4 2 3 第二章 測量系統(tǒng)的整體設計 9 形式 0 0 .1 9 8 4 lgTE E an?? , (211) 對溫度 T 求導數(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? ? ? ?, (212) dEdT 可理解為溫度變化一個單位時測量電池電動勢的變化值，即測量電池的溫度系數(shù)，式表明它由三部分組成。 0dEdT 是電極的標準電位溫度系數(shù)項，它是表示電極特性的項，它與電極的膜材料、內充夜、內外參比電極等的溫度特性有關。 是能斯特方程系數(shù)斜率項。 當 n=1,溫度變化 1℃，則斜率變 .1984mV； n=2，則變化為 。故 PH 測試儀都裝有溫度補償器，在電路上采取措施，以補償其對測量的影響。 984 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。對弱電解質和溶液形成絡合物的電解質溶液，還受它們的平衡常數(shù)的影響?？梢娺@項是很復雜的，一般的離子計不能對該項進行補償。所以在電位法測量中，在表明標準也和被測濃度的同時也應標明其溫度。 因此一般的離子計只能對能斯特方程中的 溫度系數(shù)斜率項進行溫度補償，只能消除溫度對測量的部分影響，因此若嚴格要求，測量應在恒溫條件下進行。 實際測量系統(tǒng)，能斯特方程是順應實際曲線往往偏離理想曲線，即實際響應曲線的斜率是不等 于 理想曲線的斜率，所以只知道實際 的斜率 ，電極可用于測量系統(tǒng)。 一般離子 計 不能 對能 斯特方程溫度系數(shù)斜率溫度補償， 只 可以消除溫度對測量的局部 影響 ，所以如果嚴格要求，測量應進行恒溫條件下。 第三章 PH測量系統(tǒng)的硬件設計 10 第三章 PH測量系統(tǒng)的硬件設計 本系統(tǒng)采用 MSC51 單片機作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，并擴展一些外圍芯片，組成一個可 以完成自我檢測，標定的智能儀器。具有體積小，重量輕，抗干擾能力強，所以可以應用于傳統(tǒng)測量。 89C52介紹 主要性能參數(shù) ： 與 MSC51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容； 8K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 ； 1000 次擦寫周期； 全靜態(tài)操作： 0Hz24MHz。 三級加密程序存儲器； 2568 字節(jié)內部 RAM。 32 個可編程 I/O 口線； 3 個 16 位定時 /計數(shù)器； 8 個中斷源； 可編程串行 UART； 1低功耗空閑和掉電模式。 功能特性介 紹： AT89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內含 2個外中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線，AT89C52 可以按照常規(guī)方法進行編程 ,但不可以在線編程 (S 系列的才支持在線編程 )。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52 采用工業(yè)標準的 C51 內核，在內部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。功能包括對會聚主 IC 內部寄存器、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V電源的正負端。 P0~P3 為可編程通用 I/O 腳，第三章 PH測量系統(tǒng)的硬件設計 11 其功能用途由軟件定義，在本設計中， P0 端口（ 32~39 腳）被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應功能管腳相連接 ， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11 腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1 的 SDAS（ 18 腳）和 SCLS（ 19腳）端口， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板 CPU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能。 圖 31 8952 引腳圖 P0 口 是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口， 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫“ 1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組 口線分時轉換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在 Flash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 (IIL)。 第三章 PH測量系統(tǒng)的硬件設計 12 P2 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的 輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口 P2 寫“ 1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 (IIL)。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令）時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX @RI 指令）時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內容。 Flash 編程或校驗時， P2 亦接收高位地址和一些控制信號。 P3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“ 1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能 。 P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST 復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 ALE 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 ALE 禁止位 無效。 PSEN 程序儲存允