CN2051352U - 一种离子检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型在现有采用离子敏场效应器件的离 子检测电路之外增设了一个温度信号发生器，二个温 度函数变换器还设有一个补偿运算器，用以消除检测 数据中的温度影响，保持检测结果的稳定可靠，同时 兼具结构简单与成本低廉的优点。

Description

本实用新型涉及一种用离子敏场效应器件组装探头的离子检测装置，特别涉及一种能够自动补偿温度漂移的离子检测装置。

图一示意一种保持沟道电流（I_d）恒定的负反馈离子检测装置。这类现有采用离子敏场效应器件组装探头的离子检测装置，因探头与检测物的温度t变动所产生的输出电压漂移十分可观，实验表明，检测电压V₀随温度的摄氏度数t与检测物离子浓度M的变动可表示为 V₀＝A＋Bt＋0.1984a（273.15＋t）log₁₀1/(M) …①其中A与B为探头常数，a为探头与离子检测物的常数（与检测物的离子价数有关），它们均可通过实验确定。对于特定的检测探头以及特定的离子检测物，如在t＝0时测量已知不同M的同一离子检测物，从所得V₀～log₁₀1/(M) 曲线的斜率与截距就可求出a与A，再以所得a与A的值以及在t≠0时测得已知M检测物的V₀值便可求得B值。当用于氢离子检测时，log₁₀1/(M) 即为PH值。

为了实现检测结果的稳定可靠，在现有技术中，有的采用微机调节，有的则利用非敏感器件与敏感器件配对补偿等办法自动消除V₀的温漂。然而，采用微机调节使结构趋于复杂，成本增高；配对法又有补偿功能不足的缺陷。

从①式的实验规律出发，考虑到若令

V₁（t）＝（273.15＋t）1.984a ……②

V₂（t）＝A＋Bt ……③

则可将①式改写成

V₀（t）＝V₂（t）＋0.1V₁（t）log₁₀1/(M) ……④

由此可得

log₁₀1/(M) ＝ (V_O(t)-V₂(t))/(0.1V₁(t)) ……⑤

或 M＝antilog₁₀(V₂(t)-V₀(t))/(0.1V₁(t)) ……⑥

用于氢离子检测则有

pH值＝ (V_O(t)-V₂(t))/(0.1V₁(t)) ……⑦

由此可见，只要能够得到V₀（t）、V₁（t）及V₂（t）并经过⑤、⑥或⑦式的运算就可以消除温度因素求得实际的离子浓度或pH值。

为了实现上述消除温度因素的补偿运算，本实用新型设计了一套检测与运算电路。图二就是它的逻辑示意图。它在现有检测电路之外增设一个连接测温元件且输出电压是实测温度t的函数V_t（t）的温度信号发生器、一个使V_t（t）变换成输出电压值包含探头与检测物常数a的V₁（t）温度函数变换器、以及另一个使Vt（t）变换成输出电压值包含探头常数A与B的V₂（t）温度函数变换器，并且还设有一个输入V₀（t）、V₁（t）与V₂（t）按⑤或⑥式运算使输出电压为log₁₀1/(M) 或M的补偿运算器，以此输出电压作为本实用新型离子检测装置的检测值经由一个显示器显示。通过这样增设补偿运算电路之后，既可在温度与检测离子浓度的宽广范围内实现对检测结果的自动有效补偿，又不致在结构与成本上会为此付出过高的代价。

本实用新型一项实施例氢离子检测装置（pH计）使用在同一基座上设置有氢离子敏场效应器件（1）、参比电极（3）以及半导体测温二极管（D₁）的检测探头（4）（中国专利申请号89203541）。它利用探头中的氢离子敏场效应器件与参比电极组成图一示意的现有保持恒流的负反馈离子检测电路。利用检测探头中的半导体测温二极管（D₁）组成图三示意的温度信号V_t（t）发生器。测温二极管的一端a点由一个直流恒流源（5）作正向连接，另一端接地。并将a点二极管上的电压降Va与另外设定的该二极管在相同电流下0℃时的正向压降V_T分别输往一个由运算放大器（A₂）组成的减法电路的两个输入端。调节这个运算放大器一个输入端与输出端之间的电阻RF₁和此输入端与a点之间电阻R₁的比值以及另一输入端接地电阻RF_T与该输入端连接V_T的电阻R_T之间的比值，使

