1、 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读：eelectrodeandindicatorelectrodetotheconcentrationofhydrogenionsined.CS-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TITLE：The Design of the pH Instrum
2、entAbstractOn the basis of electrochemical principle and single-chip microputer techniques, this system can measure activity in solution.The paper details the research and design of inligent versatile ion meter, including the measuring principle, the calibration easuring circuit softe .The pH tester
3、 is equipped ined.CS-51 microcontroller core, is the instrument of high in 3 4 5 6 7 8 9 10 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读：sation;ThecorrectcalibrationofpHMeter-2-长春工业大学学士学位毕业论文目录第一章绪论.-11.1 课题背景.-11.2PH 测试仪研究的必要性 .-2-1.3 ligence.Thus, it has a calibration memory, can automatically adjust the slope, automati
4、c temperature pensation capability and the detection time timer functions.-1-长春工业大学学士学位毕业论文Theuseofman-machinedialogue,enablingautomaticmeasurement,calibration, storage, display data functions.eter-2-长春工业大学学士学位毕业论文目录第一章 绪论 - 1 1.1 课题背景 - 1 1.2PH测试仪研究的必要性 .- 2 -1.3 PH 测试仪的发展概况 .- 3 1.4 主要内容 - 4 第二章 P
5、H 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 3 4 5 6 7 8 9 10 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读：-243.7 电源模块的设计.-253.8 键盘和显示的设计.-253.9 总线扩展电路.-263.10 本章小结 .- 10 2.2.3 测量电池的电动势 .- 1.3 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
6、 .- 16 第三章 PH 测试仪的硬件设计 .- 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 . 3 4 5 6 7 8 9 10 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读：.-294.2 系统主程序.-29
7、4.3 标定子程序.-314.4 测量子程序.-324.5 本章小结 .- 28 - 3 -长春工业大学学士学位毕业论文第四章 PH 测试仪的软件设计 .- 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 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读：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
8、法周期长，不能满足自动化的要求。利用电化学原理，通过在零电流条-1-长春工业大学学士学位毕业论文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 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，
9、 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。
10、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。利用电化学原理，通过在零电流条-1-长春工业大学学士学位毕业论文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
11、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。61.2pH 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
12、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、 3 4 5 6 7 8 9 10 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读：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。电极法是灵敏的，可测量低 g/L。电极直接测量法与样品体积无关。我们使用离子电极分 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
13、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
14、性不好会直接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/
15、L。电极直接测量法与样品体积无关。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-2-长春工业大学学士学位毕业论文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。91.3 pH 测试仪的发展概
16、况 pH 测试仪在日本发展很快，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 3 4 5 6 7 8 9 10 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读： 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
17、 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、 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
18、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
19、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、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 HBM51 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-3-长春工业大学学士学位毕业论文清洗。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
20、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 3 4 5 6 7 8 9 10 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读： 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
21、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
