CN102866180A - 高精度智能酸度计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度智能酸度计及其测量方法，其A/D转换电路包括温度传感器、PH传感器、第一运算放大器、第二运算放大器、多路模拟开关和A/D转换器，温度传感器、PH传感器的输出分别经第一、第二运算放大器连接至多路模拟开关其中一个通道的多个输入端，多路模拟开关连接在第二运算放大器的反馈电路中，其另一通道的两个输出端分别连接有不同阻值的电阻。本发明测量方法在一点、两点校正时采用自动识别标准液的标定方法，同时采用温度补偿的方法校准标准液和被测液的PH值。本发明能够自动识别所标定的标准溶液PH值，能够根据环境温度校准标准液的PH值，减少了人工操作，大大提高了PH值的测量精度。

Description

高精度智能酸度计及其测量方法

技术领域

本发明公开了一种高精度智能酸度（PH）计及其测量方法，属于电子测控领域。

背景技术

随着科学研究的发展和生产技术的进步，水分的定量分析已被列为各类物质理化分析的基本项目之一，作为各类物质的一项重要的质量指标，其PH值更是测定的重要数据。另外，对生产过程中或者涉及环境保护中液体、固体混合物PH值的测量和控制要求也日趋增多，所以作为分析仪表酸度计的使用也越来越普及了。酸度计简称PH计，由电极和测量电路两部分组成。使用中若能够合理维护电极、按要求配制标准缓冲液和正确操作电计，可大大减小PH示值误差，从而提高化学实验、医学检验数据的可靠性。

现有的PH计，大多采用手工方法进行校验，温度补偿也是采用手动调节旋钮的方式进行，这种方法存在操作繁琐、受环境影响较大和精度过低的缺陷。同时，生产过程用PH计的维护工作量很大，如PH可能经常发生零点漂移、量程变化的问题，而人工校验PH计的工作量较大，且影响PH计的正常测量工作。为了克服以上缺陷，用自动校验取代人工校验，并且增加温度自动校准功能，是智能化PH计的发展趋势。

PH计的自动校验装置近年来发展很快，它的发展是建立在PH计自动清洗装置、传感器在线自诊断功能的基础上的，因为要进行自动校验，前提是电极的清洗和标准液的准确。而传感器可以为PH计的自动校验提供基础数据。

发明内容

技术问题：现有的PH计，大多采用手工方法进行校验，温度补偿也是采用手动调节旋钮的方式进行，这种方法存在操作繁琐、受环境影响较大和精度过低的缺陷。同时，生产过程用PH计的维护工作量很大，如PH可能经常发生零点漂移、量程变化的问题，而人工校验PH计的工作量较大，且影响PH计的正常测量工作。

一般地，标准溶液的浓度都是25°C环境温度下测得的PH值，当环境温度变化，标准溶液的PH值也随之有所变化；目前大多数PH计没有温度校正功能，影响了PH值的测量精度。

同时，对于不同的标准溶液和待测溶液，PH电极输出的溶液mV值的范围较大，经过运算放大器放大后，一般都在0～±1999.9mV；常规的PH计都采用同一组放大电路进行放大，这样对于一些小信号用大量程转换而降低了分辨率，也影响了低浓度PH值的测量精度。

另外，用来标定的标准溶液一般是固定的3种左右，PH计必须获取这些标准溶液的PH值才能进行计算；常规的PH计都是在一点校正和二点校正时手工输入溶液的PH值，这样不但操作使用不便，还可能造成人为误差。

技术方案：本发明的目的在于克服传统PH计的上述缺陷，提出一种高精度智能酸度（PH）计及其测量方法，采用如下技术方案：

一种高精度智能酸度计，包括单片机电路、A/D转换电路、人机接口电路和电源电路，A/D转换电路和人机接口电路分别与单片机电路连接，其特征在于，A/D转换电路包括温度传感器、PH传感器、第一运算放大器、第二运算放大器、多路模拟开关和A/D转换器，温度传感器、PH传感器的输出分别经第一、第二运算放大器连接至多路模拟开关其中一个通道的多个输入端，所述其中一个通道的输出端与A/D转换器连接，多路模拟开关的另一个通道的输出端连接到第二运算放大器的反相输入端，所述另一个通道的其中两个输入端分别连接不同阻值的电阻，供量程切换，多路模拟开关的地址端与单片机电路连接。

所述高精度智能酸度计的测量方法，其特征在于温度补偿方法，采用温度传感器测量环境温度，对非标准温度的标准溶液进行校正，单片机电路根据不同的温度范围采用不同公式进行计算，得到环境温度下的标准溶液的PH值，具体方法如下：

