專利名稱：高精度智能酸度計及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明公開了一種高精度智能酸度(PH)計及其測量方法，屬于電子測控領域。
背景技術：
隨著科學研究的發(fā)展和生產 技術的進步，水分的定量分析已被列為各類物質理化分析的基本項目之一，作為各類物質的一項重要的質量指標，其PH值更是測定的重要數據。另外，對生產過程中或者涉及環(huán)境保護中液體、固體混合物PH值的測量和控制要求也日趨增多，所以作為分析儀表酸度計的使用也越來越普及了。酸度計簡稱PH計，由電極和測量電路兩部分組成。使用中若能夠合理維護電極、按要求配制標準緩沖液和正確操作電計，可大大減小PH示值誤差，從而提高化學實驗、醫(yī)學檢驗數據的可靠性?，F有的PH計，大多采用手工方法進行校驗，溫度補償也是采用手動調節(jié)旋鈕的方式進行，這種方法存在操作繁瑣、受環(huán)境影響較大和精度過低的缺陷。同時，生產過程用PH計的維護工作量很大，如PH可能經常發(fā)生零點漂移、量程變化的問題，而人工校驗PH計的工作量較大，且影響PH計的正常測量工作。為了克服以上缺陷，用自動校驗取代人工校驗，并且增加溫度自動校準功能，是智能化PH計的發(fā)展趨勢。PH計的自動校驗裝置近年來發(fā)展很快，它的發(fā)展是建立在PH計自動清洗裝置、傳感器在線自診斷功能的基礎上的，因為要進行自動校驗，前提是電極的清洗和標準液的準確。而傳感器可以為PH計的自動校驗提供基礎數據。

發(fā)明內容
技術問題現有的PH計，大多采用手工方法進行校驗，溫度補償也是采用手動調節(jié)旋鈕的方式進行，這種方法存在操作繁瑣、受環(huán)境影響較大和精度過低的缺陷。同時，生產過程用PH計的維護工作量很大，如PH可能經常發(fā)生零點漂移、量程變化的問題，而人工校驗PH計的工作量較大，且影響PH計的正常測量工作。一般地，標準溶液的濃度都是25° C環(huán)境溫度下測得的PH值，當環(huán)境溫度變化，標準溶液的PH值也隨之有所變化；目前大多數PH計沒有溫度校正功能，影響了 PH值的測量精度。同時，對于不同的標準溶液和待測溶液，PH電極輸出的溶液mV值的范圍較大，經過運算放大器放大后，一般都在O 土 1999. 9mV ;常規(guī)的PH計都采用同一組放大電路進行放大，這樣對于一些小信號用大量程轉換而降低了分辨率，也影響了低濃度PH值的測量精度。另外，用來標定的標準溶液一般是固定的3種左右，PH計必須獲取這些標準溶液的PH值才能進行計算；常規(guī)的PH計都是在一點校正和二點校正時手工輸入溶液的PH值，這樣不但操作使用不便，還可能造成人為誤差。技術方案本發(fā)明的目的在于克服傳統PH計的上述缺陷，提出一種高精度智能酸度(PH)計及其測量方法，采用如下技術方案
一種高精度智能酸度計，包括單片機電路、A/D轉換電路、人機接口電路和電源電路，A/D轉換電路和人機接口電路分別與單片機電路連接，其特征在于，A/D轉換電路包括溫度傳感器、PH傳感器、第一運算放大器、第二運算放大器、多路模擬開關和A/D轉換器，溫度傳感器、PH傳感器的輸出分別經第一、第二運算放大器連接至多路模擬開關其中一個通道的多個輸入端，所述其中一個通道的輸出端與A/D轉換器連接，多路模擬開關的另一個通道的輸出端連接到第二運算放大器的反相輸入端，所述另一個通道的其中兩個輸入端分別連接不同阻值的電阻，供量程切換，多路模擬開關的地址端與單片機電路連接。所述高精度智能酸度計的測量方法，其特征在于溫度補償方法，采用溫度傳感器測量環(huán)境溫度，對非標準溫度的標準溶液進行校正，單片機電路根據不同的溫度范圍采用不同公式進行計算，得到環(huán)境溫度下的標準溶液的PH值，具體方法如下一點校正時
