系列电化学仪器设计开发方案.doc

台式PH计/ORP计/溶氧仪设计开发方案PH计、ORP计、电导率仪、溶氧仪是几种最常用的电化学仪器，广泛应用于各领域的科研和生产。因其控制及处理系统存在很多共性，很多电路可以共用，故将其放在一起讨论。一，准备开发的系列产品及其原理概述1.1，PH计/酸度计PH计主要使用电位法测得PH值。电位分析法是利用化学上原电池的原理工作的。原电池由二个半电池构成。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+ ；另一个半电池称作参比电极，它一般是与测量溶液相通，并且与测量仪表相连。根据电极电位与PH值间的对应关系，即可计算出所测溶液的PH值。标准氢电极是所有电位测量的参比点。标准氢电极是一根铂丝，用电解的方法镀（涂覆）上氯化铂，并且在四周充入氢气（固定压力为1013hpa）构成的。参比电极的电位不受试液组成变化的影响，在双电极系统中，要能负荷一定的电流（与测量电极构成回路），电流流过时，电极电位保持恒定。氢电极做为参比电极在实践中很难实现，于是使用第二类电极做为参比电极。其中最常用的便是银/氯化银电极。该电极通过溶解的AgCl对于氯离子浓度的变化起反应。虽然有一定的电位，但表现稳定，不随温度发生大的变化。把pH玻璃电极和参比电极组合在一起的电极就是pH复合电极。目前PH计上配套使用的电极大多数采用的是复合电极。根据外壳材料的不同分塑壳和玻璃两种。电压测量主要是在电阻极大的电路中测量出微小的电位差。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作出反应的电位差。把对pH敏感的电极和参比电极放在同一溶液中，就组成一个原电池，该电池的电位是玻璃电极和参比电极电位的代数和。E电池E参比+E玻璃，如果温度恒定，这个电池的电位随待测溶液的pH变化而变化，因其电动势非常小，且电路的阻抗又非常大(1100M)，因此，必须把信号放大到足够大。两电极间的电动势与PH值间的关系可通过能斯特方程得出，通过电压与PH的对应关系计算出PH值。计算过程中还要考虑温度的影响，进行温度补偿。能斯特方程如下：E=59.16mv/25 per pH式中R和F为常数，n为化合价，每种离子都有其固定的值。对于氢离子来讲n=1。温度“T”做为变量，在能斯特公式中起很大作用。随着温度的上升，电位值将随之增大。 在仪器使用前，需对仪器进行校准，以确定电位与PH值转换公式中的参数。尽管pH计种类很多，但其校准方法均采用两点校准法，即选择两种标准缓冲液：一种是pH7标准缓冲液，第二种是pH9标准缓冲液或pH4标准缓冲液。先用pH7标准缓冲液对PH计进行定位，再根据待测溶液的酸碱性选择第二种标准缓冲液。如果待测溶液呈酸性，则选用pH4标准缓冲液；如果待测溶液呈碱性，则选用pH9标准缓冲液。1.2 ORP计（氧化还原电位仪）ORP的单位是mv。它由ORP复合电极和mv计组成。ORP电极是一种可以在其敏感层表面进行电子吸收或释放的电极, 它被用来进行电位测量，而同时又不能参加化学反应过程，也就是说它是要经受住化学冲击。因此这里只能选用铂、金或银等贵金属。参比电极和pH电极一样的银/氯化银电极。ORP计的测量原理与PH计基本相同，只是测量的电位差是由所有离子共同形成的，而PH计只是测量氢离子形成的电位差。因此，ORP电极可以使用于任何pH计上。 因为ORP计的测量结果是直接用电位差（mv）表示的，且与温度无明显的线性关系。故ORP计使用时无需标定，也无需进行温度校准,直接使用即可。只有对ORP电极的品质或测试结果有疑问时,可用ORP标准溶液检查电位是否在200-275mv之间,以判断ORP电极或仪器的好坏。