1、 长 春 工 业 大 学 毕业设计、毕业论文 题 目 : pH测试仪的设计 学 院 : 电气与电气工程学院 专业班级 : 生物医学工程 060312 指导教师 : 2010 年 6 月 10日 摘要 长春工业大学学士学位毕业论文 -1- 本文设计的 pH测试仪采用电化学原理及单片微型计算机技术完成对各种溶液中氢离子浓度的测定。本论文详细地论述了 pH测试仪的设计，包括氢离子浓度的测量原理、标定方法、传感 器设计，测量电路原理图和系统软件的设计。 pH测试仪配用适当的参比电极和指示电极能够对氢离子的浓度进行测定。采用的三电极测量系统可大大降低外界干扰的影响。输入电路采用高阻差分放大电路，输入电阻
2、可高达 1012 。传感器的独特设计可以降低参比电极内溶液的离子干扰。仪器电路以 MCS-51单片机系统为核心，使本仪器的智能化程度高。这样，使其具有校准记忆，能自动调节斜率，温度自动补偿的能力及检测时间定时等功能。采用人机对话方式，可实现自动测量、标定、存储、显示数据等 功能。仪器的标定采用两点标定法对仪器进行校准。 关键词： 三电极；两点标定；高阻；温度补偿 长春工业大学学士学位毕业论文 -2- TITLE： The Design of the pH Instrument Abstract On the basis of electrochemical principle and sing
3、le-chip microcomputer techniques, this system can measure activity in solution. The paper details the research and design of intelligent versatile ion meter, including the measuring principle, the calibration way, the design of transducer, measuring circuit software scheme . The pH tester is equippe
4、d with the appropriate reference electrode and indicator electrode to the concentration of hydrogen ions was determined. We used three-electrode measurement system can greatly reduce the impact of outside interference. The unique sensor design can reduce the reference electrode and ionic interferenc
5、e. Instrument circuit system to MCS-51 microcontroller core, is the instrument of high intelligence. Thus, it has a calibration memory, can automatically adjust the slope, automatic temperature compensation capability and the detection time timer functions. The use of man-machine dialogue, enabling
6、automatic measurement, calibration, storage, display data functions. We use two points of calibration to calibrate the instrument. Key words: pH value; Temperature Compensation; The correct calibration of pH Meter 长春工业大学学士学位毕业论文 - 3 - 目 录 第一章 绪论 . - 1 - 1.1 课题背景 . - 1 - 1.2 PH测试仪研究的必要性 . - 2 - 1.3 P
7、H测试仪的发展概况 . - 3 - 1.4主要内容 . - 4 - 第二章 PH 测试仪的整体设计 . - 5 - 2.1 PH测试仪的测量原理 . - 5 - 2.1.1 三电极测量系统 . - 6 - 2.1.2 两点标定法 . - 6 - 2.2 PH测试仪的测量方法 . - 8 - 2.2.1指示电极 . - 8 - 2.2.2 参比电极 . - 10 - 2.2.3 测量电池的电动势 . - 11 - 2.3 温度对测量的影响 . - 13 - 2.4 检测下限与测量范围 . - 13 - 2.5 方案论证 . - 14 - 2.6 本章小结 . - 16 - 第三章 PH 测试仪的
8、硬件设计 . - 17 - 3.1 PH测 试仪的电路原理图 . - 17 - 3.2 输入电路 . - 18 - 3.2.1温度采集电路 . - 18 - 3.2.2 pH信号采集电路 . - 19 - 3.3 模拟转换开关 . - 20 - 3.4 A/D转换器 . - 21 - 3.5 D/A转换器 . - 23 - 3.6 标准信号输出电路 . - 24 - 3.7电源模块的设计 . - 25 - 3.8键盘和显示的设计 . - 25 - 3.9 总线扩展电路 . - 26 - 3.10 本章小结 . - 28 - 长春工业大学学士学位毕业论文 - 4 - 第四章 PH 测试仪的软件设
