发布时间 : 星期六 文章pH测试仪的设计本科生设计更新完毕开始阅读e6ab43a585868762caaedd3383c4bb4cf6ecb751
电极)的电极电位在测试过程中都会发生变化的，为了确切的知道其中某一个电极的电位(通常我们关心的是工作电极的电极电位)，我们就必须有一个在测试过程中电极电位恒定的电极作为参比来进行测量。如果可以确定辅助电极的电极电位在测试过程中是不发生变化或者变化可以忽略不计时，我们就不必使用参比电极.这就是所谓的双电极测试系统，辅助电极的作用是在整个测试中形成一个可以让电流通过的回路，只有一个电极外电路上是不可能有稳定的电流通过的。这就好比电路里面必须要有火线和零线一样。因此辅助电极对于电化学测试是必须的，而参比电极则可以根据具体情况进行选择，并不是一定要有的。参比电极(Reference electrode)：参比电极具有已知恒定的电位，为研究对象提供一个电位标准。测量时，参比电极上通过的电流极小，不致引起参比电极的极化。
由于体系中有电流通过，产生了溶液电压降和对电极的极化，因此工作电极的电位难以准确测定，由此引入参比电极。参比电极有着非常稳定的电位，且电流不经过参比电极不会引起极化，从而工作电极的电位可以由参比电极得到，而电流由工作电极-辅助电极回路得到。当体系中没有电流通过，工作电极的电位可以由对电极直接准确测定，因此可以用双电极体系。
由此可得，如果体系中没有电流通过，都可以用双电极体系。一旦有电流通过,要采用三电极体系，以同时测得工作电极的电位和电流。所以本设计采用三电极测量系统，可大大降低外界干扰的影响。
在测量pH时，要有温度补偿和标定，所以要求对温度进行检测，应该先考虑用热电阻传感器。按照热敏电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。
方案1：采用热敏电阻，这种电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其阻值随温度变化有明显的变化。负温度系数热敏电阻器通常是由锰、钴的氧化物烧制成半导体陶瓷制成。其特点是，在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。可满足40℃-90℃测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测小于1℃的信号；而且线性度很差，不能直接用于AD转换，应该用硬件或软件对其进行线性化补偿。
方案2：采用温度传感器铂电阻Pt100。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0℃-100℃时，最大非线性偏差小于0.5℃。铂电阻与温度的关系是：
=R0(1+At+Bt*t) (2-17)
其中是温度为t℃时铂热电阻的电阻值；R0是温度为0℃时铂热电阻的电阻值；t为任意温度值，A、B为温度系数。但其成本太贵，不适合做普通设计。
方案3：采用集成温度传感器AD590。它是电流型温度传感器。这种器件以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度是1。它是二端器件，使用非常方便，
作为一种高阻电流源，它不需要严格考虑传输线上的电压信号损失和噪音干扰问题，因此特别适合作为远程测量或控制用。另外，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引起的附加电阻造成的误差。由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜电阻激光调技术校准，使得AD590具有很高的精度。并且应用电路简单，便于设计。
方案选择：选择方案3。理由：电路简单稳定可靠、无需调试，与AD连接方便。
2.6 本章小结
本章主要介绍pH测量仪的测量原理和两点标定法标定原理。其中还介绍了介绍参比电极和指示电极的基本概念和基本工作原理以及温度对测量的影响以及测量下限与测量范围。
本章对三电极测量系统和双电极测量系统进行了对比。如果体系中没有电流通过，都可以用双电极体系。一旦有电流通过,要采用三电极体系，以同时测得工作电极的电位和电流。所以本设计采用三电极测量系统，可大大降低外界干扰的影响。