1.3， 电导率仪水溶液电导率的测量需利用一对相互平行、截面积和间距已知的电极，一般称为电导测量电极，简称电导电极。当电导电极浸入溶液时，在两电极间的水溶液构成传导电流的导体。设电极的有效截面积为A，间距为L，两电极间水溶液的电阻为R。根据K值的定义，溶液的K值可简单地由下式算出：K=l/=(L/A)l/R=Q/R依据上述原理设计的测量仪器称为电导率仪。测量过程中为了减少由于溶液内离子成分向电极表面聚集而形成的极化效应，测量电导池电阻时，往往使用高频交流电源。注：电导率仪我们已经试验成功！在此不再详述。1.4溶氧仪溶氧电极有两种类型：原电池法溶氧电极和极谱法溶氧电极。国内最常用的是极谱法溶氧电极。极谱法溶氧电极是由金电极（阴极）和银电极（阳极）及氯化钾或氢氧化钾电解液组成，氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路。当给溶解氧分析仪电极加上0.6 0.8V （常用0.68V）的极化电压时 (如何产生准确的极化电压是非常重要的)，氧通过膜扩散，阴极释放电子，阳极接受电子，产生电流，整个反应过程为：阳极 Ag+Cl- AgCl+2e- 阴极 O2+2H2O+4e4OH- 根据法拉第定律：流过溶解氧分析仪电极的电流和氧分压（溶氧浓度）成正比，在温度不变的情况下电流和氧浓度之间呈线性关系。溶解氧含量有3 种不同的表示方法：氧分压（mmHg）；百分饱和度（%）；氧浓度（mg/L），这3 种方法本质上没什么不同。 （1）分压表示法：氧分压表示法是最基本和最本质的表示法。根据Henry 定律可得，P=（P o2+P H2O ）0.209，其中，P 为总压；Po2 为氧分压（mmHg）；P H2O 为水蒸气分压；0.209 为空气中氧的含量。（2）百分饱和度表示法：例如将标定溶解氧定为100，零氧时为0，则反应过程中的溶解氧含量即为标定时的百分数。 （3）氧浓度表示法：根据Henry 定律可知氧浓度与其分压成正比，即：C=Po2 a，其中C 为氧浓度（mg/L）；Po2 为氧分压（mmHg）；a 为溶解度系数（mg/mmHgL）。溶解度系数a 不仅与温度有关，还与溶液的成分有关。对于温度恒定的水溶液，a 为常数，则可测量氧的浓度。温度变化影响氧电极的输出电流，造成很大的测量误差。所以，温度补偿是研制溶解氧测量仪的关键部分。在温度不变的情况下溶解氧电极的输出电流和溶液中的氧分压成正比，但是随着溶液温度的变化，有很多因素影响电极的输出电流，主要是由于温度的变化引起膜的氧穿透系数增加和氧在电解质溶液中的扩散系数增大。温度升高，氧电极的输出电流相应的增加。在特定的温度下氧电极的输出电流和被测溶液的氧分压成正比即温度为T时氧电极的输出电流与被测溶液的氧分压的关系可用下式来表示：I(T)=Ko*P+Io (1.4-1)其中Ko为温度为T时电极的斜率，Io为氧分压为零时的电极输出电流即电极的零点。电极输出的电流信号经信号处理电路运算和放大，得到一个电压信号，则(1.4-1)式可以写为：V(T)=K*P+Vo (1.4-2)其中K为温度为T时经过线性放大后的电极常数，Vo为氧分压为零时的电路输出电压。根据Whitman的双膜理论，在双膜交界面处，气相中气体的氧分压P与溶液中C的浓度处于平衡状态，根据Henry定律P = CxH 可以得到：C = P/H = P (1.4-3)上式中： C为氧气的溶解度(mgL)P为氧分压H为Henry系数为本生系数，随着温度的升高，会随着降低。根据1.4-2和1.4-3可以的出温度为T时氧气的溶解度为：C(T) = (V(T)-Vo)* /K = K(T)* (V(T)-Vo)(1.4-4)其中K(T)为温度为T时的电极常数。