CN203178231U - pH测量仪 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于对溶液的pH值进行测量的pH测量仪，包括：pH传感器，用于放入溶液中，得到基于溶液的pH值并采用电位法产生的电动势；电压转化电路，用于提高电压，对放大电路供电；放大电路，用于对所述电动势进行放大；温度补偿电路，用于对放大后的电动势进行补偿，使输出的信号与温度无关；以及处理及传输电路，用于处理根据补偿电路输出的信号计算待测溶液的pH值并传输出去。

Description

pH测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种pH测量仪，尤其但并非排他地涉及对一种对溶液的pH值进行测量的pH测量仪。

背景技术

随着社会工业的不断进步，人们对溶液各方面的指标要求也越来越高，溶液的酸碱性就是其中一个重要的指标，而衡量酸碱性的重要指标就是溶液的pH值。测量pH值最传统的方法就是利用pH试纸，而pH试纸由于操作麻烦而不能应用在实际生活中。上海雷磁是国内最大的电化学分析仪器生产商，他生产的pH传感器很适合高精度溶液pH值的测定，从pHS-3G型pH计到pHSJ-5型pH计系列，精度也越来越高，温度的自动校正和补偿功能也越来越强大，但由于采用了单片机和高亮度的LCD显示屏以及数据的储存，其设备的成本和复杂度都很高，并且不具备开源性，所以不适合实际的研发。

实用新型内容

因此，本实用新型优选地寻求单独或以任意组合来缓解、减轻或消除以上所提到的一种或多种缺陷。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于对溶液的pH值进行测量的pH测量仪，包括：pH传感器，用于放入溶液中，得到基于溶液的pH值并采用电位法产生的电动势；电压转化电路，用于提高电压，对放大电路供电；放大电路，用于对所述电动势进行放大；温度补偿电路，用于对放大后的电动势进行补偿，使输出的信号与温度无关；以及处理及传输电路，用于处理根据补偿电路输出的信号计算待测溶液的pH值并传输出去。

根据本实用新型一个优选的实施例，其中pH传感器采用pH复合电极。

根据本实用新型另一个优选的实施例，其中放大电路采用运算放大器LF444。

根据本实用新型还一个优选的实施例，其中温度补偿电路采用硬件补偿。

根据本实用新型再一个优选的实施例，其中处理及传输电路采用CC2350片上系统。

本使用新型设计简单，具有一定的可操作性和可实现性。

本实用新型的这些和其它方面、特征和优势将由于随后所描述的实施例而显而易见并且将参考其而被阐明。

附图说明

将仅通过示例参考附图对本实用新型的实施例进行描述，其中：

图1图示了依据本实用新型一些实施例的对溶液的pH值进行测量的pH测量仪的框图；

图2a和2b图示了根据电位法测量原理测量pH值的原理图；

图3图示了依据本实用新型一些实施例的pH测量仪的电压转化电路的设计图；

图4图示了依据本实用新型一些实施例的pH测量仪的放大电路的设计图；和

图5图示了依据本实用新型一些实施例的pH测量仪的温度补偿电路的设计图。

具体实施方式

以下描述集中于可应用于对溶液的pH值进行测量的pH测量仪的本实用新型实施例。

本实用新型的主要目的是通过电化学原理，然后根据溶液中氢离子的浓度和pH电位遵行能斯特方程（Nerst Equation），根据能斯特方程测定指定温度下的pH值，然后将传输过来的电压值通过AD转化，转化精度是14位，最后通过无线单片机进行组网和传输，由于单片机的供电电压是3.5v,而放大电路的供电电压的正负15v，所以需要额外的电压转化电路，由于pH电极具有很高的阻抗，且通过原电池原理产生的信号是很微弱的，所以需要采用放大电路进行放大，温度补偿是该设计中的一个重要的部分，因为它直接影响到测量的pH值的准确性，当然最后所有的数据都要通过单片机进行处理和传输。

图1图示了依据本实用新型一些实施例的对溶液的pH值进行测量的pH测量仪100的框图。如图1所示，pH测量仪100包括pH传感器101，用于放入溶液中，得到基于溶液的pH值并采用电位法产生的电动势；电压转化电路102，用于提高电压，对放大电路供电；放大电路103，用于对所述电动势进行放大；温度补偿电路104，用于对放大后的电动势进行补偿，使输出的信号与温度无关；以及处理及传输电路105，用于处理根据补偿电路输出的信号计算待测溶液的pH值并传输出去。

其中pH传感器101采用上海雷磁生产的E-201-C型号的pH复合电极，能够测量0~14范围的pH值，测量温度在0~60摄氏度。复合电极复合了参比电极和玻璃电极两种电极的功能。对溶液中氢离子活度无响应，具有已知和恒定的电极电位的电极称为参比电极。参比电极的基本功能是维持一个恒定的电位，作为测量各种偏离电位的对照。玻璃电极的功能是建立一个对所测量溶液的氢离子活度发生变化做出反应的电位差。