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。所以必须用两点标定方法，即在此标定过程中，计算出电极零点和确定温度下的斜率，从而计算得出pH值。
第三章 pH测试仪的硬件设计
具有计算机的功能的芯片成为单片机，它体积小，重量轻，抗干扰能力强，开发较为容易，所以可以把它应用于传统的仪器中。本系统就是以MCS-51型单片微型计算机作为数据处理的核心部件，并扩展一些外围芯片，组成一个可以完成自检、运行、标定等功能的智能型仪器。
3.1 pH测试仪的电路原理图
测量数据经pH电极转化为的电压信号，信号调整电路对原始信号进行调整。信号凋整电路采用多级集成运放构成。第一级采用放大器CA314O正相放大。提高输入阻抗；第二级反相放大，采用可调电阻做反馈电阻，放大倍数可调，便于仪器的调试；第三级与第四级结合起来调节输人信号的零点。最后一级反相放大．将信号再进行一次反相。得到与输入信号同相的电压信号。温度传感器将液体内部温度
转换为电压信号。对温度信号的处理要求精度比较高。因此采用高精度运算放大器对其进行放大处理经处理后的两路信号与参比电极两路信号同时进入电子开关供CPU选择。电子开关采用4051芯片。本设计控制位只需2位，此将A、B信号接单片机，用来控制12、13、14、l5的4路输入，4051其他几路输入接地，INH禁止端接地。由于单片机采用+5V 电压。电子开关为±6V。器件之间需要光电隔离进行抗扰。被选信号通过LM33l进行幅频转换。经过光电隔离输入单片机。单片机以一段时间为基准读取频率数值．将频率数值换算成pH数值，用以操作。
图3-1 p H测试仪电路原理框图
3.2 输入电路 3.2.1温度采集电路
方案选择温度传感器将液体内部温度转换为电压信号，对温度信号的处理要求精度比较高。本文设计的温度采集电路运用AD590温度传感器。AD590是美国模拟器件公司生产的单片机集成两端感温电流源，它的主要特性如下： 1、每增加1℃，它会增加1μA输出电流； 2、可测量范围-55℃至150℃； 3、供电电压范围+4V至+30V。 AD590的输出电流值说明如下：
其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此室温25℃时，其输出电流t=（273+25）=298μA。
图3-2所示是一个电压串联负反馈电路中，由于输入电流（即信号电流）等于反馈电流，集成运放的两个输入端电位均为零，称为“虚地”。电压放大倍数
（3-1）
=1500 所以最小输出电压为1500mV。
12 +12VAD590R13200kR12100K1214131500mVTR115.1KU3DLM324R14100K+12VW110K 图3-2 温度采集电路 3.2.2 pH信号采集电路 测量数据经pH电极转化为微弱的电压信号，信号调整电路对原始信号进行调整信号凋整电路采用多级集成运放构成。第一级采用放大器CA314O正相放大。提高输入阻抗。增强抗干扰能力；第二级反相放大，采用可调电阻做反馈电阻，放大倍数可调，便于仪器的调试：第三级与第四级结合起来调节输人信号的零点。最后一级反相放大。将信号再进行一次反相。得到与输入信号同相的电压信号。 pH电极由玻璃电极和参考电极组成。玻璃电极是由特殊玻璃膜制成的。其厚度可以小于0.1mm，Ag—AgC1为参考电极在内部，由二者组成复合电极。从复合pH电极的玻璃电极和参考电极两端输出的信号为电压。在一定的温度下只要知道了电压值，即可求出溶液的pH值，因此pH值的测量实际上就是电压信号的测量。由于复合pH电极内阻很高。大约l012。要求前置放大器有较高的输入阻抗。因此设计中选用了运放CA3140，它兼有高电压PMOS管和高压二极管的优点。都集成在单独的芯片上。输入电路PMOS提供非常高的阻抗。并且具有非常快的响应速度。还具有自身补偿能力来达到稳定的放大增益；输出部分含有自身保护电路来保护由于负1载短路造成的损害。可完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等，非常适2合此电路设计。本文采用3个CA3140来构成双高阻抗差分输入电路。电路图如图3-3所示。