由上面的分析可知要想准确的测量出溶解氧的浓度，必须得到不同温度下的电极常数K(T)由(1.4-4)式可得到K(T)为：K(T) = C(T)/(V(T)-Vo)(1.4-5)由上式可以看出，只要知道在不同温度下已知溶液的氧的溶解度，通过二次仪表测量出不同温度下的一个输出电压，然后计算出不同温度下的一个电极常数。一般取温度的分辨度为0.5，即温度每变化0.5就算出一个电极常数，然后把不同温度下的电极常数制作出一张表格。测量时就可以通过查表对测量结果进行温度补偿。仪器在测量前都要进行标定，标定包括零点标定和斜率标定。首先我们进行零点标定，即溶解氧为零时仪器的输出电压V(T1)其次我们标定电极的斜率常数，即在已知氧浓度的溶液中标定电极的斜率常数。假设在温度为T1时标定的电极常数为K(T1)。在温度为To时进行测量，仪器的输出电压为V(To)，通过查找不同温度下的电极常数表得到温度为T0时的电极常数为K(T0)和T1时的电极常数K(T1)，则溶液中的溶解度C(T0)为：C(T0) = K(T0)*K(T1)/K(T1)*V(T0)-V(T1)（1.4-6）1.5，多参数测量仪：将上述4种仪器整合在一起，在使用不同的电极时，可以对不同的参数进行测量。详见电路部分设计。1.6， 配套产品：磁力搅拌器、电极架磁力搅拌器是利用磁性物质同性相斥的特性，通过不断变换基座两端的极性来推动磁性搅拌子转动。有些磁力搅拌器还具有加热的作用。磁力搅拌器的控制电路主要用于控制转子的转速，使转速在0-2300转/分之间均匀可调。电极架用于固定电极，要求可同时固定多支电极，并使电极可以方便的移位。二, 仪器设计应遵守的相关检验标准1， JJG376-2007电导率仪检定规程2， JJG919-2008PH计检定仪检定规程3， JJG291-2008覆膜电极溶解氧测定仪检定规程三， 机械部分设计几款仪器因功能相近，体积相似，可以考虑使用同一套外壳，甚至可以使用同一种操作面板，以最大限度的节约开发及生产成本。机械部分主要包括：仪器外壳，控制面板，磁力搅拌器外壳、磁力转子、搅拌子，万向电极架等几部分。如下几种外形结构可供参考：上海雷磁台式仪器的外观及电极架三信电导率仪PH计溶氧仪等台式系列仪器的外观及万向电极架雷磁最新推出的使用触摸屏的高端仪器。三信的两款磁力搅拌器四， 电路部分设计4.1， 电路分析PH计的电路主要包括如下部分：开发平台（控制系统），微电压差分放大电路，温度测量电路，模数（ADC）转换电路，键盘显示电路。ORP计的电路主要包括如下部分：开发平台，微电压差分放大电路，模数（ADC）转换电路，键盘显示电路。电导率仪的电路主要包括如下部分：开发平台，交流极化电路，微电流采样放大电路，温度测量电路，模数（ADC）转换电路，键盘显示电路。溶氧仪的电路主要包括如下部分：开发平台，0.68V直流极化电路，微电流采样放大电路，温度测量电路，模数（ADC）转换电路，键盘显示电路。通过上述对比可以发现，四种仪器共用的电路包括：开发平台，温度测量，模数转换，及键盘显示电路。不共用的电路分别是：A),微电流采样放大电路； B),微电压差分放大电路； C)，交流极化电路； D），直流极化电路。如果进一步深入研究，还可以发现在上述几种不共用的电路中，A、B两种电路还有部分可以共用；C、D两种电路也有部分可以共用。也就是说，四种仪器的电路有很大部分的重合。所以我们可以考虑将他们做在一起。从电路板的角度来说，并没有增加多少空间，且在每种电路使用时，不焊接自己不使用的那部分电路。这样，整个电路的生产成本并没有明显增加。且方便了电路的维护，并降低了研发成本。也可以将所有电路全部使用，并对软件进行整合。