9、计 . - 29 - 4.1 软件控制程序设计的主要内容 . - 29 - 4.2系统主程序 . - 29 - 4.3 标定子程序 . - 31 - 4.4 测量子程序 . - 32 - 4.5 本章小结 . - 32 - 第五章 仪表的功能测试及误差分析 . - 34 - 5.1 数据分析 . - 34 - 5.2 误差分析 . - 34 - 5.2 结 论 . - 35 - 参考文献 . - 37 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附 录 . - 40 - 长春工业大学学士学位毕业论文 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题背景 本文所设计的 pH 测试仪，归属于电位式分析仪器。在测量
10、溶液中的氢离子浓度时用到电位分析法。电位分析法是指通过三电极测量系统与被测溶液构 成的测量电池（原电池）的电动势，获知被测溶液离子浓度的分析方法。用于该分析法的仪器成为电位式分析仪器。 1 电位式分析仪器主要由测量电池和高阻毫伏计（离子计）两部分组成。测量电池是由指示电极、参比电极和被测溶液构成的原电池，参比电极的电极电位不随被测溶液浓度的变化而变化，指示电极对被测溶液中待测离子很敏感，其电极电位是待测离子浓度的函数，所以原电池的电动势与待测离子的浓度有一一对应的关系，可见，原电池的作用是把难以直接测量的离子浓度转换成容易测量的电学量（测量电池的电动势）。高阻毫伏计是检测测量电池电动势 的电子
11、仪器，如果它兼有直接读出待测离子浓度的功能，就是离子计。 2 电位式分析仪器具有读数直观、清晰和测量精确度高的优点。随着化学传感器(电极）、电子技术和计算机的发展应用日趋广泛。 电子技术的发展，促进了电位法测量仪器的不断更新。数字式直流电压表的普及，使仪器能够很快的数字化。这也使电位法测量仪器的发展进入了一个崭新领域。 pH 测试仪随着化学仪表的发展，也不断地更新换代。在电子技术飞速发展的基础上， pH 测试仪的电子线路由电子管电路进入晶体管电路再进入了集成电路。各种智能型芯片被应用于分析仪器 中 3，提高了仪器的智能化和测量精度，并且也简化了仪器的测量电路。 微型计算机技术的发展使得制造智能
12、化的新型电位分析仪器成为了可能。随着计算机的发展与普及，出现了许多微机化电位测量仪器，它用软件来完成电位、 pH浓度的测定。对于那些测量方便，而计算很复杂的方法，如多次添加法有重要的意义。同时，它能进行背景校正，以及温度自动补偿、自动校正等多种功能。 4这种仪器由于操作简便、测定速度快、灵敏度高、精度好，是电位法测量仪器的发展方向。 pH 测试仪主要是对溶液中氢离子浓度的测量。它是工业生产中的重要分析内容 之一，在生产过程中经常要分析中间产物及生产过程中各种离子活度。 5例如：在电厂水汽分析中，测定氢离子含量，过去我们常用化学分析法、如容量法，但是这种分析方法周期长，不能满足自动化的要求。利用
13、电化学原理，通过在零电流条长春工业大学学士学位毕业论文 - 2 - 件下对非极化电极的电位进行测定，可以准确获得被测溶液氢离子浓度。这种方法是近代发展起来的一类分析方法，成为电位分析法，它是根据发生特定反应电池的电特性进行分析。与其它分析方法相比，具有准确、可靠、迅速等优点，已成为分析化学中的一个重要方面，在自然科学的许多领域里得到了应用，并成为常规和工业自动 分析中的一种不可缺少的手段。 6 1.2 pH测试仪研究的必要性 溶液酸碱度的检测，在工业生产中具有重要的意义。例如：测量工业废水的酸碱度，以便选择合适的化学物质进行中和，使其生成无毒无污染便于沉淀或蒸发的物质。 过程用 pH 测试仪在
14、各行各业的原材料测定、管理、制造工程中，对反应条件的控制、监视，以及对产品质量的检测等方面起了极其重要的作用。除此以外，为了防止公害， pH测试仪作为排水监测仪表，作用也很大。 随着现代化的工业生产向大型 、 高效 、 快速的方向发展和自动化程度的提高 ,工业 pH 测试仪 的应用领域和需求量也日 益扩大 。 7目前工业 pH 测试仪 已广泛的应用于石油 、 化工 、 钢铁 、 电力 、 食品 、 酿造 、医 药 、 纺织 、 制革 、 造纸 、 印染 、 水处理 、 锅炉系统等各个工业部门 。而 且越来越显示出工业 pH 测试仪 将成为上述工业部门中检测和控制所必不可少的有效工具 。例如，在
15、印染行业， pH 值的精确度 对染料的高吸收率是衡量印染过程是否有效的重要因素之一 ， 这无论对于节省原材料 ， 减少冲洗槽的数量 ， 还是对于以后的污水处理来说 ， 都十分有益 。 染料的吸收率取决于纤维材料 ， 终点 pH终点温度 ， 染色深度以及染色时间 ， 特别是终点温度及终点 pH 尤其重要 。 通常通过仪器对时间 和温度曲线进行自动控制 ， 而对 pH 值只是简单的通过加入染料进行调节 。 在最终检查 pH 值的时候经常会发现变化很大 。 即使使用了缓冲染料后 , 终点 pH 值都不尽准确并且各个罐批之间差值很大 ， 这是就需加入例外的酸进行调节 。终点 pH 值的重复性不好会直接
16、影响染料吸收的效率及均匀度 。 离子选择性电极法，在工业生产中也得到了广泛的应用。电极法简单易行，便于重复测定，标准偏差小，因而分析结果比较准确。电极法不需要许多昂贵的度数设备，例如曲线的线化电路、积分器和图纸记录仪等，通过离子计可直接读取浓度值。电极法分析还可以节省时间，仅 需几分钟，典型的单词分析时间为 1 分钟。在许多情况下，用电极进行多样分析比其他自动分析以更快。由于电极可以携带，故测量并不局限在实验室进行。质量控制分析可以直接在工厂现场完成，所用方法是相同的。采样可以在水库、江河、溪流的岸边进行，实验室外所用的方法与实验室内的相同。 8电极法是灵敏的，可测量低 g/L。 电极直接测量