一点校正时：

0°C～50°C  PH₁=0.0000483t₁ ²-0.001266t₁+4.004……（1）

50°C～60°C PH₁=0.0000483t₁ ²-0.001266t₁+3.994……（2）

其中，PH₁表示一点校正标准溶液的测量PH值，t₁表示一点校正所测得的环境温度值；

二点校正时：

0°C～50°C  PH₂=0.00006875t₂ ²-0.006311t₂+6.979……（3）

50°C～60°C PH₂＝0.0000776t₂ ²-0.01268t₂+9.453……（4）

其中，PH₂表示二点校正标准溶液的测量PH值，t₂表示二点校正所测得的环境温度值。

在进行一点校正和二点校正时，根据PH传感器所测标准溶液的毫伏值，经运算放大器放大后，单片机电路对放大后的毫伏值进行采集，并依据不同标准溶液的毫伏值范围自动识别标准溶液。

有益效果：

1、本发明的酸度计采用量程的自动切换，用不同阻值的电阻构成两种不同的反馈电路，与多路模拟开关的2个输入通道连接，单片机通过选择模拟开关通道地址，选择相应的通道，根据PH电极输出的溶液mV值的大小，实现量程范围0～±399.9mV和0～±1999.9mV之间自动切换，避免了小信号大量程转换（俗话说的大秤称小物），提高了小信号的分辨率，提高了低浓度溶液的测量精度。

2、本发明的酸度计，多路模拟开关连接在运算放大器的反馈电路中，多路模拟开关的接通电阻作为运算放大器反馈电阻的一部分，消除了被测信号在模拟开关接通电阻的损耗，提高了测量精度。

3、本发明的酸度计采用温度传感器测量环境温度，对非标准温度（25°C）的标准溶液的进行校正，根据不同的温度范围用不同的公式进行计算，得到环境温度下的标准溶液的PH值，以此进行温度补偿，提高了测量精度。

4、本发明的酸度计在进行一点校正和二点校正时，根据测得的标准溶液的毫伏（mV）值，自动识别标准溶液的PH值或浓度，无需进行手工输入，减少了工作量，避免了人工操作可能带来的误差，提高了自动化程度。

5、本发明的酸度计及其测量方法大大提高了PH计的的稳定性，能够达到0.001的测量精度。

附图说明：

图1是本发明专利高精度智能酸度（PH）计的结构图。

图2是本发明专利的硬件电路图。

图3是本发明专利PH电极输出的标准溶液PH值的范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细阐述：

如图1所示为本发明的高精度智能酸度（PH）计结构图，所述PH计包括单片机电路1、A/D转换电路2、电源电路3、人机接口电路4。电源电路3分别为单片机电路1、A/D转换电路2、人机接口电路4供电。A/D转换电路2和人机接口电路4分别与单片机电路1连接。单片机电路1以一个单片机为核心，用以采集和计算数据。人机接口电路4包括LCD、键盘和蜂鸣器，用以显示，输入信息，报警。A/D转换电路包括温度传感器（测量温度）、PH传感器（测量PH值）、第一运算放大器（对温度传感器的输出信号进行放大）、第二运算放大器（对PH传感器的输出信号进行放大）、多路模拟开关（在单片机的控制下实现信号的传输）和A/D转换器（将模拟信号转换为数字信号供单片机处理）。

本发明的高精度智能酸度（PH）计的电路图如图2所示，人机接口电路4中的LCD12864的RS、R/W、E与单片机电路2的单片机U1（AT89C52）的P1.3，P1.2，P1.1连接，AT89C52的端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7和P1.4分别与人机接口电路4中的键盘和蜂鸣器连接，单片机电路2的AT89C52的端口P1.7、P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0、P3.5、P3.4、P3.2和P3.6与A/D转换电路2中A/D转换器U8（7135）的D1、D2、D3、D4、D5、B1、B2、B4、B8、POL、OR、-STB和R/-H相连。A/D转换电路2中还包含由555、电容C9、C8以及滑动变阻器R9、R12组成的时钟电路。

温度传感器U9（AD590）的信号输出端连接至第一运算放大器M1（LM301）的同相输入端，第一运算放大器M1的输出端连接至多路模拟开关U7（4052）的X通道的输入端X3。PH传感器U11的信号输出端连接至第二运算放大器M2（LM301）的同相输入端，第二运算放大器M2的输出端连接至多路模拟开关U7的X通道的输入端X0和X1。多路模拟开关U7的X通道的输出端X连接至7135的+IN、-IN端，其输出信号经7135转换成数字信号供单片机处理。