这样就成了多参数测量仪，用户仅需更换不同的电极，即可在一台仪器上检测所有四种仪器的参数。4.2， 开发平台选型：4.2.1， 硬件平台选择32位ARM内核单片机STM32F103RC，该单片机优点如下： 1），高性能：CPU采用ARM cortexM3内核，处理速度快，72MHz主频。2），大容量存储空间：256K FLASH,48K SRAM.3）, 丰富的外设：集成了3个16通道12位ADC(模数转换器)，2个12位DAC,各类通信接口：SPI、I2C、232、USB、SDIO等。4），DMA动态内存存储，方便于数据存取。5），良好的开发环境，JTEG编程、仿真，方便于现场调试。6），LQFP64封装，端口多，体积小，方便于系统的小型化。7），ST相同封装的产品丰富，管脚兼容，便于日后的产品升级优化。8），低廉的价格：只要30多元，性价比极高。4.2.2 软件平台考虑使用uc/os-II操作系统，该操作系统优点如下：1），源码公开，免费。2），程序可移植，可固化，可裁剪。3），实时多任务，可同时执行多达56个用户任务。4），稳定可靠，按其规范编写程序，可避免程序员写裸机程序时的各种程序漏洞。4.3, 键盘显示电路：4.3.1, 显示屏有三种选择：1），使用128*64点阵的图形点阵模块，类似我们水机及泵上的LCD。价格60-100元.2）,使用定制的位段式LCD屏+背光片，行业内大多使用这种方式，显示效果见第三部分雷磁及三信的仪器。这种屏定制费用较高（约3000-8000元），且需要一定的起定量。但有量后的生产成本较低。单片10元左右。3），320*240点阵的触摸屏。参见第三部分雷磁最新推出的高端仪器。用这种屏成本较高（约500元/块），但用户体验较好，界面可以做的较精美，适于在高端仪器上使用。4.3.2 键盘电路键盘控制电路较简单，使用按键的数量及功能需根据操作界面的设计再做考虑。4.4，模数转换电路根据仪器的精度，选择相应精度的AD/DA芯片。模数转换电路用于将采集的电导模拟信号转换为单片机能够识别的数字信号。在精度要求较低仪器中，可使用单片机自带的AD/DA芯片，从而降低成本。4.5，温度测量电路温度电极采用PT100铂电阻，控制电路如图所示，对采样信号放大并加以限幅。放大芯片的选择要综合考虑系统电源的情况及信号精度的要求。4.6，微电流采样放大电路及交流极化电路：下图上半部分是电导电极的极化电路，下半部分从左向右依次为电导信号的分段测量电路、采样保持电路、信号范围及极性调整电路。因为电路中的信号为交流脉冲信号，所以几部分的工作时序要保持一定的逻辑一致。交流脉冲信号由系统平台部分产生。4.7，微电压差分放大电路PH计和ORP计中微电压信号的差分放大电路如下图所示：4.8，直流极化电路借用4.6中的交流极化电路，在隔离直流信号的电容处，并接一路直流通路，让其互斥选通，即可实现直流极化电压的输出。4.9, 通信接口：预留RS232接口及USB接口，用于后续功能的开发。包括与上位机的通信，及外接打印机。4.10， 磁力搅拌器电路：磁力搅拌器电路的主要功能是控制直流电机的均匀调速。若使用单相罩极异步电动机，则使用TPIC2101N脉宽调制芯片进行PWM调速，若使用空心杯电机，则直接搭建一个调压电路，均匀调接电压即可对电机均匀调速。五，后续可开发的产品系列：首先开发的这套仪器为台式系列，主要应用于实验室。后续还可开发工业用系列及便携式系列的相关产品。工业用系列，外界干扰比较大，对仪器及电极的抗干扰性要求大，需选用工业电极。对功耗要求较低。便携式系列，精度要求低，是对台式系列仪器的精简。要使用电池供电，电路设计偏重于考虑低功耗。六，产品的成本分析该系列产品开发成功后，主要