下面结合图2a和2b说明利用参比电极和玻璃电极，根据电位法测量原理测量pH值的方法。电位法系利用玻璃电极对水溶液中氢离子浓度变化的选择性地响应，与参比电极一起在溶液中组合形成“化学电池”，通过对其电动势变化的测量，确定溶液的pH值，图2a和2b图示了根据电位法测量原理测量pH值的原理图。如图2a所示，当盛有溶液B的特殊玻璃容器G浸入在另一种溶液A中时，容器G的玻璃膜（由特殊玻璃制作）两侧会产生极微弱的电动势E，该电动势与溶液A和B的pH值之差有关。此时，只要能够测量玻璃膜两侧的电动势，就可以得知溶液A与B的pH值之差，当已知溶液B的pH值时，就可以测得溶液A的pH值。

为了测量电动势E，在溶液A与B内分别放入金属电极T1和T2。由于T1和T2与溶液A、B间会产生接触电位差e1和e2，因此用电位差计可测量它们，并可写出下式

V＝e₁+E+e₂（1）

为了消除金属电极与溶液A、B间所产生接触电位差e1、e2对电动势E的影响，将附图2a的装置改成为如附图2b的装置。即将电极T1也同样浸入盛有溶液B的另一容器内，但是该容器底部有一多孔性溶液络合材料，以便能够保持容器内外电路的连通，并且容器内外不存在电位差。此时，由于电极T1和T2浸入同样性质的溶液中，e1和e2相等，互相抵消。在实际应用中，电极T2的玻璃容器称为玻璃电极，而电极T1的容器称为参比电极。在两个电极中同时装入饱和的氯化钾溶液后，用高准确度的电位差计测量两电极间的电动势E。根据热力学推导，由玻璃电极和参比电极组合而成的测量装置所得到的电动势E可由Nernst方程表示，即：

$E=k\×\frac{2.303\mathrm{RT}}{F}\×(p{H}_i-p{H}_x)+E_a---\left(2\right)$

R：理想气体常数；

T：绝对温度；

F：法拉第常数；

k：斜率系数，理论值等于1；

pHx：待测溶液的pH值；

pHi：玻璃电极内溶液的pH值，一般等于7；

Ea：不对称电位。

根据式（2），当k等于1、Ea等于0时，玻璃电极与参比电极间的电动势E与待测溶液的pH值间的pH电位响应曲线应与理论直线相一致。但是，由于极化电位的存在以及斜率k略小于理论值，因此实际的pH电位响应曲线与理论直线并不一致，并且由于存在着酸差和碱差效应，在强碱性和强酸性的溶液中pH电位响应曲线偏离线性。尽管如此，用电位法测量溶液pH值的线性响应范围是比较宽的，可以满足监测的需要。

处理及传输电路105采用CC2350片上系统。

图3图示了依据本实用新型一些实施例的pH测量仪的电压转化电路的设计图。由于放大电路需要正负15V电源供电，为了方便起见，本电压转化电路102采用正5V转正负15V电路。在图2中，555构成占空比可变的脉冲振荡器，振荡周期保持不变，W中心头往上滑行占空比减小，往下滑行，占空比增大，以控制三极管的导通与截止时间，555产生的PWM波的频率约为20khz，振荡信号使3DK106完成开关工作，在3DK106截止时，其集电极会出现高压脉冲，经过D1整流，C2滤波，Dz稳压，就可取得+15V电压。3DK106导通时，变压器B的次级会产生15V以上的脉冲电压，经D3整流，C3滤波，Dz稳压，就可取得-15v电压。

图4图示了依据本实用新型一些实施例的pH测量仪的放大电路的设计图。该放大电路103选择运放LF444，是专门用于pH仪表输入端得高输入阻抗的运算放大器，能对pH电极输出的微弱信号（-420mv~420mv）进行放大，由于pH电极自身的阻抗很大，所以前2级采用射极跟随器进行隔离，电容的主要作用消除输入端高频信号的干扰，第三级运放的主要作用是对微弱信号进行放大，由于输入有负的信号，所以需要对电位进行抬升，所以第四级运放的的主要作用是加法器，将输出的负信号变成正的与pH值相对应的信号。具体分析过程如下：

当电位器滑向最左边时，第三级运放结果为：

U₁₀＝U₉

$\frac{U_9}{R_1}=\frac{U_8-U_9}{R_2//R_3//R_4+R_5//R_6}$

所以， $U_8=\frac{U_9(R_2//R_3//R_4+R_5//R_6+R_1)}{R_1}=36.24U_9=36.24U_{10}$

当电位器滑向最右边时，第三级运放输出结果为：

$\frac{U_9}{R_2//R_3//R_4+R_1}=\frac{U_8-U_9}{R_5//R_6}$

所以， $U_8=\frac{(R_2//R_3//R_4+R_1+R_5//R_6)U_9}{R_2//R_3//R_4+R_1}=13.55U_9={13.55U}_{10}$