多路模拟开关U7的Y通道输出端Y连接至第二运算放大器M2的反相输入端。多路模拟开关U7的Y通道输入端Y0和Y1分别连接不同阻值的电阻R14（75K）和R15（4.5K）。多路模拟开关U7的地址端A、B分别连接单片机的端口P1.6和P1.5，单片机根据PH电极输出的溶液mV值的大小，选通相应通道，使电阻R14或R15和多路模拟开关的接通电阻形成串联，作为第二运算放大器M2的反馈电阻，一方面可以实现量程范围0～±399.9mV和0～±1999.9mV之间自动切换，另一方面还可以消除被测信号在模拟开关接通电阻的损耗，提高了测量精度。

1、测量方法

1.1、预置

PH₀=7.593    SLOPE₀=0.19841t+54.195

PH₀表示预置PH值，SLOPE₀表示预置斜率。

1.2、一点校正

采样mV₁₀显示PH₁₀＝PH₀-mV₁₀/Slope₀

mV₁₀表示一点校正标准溶液的测量瞬时毫伏值，

PH₁₀表示一点校正标准溶液的测量瞬时PH值。

稳定条件：按下一点校正键后开始计时30s，要求：

①30s后的第一个10s内mV₁₀变化小于0.5mV，若成立记下最后的mV₁₀值，并转稳定状态，此时mV₁=mV₁₀。

mV₁表示一点校正标准溶液的测量毫伏值。

②若第一个10s稳不下来，再延时按上面的方法判断，记下最后的mV₁₀值，此时mV₁=mV₁₀

③若30″内还稳定不下来，显示出错信息

稳定后，单片机根据温度传感器所测环境温度（即所测标准溶液的温度）从下面的公式确定最终显示的PH₁值：

0°C～50°C  PH₁=0.0000483t₁ ²-0.001266t₁+4.004……（1）

50°C～60°C PH₁=0.0000483t₁ ²-0.001266t₁+3.994……（2）

最后记存（PH₁，mV₁）；t₁

PH₁表示一点校正标准溶液的测量PH值,

t₁表示一点校正所测得的环境温度值。

1.3、二点校正

采样mV₂₀显示PH₂₀＝PH₀-mV₂₀/Slope₀

mV₂₀表示二点校正标准溶液的测量瞬时毫伏值，

PH₂₀表示二点校正标准溶液的测量瞬时PH值。

稳定条件：按下二点校正键后开始计时30s，要求：

①30s后的第一个10s内mV₂₀变化小于0.5mV，若成立记下最后的mV₂₀值，并转稳定状态，此时mV₂=mV₂₀

mV₂表示二点校正标准溶液的测量毫伏值。

②若第一个10s稳不下来，再延时按上面的方法判断，记下最后的mV₁₀值，此时mV₂=mV₂₀

③若30″内还稳定不下来，显示出错信息

稳定后，单片机根据温度传感器所测环境温度（即所测标准溶液的温度）从下面的公式确定最终显示的PH₂值：

0°C～50°C   PH₂=0.00006875t₂ ²-0.006311t₂+6.979……（3）

50°C～60°C  PH₂=0.0000776t₂ ²-0.01268t₂+9.453……（4）

稳定后记存（PH₂，mV₂）；t₂

PH₂表示二点校正标准溶液的测量PH值，

t₂表示二点校正所测得的环境温度值。

1.4、计算斜率

斜率 $\mathrm{Slope}=\frac{m{V}_2-m{V}_1}{{\mathrm{PH}}_2-{\mathrm{PH}}_1}$

要求SLOPE值在如下范围内：

0.8×(0.19841t₁+54.195)<|SLOPE|<1.1×(0.19841t₁+54.195)

否则显示出错。

Slope表示PH电极测量的斜率。

1.5、测量

采样mV_x

mV_x0表示待测溶液的测量瞬时毫伏值。

mV_x表示待测溶液的测量毫伏值。

稳定条件：按下测量键后开始计时30s，要求：

①30s后的第一个10s内mV_x0变化小于0.5mV，若成立记下最后的mV_x0值，并转稳定状态，此时mV_x=mV_x0

②若第一个10s稳不下来，再延时按上面的方法判断，记下最后的mV_x0值，此时mV_x=mV_x0

③若30″内还稳定不下来，显示出错信息

计算：a）如果t₂=t₁(相等状态维持连续0.5s以上算相等)