22、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 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。-4-长春工业大学学士学位毕业论文第二章 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
23、与被测溶液的 pH 值关系，可以用能斯特方程 表示为 E E 0 2.303RT / F * pH（2-1 ）E 0 ：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； F ：法拉第常数 F =96500 库/摩。把常数带入（2-1） E E0 （54.20+0.1984t）*pHpH E E0 54.20 0.1984t（2-2 ）我们采用电极的零电位 pH=7,则 E pH 7 54.20 0.1984t 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。（2-3 ）随着电极的使用，其转换率降低，pH 响应时间变长。因
24、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 Kx( E Ex) 7 54.20 0.1984t ：电极的补偿斜率； Kx pH （2-4 ）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- 3 4 5 6 7 8 9 10 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读：程中根据测量值和参数值算出被测试样浓度值。对于实际-6-长春工业大学学士学
25、位毕业论文的测量系统来说，能斯特方程响应的实际曲线又往往偏离理想曲线，即实际响应的曲线的斜率不等于理想曲线的斜率，所以只有知道实际的斜率，测量系统中的电极才能使用。标定不仅在运行初期进行，在运行过程中，由于化学反应的一些不确定因 4）得 6.864 7 Kx( E 6.86 Ex) E 理 2-E 理1（理论 mV 数） Kx 54.20 0.1984t E 实 2-E 实 2（实际 mV 数）(2-5)Ex E 6.86 0.136 (54.20 0.1984t ) Kx-5-长春工业大学学士学位毕业论文把（2-5 ）代入（2-4 ）得 pH 6.864 Kx( E E 6.86) 54.2
26、0 0.1984t(2-6)E 6.86 为玻璃电极再 pH=6.864 标准溶液产生的电动势。2.1.1 三电极测量系统因为固体电极的内阻较高，测量池中又增设了溶液接地电极，所以仪器的测量 电路中，必须中必须有双高阻电路。图 2-1 是这种三电极测量电路的示意。由图 2-1 可知，变送器的输入级由两个相同的高输入阻抗放大器 3、6 组成。用放大器 3 测 量参比电极与溶液接地电极之间的电势；用放大器 6 测量指示电极与溶液接地电极 之间的电势，这两个电势的代数和就是与待测溶液的 pH 相关的电势差（等于指示 电极和参比电极之间的电动势） ，放大器用来测量这个电势差。从图 2-1 可知，这样
27、的测量系统可消除由于大地回路漏电流引起的测量误差，具有较强的抗干扰能力。图 2-1 三电极系统2.1.2 两点标定法标定方法很多，标定是用已知浓度的标准液去校准仪器。算出测量方程中的未 知数，然后才能在测量过程中根据测量值和参数值算出被测试样浓度值。对于实际-6-长春工业大学学士学位毕业论文的测量系统来说，能斯特方程响应的实际曲线又往往偏离理想曲线，即实际响应的 曲线的斜率不等于理想曲线的斜率，所以只有知道实际的斜率，测量系统中的电极 才能使用。标定不仅在运行初期进行，在运行过程中，由于化学反应的一些不确定 因素发生的变化引起的测量值的漂移，一般必须由标定来消除。对此，我们采用两 点标定法。过
28、程如下： （1）配制两种标准溶液，令其 pH 值分别为 pH1 和 pH2。（2）把 pH 探头与温度传感器置于标准溶液中，则可以测得相应的电压和温度 值，如图 2-1 中的 P1、P2 点。依据电极理论： m V2 ( p H2mV 1 ( p H 1 pH 0 ) pH 0 ) K2 K 1(2-7) (2-8) (2-9)K 2 K1 (T 2 T 1 ) K式中 K1、 K2对应 T1、T2 的电极斜率； pH0电极零电位的 pH 值；K 电极斜率随温度的变化率（ K =0.1984073） 。由前所述，式中仅有 pH0、K1、K2 为未知，因此可由上式求得电极的零电位 点 pH0 以
29、及 T1 温度下的斜率 K1，并把 K1 换算成 25时的斜率 K25。仪表自动完成上述过程并把 pH0 值和 25时的斜率 K25 保存在 EEPROM。 3 4 5 6 7 8 9 10 试析 pH 测试仪的设计毕业论文范文 导读：制成，在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，形成离子的充电过程，并形成一定的电位差。失去电子的银离子进溶液。当没有施加外电流进行反充电，也就是说没有电流的话，这一过程最终会达到一个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电极电位。这种（如上所述）由金属和含有此金 电极标定过程即求电极的零点和确定温度下的斜率。选用两点标定方法
30、来实现 自动标定。如图 2-2 所示。图 2-2 pH 电极的 mV-pH 曲线-7-长春工业大学学士学位毕业论文2.2 pH 测试仪的测量方法测量 pH 值的方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位 法测得 PH 值。试纸法是通过 pH 试纸颜色的变化来测量溶液的 pH 值。是采用有些指示 剂在不同的酸碱度下能呈现变化或变化为不同颜色这一特性来测量溶液酸碱度的一 种方法。它方便、快捷。但会受到溶液本身颜色或蛋白质等物质的干扰而被限制采 用只适用于分辨力大于 0.5pH 值的测量；而对于分辨力小于 0.5pH 的测量，我们均采 用电位法即用 pH 测试仪进行测量。这里主要介绍
31、这种测量方法。电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反 应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势（EMF） 。此电动势（EMF ）由二个 半电池构成，其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关，如 H+；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是测量溶液相通，并 且与测量仪表相连。例如，一支电极由一根插在含有银离子的盐溶液中的一根银导线 制成，在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，形 成离子的充电过程，并形成一定的电位差。失去电子的银离子进溶液。当没有施加外 电流进行反充电，也就是说没有电流的话，这一过程最终会
32、达到一个平衡。在这种平 衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电极电位。这种（如上所述）由金属和含有 此金属离子的溶液组成的电极被称为第一类电极。此电位的测量是相对一个电位与盐溶液的成分无关的参比电极进行的。这种具有 独立电位的参比电极也被称为第二电极。对于此类电极，金属导线都是覆盖一层此种 金属的微溶性盐（如： Ag / AgCl ） ，并且插入含有此种金属盐限离子的电解质溶中。此时半电池电位或电极电位的大小取决于此种阴离子的活度。pH 测试仪是根据 pH 实用定义采用氢离子选择性电极测量水溶液pH 值的一种广泛 使用的化学分析仪器，是用其电势法测量 pH 值的。2.2.1 指示电极指示电极是组成电位分析仪的基本部件，大部分指示电极是离子选择性电 极。它具有将溶液中某特定离子的活度转变成一定电位的功能。各种离子选择 性电极都有一个被称为离子选择性膜的敏感元件。离子选择性电极的性能主要 取决于膜的种类及其制备技术，常用的离子选择性电极有晶体膜电极、液膜电 极和玻璃膜电极等。理想的离子选择性电极的电位与离子活度的关系应符合能斯特方程 ） E E 0 S lg a （式中阳离子取“+”号，阴离子取“-”-8-长春工业大学学士学位毕业论文a 为溶液中此离子的活度值； S 为电机的斜率项 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