(RF₁)/(R₁) ＝ (RF_T)/(R_T) ＝ (C)/(g) ……⑧

其中g为测温二极管正向电压降的温度系数，C为可调常数，这样便使减法电路的输出电压为 (C)/(g) （V_T－V_a）。由于二极管的正向压降为

V_a＝V_T－gt ……⑨

用此减法电路的输出作为温度信号V_t（t）发生器的输出，则有

V_t（t）＝Ct ……⑩

图四示意该项实施例中V₁（t）温度函数变换器的电路结构。温度信号电压V_t（t）通过阻值为｜C｜的电阻R_C与参考电压V_R通过阻值为 (VR)/273.15 的电阻R₂共同接到运算放大器A₃的反相输入端，并在此输入端与输出端之间接一阻值为1.984a的电阻RF₂，A₃的同相输入端通过一个电阻接地，以A₃的输出作为V₁（t）温度函数变换器的输出，则可实现②式的变换。

图五示意该项实施例中V₂（t）温度函数变换器的电路结构。在V_t（t）的接地电阻R_X上取其分压V_B＝Bt，在参考电压－V_R的接地电阻R_y上取其分压V_A＝－A。并使这两个分压分别经阻值等同的两个电阻R₃输往由运算放大器A₄组成的减法电路的两输入端，又使一个输入端经另一等值电阻R₃接地，使另一输入端经又一个等值电阻R₃接至输出端，以此输出端作为V₂（t）温度函数变换器的输出端，则可实现③式的变换。

图六示意该项实施例中用双积分型模－数转换器作补偿运算器并使其输出接入液晶数字显示器显示的连接图。模－数转换器（A／D）的高输入端（INHI）接V₀（t），低输入端（INLO）接V₂（t），高参考电压端（REFHI）接V₁（t），低参考电压端（REFLO）接地。按照双积分型模－数转换器的特性，输出的显示数字n应为

n＝N (V_O-V₂)/(V₁) ＝（0.1N）PH ……

当该实施例使用ICL7136型双积分模－数转换器时N＝1000，则有

n＝100PH， PH＝0.01n ……

附图说明

图一为现有保持沟道电流恒定的负反馈离子检测装置示意图。其中1为离子敏场效应器件，2为检测液，3为参比电极，D为场效应器件漏极，B为场效应器件基底，S为场效应器件源极，Vd为沟道电压，Id为沟道电流，V_R为参考电压，A₁为运算放大器，V₀为检测电压。

图二为本实用新型离子检测装置的检测运算逻辑示意图。其中1为离子敏场效应器件，2为检测液，3为参比电极，4为离子检测探头，D₁为测温二极管，D为场效应器件漏极，B为场效应器件基底，S为场效应器件源极，V_d为沟道电压。

图三为本实用新型离子检测装置一项实施例中的温度信号V_t（t）发生器电路示意图。其中5为直流恒流源，D₁为测温二极管，A₂为运算放大器（LM324），R₁、RF₁与R_T均为电阻，V_t（t）为输出电压，V_R为参考电压。

图四为本实用新型离子检测装置一项实施例中的V₁（t）温度函数变换器电路示意图。其中R_c、R₂、RF₂与Re均为电阻，A₃为运算放大器（LM324），V_t（t）为输入的温度信号电压，V_R为参考电压，V₁（t）为输出电压。

图五为本实用新型离子检测装置一项实施例中的V₂（t）温度函数变换器电路示意图。其中R₃为四个阻值等同的电阻，A₄为运算放大器（LM324），V_t（t）为输入的温度信号电压，－V_R为参考电压，R_X与R_y为电位器，V_B为R_X上的分压，V_A为R_y上的分压，V₂（t）为输出电压。