$\mathrm{Slope}=\frac{m{V}_2-m{V}_1}{{\mathrm{PH}}_2-{\mathrm{PH}}_1}$

${\mathrm{PH}}_x={\mathrm{PH}}_1+\frac{m{V}_x-m{V}_1}{\mathrm{Slope}}$

最后显示PH_x值。

PH_x表示待测溶液的测量PH值

注：如PH_x<0 or PH_x>14显示出错信息

b)如t₂≠t₁

根据t₁和t₂从如下公式计算PH_x

$m{V}_1^{\&prime;}=\frac{(7.793-{\mathrm{PH}}_1^{\&prime;})(0.19841t_2+54.195)}{(7.793-{\mathrm{PH}}_1)(0.19841t_1+54.195)}m{V}_1$

$m{V}_2^{\&prime;}=\frac{(7.793-{\mathrm{PH}}_2^{\&prime;})(0.19841t_2+54.195)}{(7.793-{\mathrm{PH}}_2)(0.19841t_1+54.195)}m{V}_2$

${\mathrm{Slope}}^{\&prime;}=\frac{m{V}_2^{\&prime;}-m{V}_1^{\&prime;}}{P{H}_2^{\&prime;}P{H}_1^{\&prime;}}$

${\mathrm{PH}}_x={\mathrm{PH}}_1^{\&prime;}+\frac{m{V}_x-m{V}_1^{\&prime;}}{{\mathrm{Slope}}^{\&prime;}}$

1.6出错指示

①Er₁：标准渗液超范围

②Er₂：二点渗液同一点渗液

③Er₃：定标和测量时60s稳不下来

④Er₄：PH测量超出0～14

mV测量超出±1999.9mV

⑤Er₅：在校准和测量情况下温度超出（0～60°C）

⑥Er₆：Er₆电极斜率超范围

⑦Er₇：Er₇非法操作

2、标准溶液的自动识别方法

如图3所示为本发明专利PH电极输出的标准溶液PH值的范围示意图。常用的标准溶液主要有三种：PH=10，PH=6和PH=4，根据环境温度变化的不同，PH电极测得的溶液毫伏值的范围如下：

PH=10的标准液的毫伏值的范围为-156mV～-36mV；

PH=6的标准液的毫伏值的范围为-20mV～100mV；

PH=4的标准液的毫伏值的范围为150mV～270mV；

用运算放大器放大5倍，单片机进行采集，根据采集到的标准液的毫伏值mVX来判别标准液：

-780mV≤mVX≤-180mV，为PH=10的标准液；

-100mV≤mVX≤500mV，为PH=6的标准液；

750mV≤mVX≤1375mV，为PH=6的标准液；

其余范围作出错处理。

Claims (6)

1.一种高精度智能酸度计，包括单片机电路、A/D转换电路、人机接口电路和电源电路，A/D转换电路和人机接口电路分别与单片机电路连接，其特征在于，A/D转换电路包括温度传感器、PH传感器、第一运算放大器、第二运算放大器、多路模拟开关和A/D转换器，温度传感器、PH传感器的输出分别经第一、第二运算放大器连接至多路模拟开关其中一个通道的多个输入端，所述其中一个通道的输出端与A/D转换器连接，多路模拟开关的另一个通道的输出端连接到第二运算放大器的反相输入端，所述另一个通道的其中两个输入端分别连接不同阻值的电阻，供量程切换，多路模拟开关的地址端与单片机电路连接。

2.如权利要求1所述的高精度智能酸度计，其特征在于PH传感器输出的信号经第二运算放大器放大后，接入多路模拟开关的X通道输入端X0和X1。

3.如权利要求1所述的高精度智能酸度计，其特征在于温度传感器输出的信号经第一运算放大器放大后，接入多路模拟开关的X通道输入端X3。

4.如权利要求1~3任一所述的高精度智能酸度计，其特征在于多路模拟开关的Y通道的输出端连接到第二运算放大器的反相输入端，其输入端Y0和Y1分别连接不同阻值的电阻。

5.如权利要求1所述高精度智能酸度计的测量方法，其特征在于温度补偿方法，采用温度传感器测量环境温度，对非标准温度的标准溶液进行校正，单片机电路根据不同的温度范围采用不同公式进行计算，得到环境温度下的标准溶液的PH值，具体方法如下：

一点校正时：

0                                                

～50

   

50

～60

  

其中，PH ₁表示一点校正标准溶液的测量PH值，t ₁表示一点校正所测得的环境温度值；

二点校正时：

0

～50  

50

～60  

其中，PH ₂表示二点校正标准溶液的测量PH值，t ₂表示二点校正所测得的环境温度值。

6.如权利要求5所述高精度智能酸度计的测量方法，其特征在于在进行一点校正和二点校正时，根据PH传感器所测标准溶液的毫伏值，经运算放大器放大后，单片机电路对放大后的毫伏值进行采集，并依据不同标准溶液的毫伏值范围自动识别标准溶液。

Images