pH智能测量技术的研究及实现

　　1　引言

　　pH值是标志溶液酸碱浓度的基本参数,pH值的测量在电力、环保、化工等部门被广泛应用。目前有多种测量溶液pH值的传感器,如光化学pH传感器、离子敏pH传感器、玻璃电极传感器、锑电极传感器、酶pH传感器等[1]。与其他传感器相比,玻璃电极传感器具有测量范围宽、重复性好、稳定性高、精度高等特点,因此以玻璃电极作传感器的电位测量法在工业上获得了最广泛的应用。但玻璃电极的高内阻和溶液温度等因素影响这种测量方法的准确性。现介绍一种酸度测量仪器,采用铂热电阻温度传感器和桥路测量电路检测溶液温度,软件校准测温电路的偏差和非线性;用运放组成高阻差动放大电路测量玻璃电极信号;为消除电路板绝缘电阻对输入阻抗的影响,印刷线路板上加绝缘环。

　　2　系统组成

　　智能酸碱浓度测试仪是由复合玻璃电极、铂热电阻温度传感器、测量放大电路、模数转换电路和单片机W78E58及相应外围电路等构成,如图1。玻璃电极传感器和铂热电阻传感器的输出信号经变换放大后由多路开关CD4053切换送至模数转换电路,为提高测量精度,ADC选用±18位的MAX132,用它的可编程输出口P0控制多路开关CD4053,单片机分别选中两路输入模拟信号进行采样,对转换后的数字量进行处理、计算,转换成温度和酸度值存储在内存中。同时通过隔离4~20 mA输出电流信号。系统内还有一片X25045集成电路,它集成了复位电路、看门狗电路、电源监视电路和串行E2PROM电路,用以保证系统工作的可靠性,并保存系统工作参数。测试仪设计了隔离的RS485标准串行接口,能够直接连接RS485总线网络,组成RS485总线控制系统。参数设置和功能设定时,可通过9针D型插座连接键盘和LCD显示器。

　　3　pH值的测量原理

　　电位法测量溶液pH值常用玻璃电极作为指示电极,银-氯化银电极作为参比电极,将两种电极封装在一起构成复合玻璃电极。将传感器插入待测溶液,复合玻璃电极和待测溶液组成原电池,复合玻璃电极的两条输出引线分别为原电池的正极和负极。依据nernst方程[2],原电池输出电动势、被测溶液绝对温度及被测溶液pH值之间满足如下关系:

式中:E为原电池输出电动势,mV;E0为常数,为与电极材料、内参比溶液、内参比电极以及液接电位有关的电位差,mV;K为常数,为nernst系数;T为被测溶液的绝对温度,K;pHx是被测溶液的pH值;pHs是常数,为复合玻璃电极内缓冲溶液的pH值。

　　由式(1)可知被测溶液的pH值和温度共同作用产生原电池输出电动势,因此同时测量原电池输出电动势和溶液温度就能根据式(1)计算出被测溶液的pH值[3]。