由于输入为-420mv~420mv，将运放的输出信号放大到-7v~7v，所需放大倍数为A=7v/420mv=16.7,只需调节滑动变阻器将放大倍数调到16.7即可满足要求。

对于加法器，U8/R9+15/R11=IN/R13,当R9=1K,R11=2.5K,R13=1K，输出正好是0~14V，然后将输出的电压值进行AD转换，根据式（2）就可获得对应的pH值。

图5图示了依据本实用新型一些实施例的pH测量仪的温度补偿电路的设计图。温度补偿有硬件和软件2种，在这里我们选取硬件功能校正离子输出电压，该电路由温度传感器AD590和模拟除法器AD535组成，温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小的特点。流过AD509的电流等于样品溶液感应的热力学温度，即：

$\frac{I_T}{T}=1\mathrm{uA}/K$

也就是流过AD590又1uA的电流变化，就意味着有1K的温度变化。当流过AD590的电流有273．1uA，则可方便的测出0~100摄氏度的范围。在供电电压为15V，J4点的电压为U=I_T.R₅=T.R₅,将电压输入到除法器，进行温度补偿。对于AD535，采用差分除法，则输出可表示为：

OUT＝10(Z₂-Z₁)/(X₂-X₁)

$\mathrm{VO}\_\mathrm{PH}=10\frac{\mathrm{VB}\_\mathrm{PH}-0}{V\_\mathrm{Temp}-0}=\frac{\mathrm{VI}\_\mathrm{PH}}{(273.15+t).R_5}$

上式表明，温度信号对pH电极信号VB_PH进行补偿，使输出信号与温度信号无关。

将要意识到的是，为了清楚起见，以上说明书已参考不同的功能电路、单元和处理器对本实用新型的实施例进行描述。然而，将显而易见的是，可以使用在不同功能电路、单元或处理器之间的功能的任意适当分布而并不背离本实用新型。例如，被图示为由单独的处理器或控制器所执行的功能可以由相同的处理器或控制器来执行。因此，对具体功能单元或电路的引用仅被视为对用于提供所描述功能的适当装置的引用，而并非指示严格的逻辑或物理机构或组织。

本实用新型可以以包括硬件、软件、固件或其任意组合的任意适当形式来实施。任选地，本实用新型可以至少部分地被实施为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件。本实用新型实施例的部件和组件在物理上、功能上和逻辑上可以以任意适当方式来实施。甚至，所述功能可以以单个单元、多个单元或者作为其它功能单元的一部分来实施。这样，本实用新型可以以单个单元来实施，或者可以在物理上和功能上分布在不同单元、电路和处理器之间。

虽然已经结合一些实施例对本实用新型进行了描述，但是其并非意在被局限于这里所给出的具体形式。相反，本实用新型的范围仅由所附权利要求所限定。此外，虽然特征可以表现为结合特定实施例进行描述，但是本领域技术人员将会认识到，所描述实施例的各个特征可以依据本实用新型进行组合。在权利要求中，术语“包括”并不排除其它元件或步骤的存在。

此外，虽然被单个列出，但是多个装置、元件、电路或方法步骤例如可以由单个电路、单元或处理器来实施。此外，虽然个体特征可以包括在不同权利要求中，但是这些特征可能有利地进行组合，并且包括在不同权利要求中并不意味着特征组合不是可行和/或有利的。而且，特征包括在一个权利要求类别中并不意味着对这个类别的限制，相反这指示了该特征可适当地等同应用于其它权利要求类别。权利要求中的附图标记仅被提供作为进行阐明的示例，而不应当被解释为以任何方式对权利要求的范围进行限制。

Claims (5)

1.一种用于对溶液的pH值进行测量的pH测量仪，包括：

pH传感器（101），用于放入溶液中，得到基于溶液的pH值并采用电位法产生的电动势；

电压转化电路（102），用于提高电压，对放大电路（103）供电；

放大电路（103），用于对所述电动势进行放大；

温度补偿电路（104），用于对放大后的电动势进行补偿，使输出的信号与温度无关；以及

处理及传输电路（105），用于处理根据补偿电路（104）输出的信号计算待测溶液的pH值并传输出去。

2.如权利要求1所述的pH测量仪，其中pH传感器（101）采用pH复合电极。

3.如权利要求1所述的pH测量仪，其中放大电路（103）采用运算放大器LF444。

4.如权利要求1所述的pH测量仪，其中温度补偿电路（104）采用硬件补偿。

5.如权利要求1所述的pH测量仪，其中处理及传输电路（105）采用CC2350片上系统。

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