智能在线pH分析仪的设计

　　引言

　　随着电力、石油化工等行业的生产过程自动化与智能化程度的不断提高, 水质分析和水质监督工作与设备的安全、经济运行联系愈加密切。通过监控水的 pH 值可以监测水的质量, 保证设备的安全、经济运行, 以及分析异常情况和事故原因, 为水净化设备和水汽系统防腐措施的改进提供可靠依据。智能在线pH 分析仪具有准确、灵敏、及时、连续等优点, 是手工分析无法比拟的, 其应用前景非常广阔。

　　1 测量原理

　　在化学上, 通常采用pH 值表示溶液酸碱性。测定溶液pH值的方法很多, 常用的有酸碱指示剂或pH 试纸, 但是要准确连续的测定溶液pH 值, 则需用智能在线pH 分析仪。pH 分析仪作为一种电化学分析仪器, 利用电位式分析法来测定溶液的pH 值。电位式分析法是通过获得测量电池(如图1所示)的电动势, 测得被测溶液离子活度(或浓度)的分析方法。

　　测量电池中的指示电极和参比电极均为离子选择性电极。离子选择性电极具有将溶液中某种特定离子的活度转变成一定电位的功能。其敏感膜具有渗透性, 也就是说被测溶液中的特定离子可以进入膜内, 并在膜内移动, 从而可以传递电荷, 在溶液和膜之间形成一定的电位。其电位变化遵循能斯特方程(1)式。

　　式中:E —平衡电极电位, V;

　　E₀—标准电极电位, V;

　　n —得失的电子数;

　　F —法拉弟常数;

　　R —气体常数;

　　T —热力学温度, K;

　　[氧化态]和[还原态] —氧化态、还原态物质的活度。玻璃电极作为指示电极, 其电位变化能够准确反映溶液中氢离子浓度的变化。将能斯特方程中的自然对数改用常用对数表示, 又因为被测离子为一价氢离子, 所以n=1, 则玻璃电极的电位可以表示为:

　　由(2)式可知电极电位随着溶液的 pH 值的变化而变化。甘汞电极作为参比电极, 是指示电极电位的比较标准, 甘汞电极中, H_g2Cl²(甘汞)是汞的固体难溶盐, 内充的 KCl 溶液提供氯离子。电极化学反应式为:H_g2Cl₂+2e = 2Hg+2Cl-, 则电极电位可表示为:

　　可由(3)式得知, 在温度一定时, 甘汞电极的电极电位仅决定于氯离子的活度, 而不受被测溶液的影响。所以测量电池的电动势为 :

　　2 总体设计

　　智能在线pH 分析仪的总体设计框图如图2 所示。主要包括六个部分:微控制器、电源、A/D 转换、显示与输出、存储和测量电池。

　　测量电池输出的电压信号, 经放大处理后, 进行A/D 转换,将数字信号输入微控制器进行分析处理, 然后对数据进行存储和显示, 并可实现远程通信。