发布时间 : 星期五 文章pH测试仪的设计本科生设计更新完毕开始阅读e6ab43a585868762caaedd3383c4bb4cf6ecb751
清洗。仪器采用液晶7段数字显示，具有校正时电极电位稳定性判断功能；检量线运算功能，用液晶显示校正异常和电极劣化功能；上下限调节功能，任意设定量程功能；输出同步功能及pH标准液在各温度下pH值的存储功能等。1987年9月，日本横河电机在pHΣ系列的基础上推出具有自诊断功能的TM20BG型工业pH计。该仪器为一体化结构，具有高可靠性、多功能、使用维护方便等特点。1989年月本横河电机又推出EXAPH pH 200 G型智能式工业pH计，[11]仪器配有微处理机，据称该EXA型pH计是世界上第一台智能2线式工业pH计。
90年代是工业pH计微机化、智能化普及的年代。90年代用户对工业pH计的要求为：①可靠性高、易维护、成本低、操作方便、小型、防爆且能在条件恶劣的场所使用。②要求仪器具有传感器自诊断、标准液自动校正，电极自动清洗，以及具有人机对话和通讯功能。③产品系列化，为满足不同用户的要求，仪器应具有多种电极清洗方式，可供用户选用。④2线式传输，具有标准信号输出，便于和计算机联用。⑤可以一种机器多种用途，仪器不仅可检测pH值，也可对ORP(氧化还原电位)、电导率、离子浓度、温度等一项或几项联合检测。
1.4主要内容
pH测试仪是一种利用电化学原理设计制造的新型电位式测量仪器，在本课题研制过程中，设计了pH测试仪的pH信号输入电路和温度采集电路，其中pH信号采集电路用高阻运算放大电路，将高阻的pH信号进行放大；而温度采集电路用AD590温度传感器的放大电路完成温度采集功能。用4051对进来的温度和pH信号进行选择并送入MC14433，MC14433将其中之一的模拟信号转换为数字信号，并将其送入单片机进行下一步操作。最后仪器将所得的pH值存储到单片机，并由LCD显示。文中对相应的输入、输出电路进行计算。并列举了系统主程序、键盘子程序、标定子程序和测量子程序等流程框图。
第二章 pH测试仪的整体设计
2.1 pH测试仪的测量原理
数学模型的建立:水溶液的酸碱度与被测溶液的pH值关系，可以用能斯特方程表示为
（2-1） ：电极的标准点位； ：气体的常数R=8.314焦耳摩； ：绝对温度=273.15+t； ：法拉第常数=96500库摩。
把常数带入（2-1）
（54.20+0.1984t）*pH
（2-2）
我们采用电极的零电位pH=7,则
（2-3）
由（2-3）式可知，pH值与电极产生的电势呈线性，并且与温度有关。
随着电极的使用，其转换率降低，pH响应时间变长。因此，必须对其电极的转换率进行修正，一般电极的转换率低于94%就不能使用了，再考虑电极的固有误差，则（2-3）式变为
（2-4）
：电极的补偿斜率；
：电极的固有误差； ，都是由固定溶液测定的。
因为，在我国标准缓冲液中，没有pH=7.000。我们采用定标的中性溶液为pH=6.684，pH=4.003，pH=9.182。把pH=6.864代入（2-4）得 6.864?7?Ex?E6.86?Kx(E6.86?Ex)E理2-E理1（理论mV数）Kx? (2-5)
54.20?0.1984tE实2-E实2（实际mV数）0.136?(54.20?0.1984t)
Kx把（2-5）代入（2-4）得
Kx(E?E6.86) pH?6.864? (2-6)
54.20?0.1984t为玻璃电极再pH=6.864标准溶液产生的电动势。
2.1.1 三电极测量系统
因为固体电极的内阻较高，测量池中又增设了溶液接地电极，所以仪器的测量电路中，必须中必须有双高阻电路。图2-1是这种三电极测量电路的示意。由图2-1可知，变送器的输入级由两个相同的高输入阻抗放大器3、6组成。用放大器3测量参比电极与溶液接地电极之间的电势；用放大器6测量指示电极与溶液接地电极之间的电势，这两个电势的代数和就是与待测溶液的pH相关的电势差（等于指示电极和参比电极之间的电动势），放大器用来测量这个电势差。从图2-1可知，这样的测量系统可消除由于大地回路漏电流引起的测量误差，具有较强的抗干扰能力。
图2-1 三电极系统
2.1.2 两点标定法
标定方法很多，标定是用已知浓度的标准液去校准仪器。算出测量方程中的未知数，然后才能在测量过程中根据测量值和参数值算出被测试样浓度值。对于实际的测量系统来说，能斯特方程响应的实际曲线又往往偏离理想曲线，即实际响应的曲线的斜率不等于理想曲线的斜率，所以只有知道实际的斜率，测量系统中的电极才能使用。标定不仅在运行初期进行，在运行过程中，由于化学反应的一些不确定因素发生的变化引起的测量值的漂移，一般必须由标定来消除。对此，我们采用两
点标定法。
过程如下：
（1）配制两种标准溶液，令其pH值分别为pH1和pH2。
（2）把pH探头与温度传感器置于标准溶液中，则可以测得相应的电压和温度值，如图2-1中的P1、P2点。
依据电极理论：
(2-7) (2-8) (2-9) 式中K1、K2——对应T1、T2的电极斜率； pH0——电极零电位的pH值；
由前所述，式中仅有pH0、K1、K2为未知，因此可由上式求得电极的零电位点pH0以及T1温度下的斜率K1，并把K1换算成25℃时的斜率K25。
仪表自动完成上述过程并把pH0值和25℃时的斜率K25保存在EEPROM。 电极标定过程即求电极的零点和确定温度下的斜率。选用两点标定方法来实现自动标定。如图2-2所示。
图2-2 pH电极的mV-pH曲线
2.2 pH测试仪的测量方法
测量pH值的方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位法测得PH值。试纸法是通过pH试纸颜色的变化来测量溶液的pH值。是采用有些指示剂在不同的酸碱度下能呈现变化或变化为不同颜色这一特性来测量溶液酸碱度的一种方法。它方便、快捷。但会受到溶液本身颜色或蛋白质等物质的干扰而被限制采用．只适用于分辨力大于0.5pH值的测量；而对于分辨力小于0.5pH的测量，我们均采用电位法即用pH测试仪进行测量。这里主要介绍这种测量方法。
电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势（EMF）。此电动势（EMF）由二个半电池构成，其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关，如H+；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是测量溶液相通，并且与测量仪表相连。例如，一支电极由一根插在含有银离子的盐溶液中的一根银导线制成，在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，形成离子的充电过程，并形成一定的电位差。失去电子的银离子进溶液。当没有施加外电流进行反充电，也就是说没有电流的话，这一过程最终会达到一个平衡。