图六为本实用新型离子检测装置一项实施例中补偿运算器与显示器的连接示意图。其中A／D为用作补偿运算器的模－数转换器（ICL7136双积分型），INHI为高输入端，INLO为低输入端，REFHI为高参考电压端，REFLO为低参考电压端，V₀（t）、V₁（t）与V₂（t）为三个输入电压。

Claims (9)

1、一种用离子敏场效应器件组装探头的离子检测装置，其特征在于，它在输出电压为温度t的函数Vo(t)的无温度补偿的现有离子检测电路之外，增设有一个连接测温元件且输出电压是实测温度t的函数Vt(t)的温度信号发生器、一个使Vt(t)变换成输出电压包含探头与离子检测物常数a的温度函数V₁(t)的温度函数变换器、以及另一个使Vt(t)变换成输出电压包含探头常数A与B的温度函数V₂(t)的温度函数变换器，还设有一个输入Vo(t)、V₁(t)与V₂(t)进行离子浓度或PH值运算的补偿运算器，并以补偿运算器的输出作为检测结果输往一个显示器显示。

2、按照权利要求1所述离子检测装置，其特征为  所述无温度补偿的现有离子检测电路是现有保持沟道电流恒定的负反馈离子检测电路。

3、按照权利要求1所述离子检测装置，其特征为  所述检测探头是使离子敏场效应器件、参比电极以及测温元件三者设置在同一基座上的离子检测探头。

4、按照权利要求1所述离子检测装置，其特征为  所述Vt（t）温度信号发生器是由一个测温二极管作所述的测温元件，使它与一直流恒流源作正向连接，测温二极管上的电压降与另外设定的该二极管在相同电流下0℃时的正向压降分别输往一个由运算放大器组成的减法电路的两个输入端，使测温二极管和运算放大器一个输入端之间的连接电阻与该输入端和输出端之间的连接电阻的阻值比以及另一输入端的接地电阻与输入电阻的阻值比均为g／C（其中g为测温二极管正向电压降的温度系数，C为可调常数），并以运算放大器的输出端作为所述Vt（t）温度信号发生器的输出端。

5、按照权利要求1与4所述离子检测装置，其特征为 所述使 V_t（t）变换成V₁（t）的一个温度函数变换器是使所述温度信号电压V_t（t）通过一个阻值为所述可调常数C的绝对值的电阻与一个参考电压－V_R通过一个阻值为V_R／273.15的电阻共同接到一个运算放大器的反相输入端，在此反相输入端与其输出端之间接一阻值为探头与离子检测物常数a的1.984倍的电阻，运算放大器的同相输入端通过另一电阻接地，并以此运算放大器的输出端作为所述V₁（t）温度函数变换器的输出端。

6、按照权利要求1与4所述离子检测装置，其特征为 所述使 V_t（t）变换成V₂（t）的一个温度函数变换器是使所述温度信号电压V_t（t）通过接地电阻产生与探头常数B有关的分压值Bt，使参考电压－V_R通过接地电阻产生探头常数A的负值的分压，并使这两个分压分别经阻值等同的两个电阻输往由一个运算放大器组成的减法电路的两输入端，又使运算放大器的一个输入端经另一等值电阻接地，使另一输入端经又一个等值电阻接至其输出端，并以此运算放大器的输出端作为所述V₂（t）温度函数变换器的输出端。

7、按照权利要求1所述离子检测装置，其特征为 所述补偿运算器就是一个双积分型模－数转换器，它的高输入端接所述电压V₀（t），低输入端接所述电压V₃（t），高参考电压端接所述电压V₁（t），低参考电压端接地，输出端接数字显示器。

8、按照权利要求1和7所述离子检测装置，其特征为  所述数字显示器就是一个液晶数字显示器。

9、按照权利要求1所述离子检测装置，其特征为  所述离子敏场效应器件就是氢离子敏场效应器件。