17、法与样品体积无关。 我们使用离子电极分析发来测量离子的浓度，具有简便、快速的特点。另外，由于离子电极分析法所依据的电位变化可供连续显示与自动记录，因而使用这种方长春工业大学学士学位毕业论文 - 3 - 法有利于实现连续与自动分析。在这方 面，电子计算机技术的迅猛发展，微处理机、微型计算机等的应用，更加速了离子电极测试仪表与数据处理的计算机化进程，所以研究新型的 pH 测试仪是必要的。二十世纪七十年代后期国外出现了许多微机化pH 测试仪，这些 pH 测试仪的功能全面，但其价格比较昂贵，维护量比较大。所以研究一种经济实用型 pH 测试仪是很有必要的。 9 1.3 pH 测试仪的发展概况 pH测试仪
18、 在日本发展很快 ， 特别是 70年代和 80年代 ， 日本的产品紧跟时代潮流 ， 每个时期的产品都具有时代的特点 ， 都具 有 代表性及世界的先进 性。 世界上第一台商品 pH 计 21，是 Arnold Beckman 于 1936 年研制生产的。工业pH 计的问世约于 4O 年代末期。日本生产的第一台工业 pH 计是于 1951 年由日本电气式化学计研究所 (DKK 前身 )研制生产的， 1953 年日本横河电机开始研制生产工业pH计。 初期的 pH 测定装置是由传感器亦称发送器 (包括玻璃电极、参比电极、温度补偿元件 )和阻抗变换、放大、指示的电子单元两部分组成。人们习惯上把阻抗变换、
19、放大、指示部分叫 pH 计或 pH 变送器。而现代的工业 pH 测定装置，或称为工业 pH计，则应包括 pH 传感器、支架、 pH 变送器，安全保持器、电极清洗单 元、配电箱等一个完整的系统。 70 年代是工业 pH 测试仪具有突破性进展的年代。由于生产过程监测和控制的实际需要和先进的科学技术的开发， IC和 FET 的出现，使工业 pH计在 7O年代取得了突破性的进展。日本横河电机利用 FET 和 IC 组成的高输入阻抗变换器体积小的特点，于 1971年首次推出由 pH传感器、高阻变换器和指示器构成一体化结构的 8511型 (流通式 )pH 变送器，并由 pH 变送器、超声波振荡器和安全保持
20、器组成小型工业pH 系统。该仪器首次把 2线式传输方式用于工业 pH计系统，从而简化了本质安全防爆的结构设计 。 101975年，日立生产的 K-7型工业 pH计中 ,首次将玻璃电极、比较电极和温度补偿电极一体化，构成复合电极，这种复合电极的出现，无疑为 pH传感器的小型化作出了贡献。 1979年，横河电机在 8511型 pH 变送器的基础上 ,推出 pH6F型 pH变送器；后又于 1982年推出 pH8F型 pH变送器。并由 pH 8 F型变送器与 pH传感器及其辅助设备构成了 pH 系列。该 pH系列曾在我国 1983年多国仪器仪表展览会上展出，受到好评。 80年代是工业 pH 计微机化、
21、智能化的年代。自从 1971年微处理机问世以来，由于其独特的功能，引起 了人们极大的兴趣。科研生产单位首先研制生产了带微处理机的实验室 pH 计。而工业 pH 计的微机化约于 1983 年。 1984 年日本电气化学计生产了 HBM 51型带微机的工业 pH计。该仪器能够进行 pH自动校正和电极的自动长春工业大学学士学位毕业论文 - 4 - 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 pH系列
22、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：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。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。产品系列化，为满足不同用户的要求，仪器应具有多种电
23、极清 洗方式，可供用户选用。 2 线式传输，具有标准信号输出，便于和计算机联用。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
24、 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。 长春工业大学学士学位毕业论文 - 5 - 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 0 2 .3 0 3 / *E E R T F p H （ 2-1） 0E ：电极的标准点位； R ：气体的常数 R=8.314焦耳 /摩； T ：绝对温度 T =273.15+t；
25、 F ：法拉第常数 F =96500库 /摩。 把常数带 入（ 2-1） 0EE （ 54.20+0.1984t） *pH 05 4 .2 0 0 .1 9 8 4EEpH t （ 2-2） 我们采用电极的零电位 pH=7,则 7 5 4 .2 0 0 .1 9 8 4EpH t （ 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 ()7 5 4 .2 0 0 .1 9 8 4K x E
26、E xpH t （ 2-4） Kx ：电极的补偿斜率； Ex ：电极的 固有误差； Kx ， Ex 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 . 8 6( ) m V6 . 8 6 4 75 4 . 2 0 0 . 1 9 8 4 m VK x E E x E EKxt E E 理 2 理 1实 2 实 2- （ 理 论 数 ）- （ 实 际 数 ） (2-5) 6 . 8 6 0 . 1 3 6 ( 5 4 . 2 0 0 . 1 9 8 4 )tE x E Kx