O。C 50。C PH1=O. 0000483t12-0. 001266t1+4. 004...... (I)50° C 60° C PH1=O. 0000483&2-0· 001266^+3. 994...... (2)其中，PH1表示一點校正標準溶液的測量PH值，表示一點校正所測得的環(huán)境溫度值；二點校正時0° C 50° C PH2=O. 00006875t22-0. 00631 lt2+6. 979...... (3)50° C 60° C PH2 = O. 0000776t22-0. 01268t2+9. 453...... (4)其中，PH2表示二點校正標準溶液的測量PH值，t2表示二點校正所測得的環(huán)境溫度值。在進行一點校正和二點校正時，根據PH傳感器所測標準溶液的毫伏值，經運算放大器放大后，單片機電路對放大后的毫伏值進行采集，并依據不同標準溶液的毫伏值范圍自動識別標準溶液。有益效果I、本發(fā)明的酸度計采用量程的自動切換，用不同阻值的電阻構成兩種不同的反饋電路，與多路模擬開關的2個輸入通道連接，單片機通過選擇模擬開關通道地址，選擇相應的通道，根據PH電極輸出的溶液mV值的大小，實現量程范圍O ±399. 9mV和O ±1999. 9mV之間自動切換，避免了小信號大量程轉換(俗話說的大秤稱小物)，提高了小信號的分辨率，提高了低濃度溶液的測量精度。2、本發(fā)明的酸度計，多路模擬開關連接在運算放大器的反饋電路中，多路模擬開關的接通電阻作為運算放大器反饋電阻的一部分，消除了被測信號在模擬開關接通電阻的損耗，提聞了測量精度。3、本發(fā)明的酸度計采用溫度傳感器測量環(huán)境溫度，對非標準溫度(25° C)的標準溶液的進行校正，根據不同的溫度范圍用不同的公式進行計算，得到環(huán)境溫度下的標準溶液的PH值，以此進行溫度補償，提高了測量精度。4、本發(fā)明的酸度計在進行一點校正和二點校正時，根據測得的標準溶液的毫伏(mV)值，自動識別標準溶液的PH值或濃度，無需進行手工輸入，減少了工作量，避免了人工操作可能帶來的誤差，提高了自動化程度。5、本發(fā)明的酸度計及其測量方法大大提高了 PH計的的穩(wěn)定性，能夠達到O. 001的測量精度。


圖I是本發(fā)明專利高精度智能酸度(PH)計的結構圖。圖2是本發(fā)明專利的硬件電路圖。圖3是本發(fā)明專利PH電極輸出的標準溶液PH值的范圍示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細闡述如圖I所示為本發(fā)明的高精度智能酸度(PH)計結構圖，所述PH計包括單片機電路 I、A/D轉換電路2、電源電路3、人機接口電路4。電源電路3分別為單片機電路I、A/D轉換電路2、人機接口電路4供電。A/D轉換電路2和人機接口電路4分別與單片機電路I連接。單片機電路I以一個單片機為核心，用以采集和計算數據。人機接口電路4包括LCD、鍵盤和蜂鳴器，用以顯示，輸入信息，報警。A/D轉換電路包括溫度傳感器(測量溫度)、PH傳感器(測量PH值)、第一運算放大器(對溫度傳感器的輸出信號進行放大)、第二運算放大器(對PH傳感器的輸出信號進行放大)、多路模擬開關(在單片機的控制下實現信號的傳輸)和A/D轉換器(將模擬信號轉換為數字信號供單片機處理)。本發(fā)明的高精度智能酸度(PH)計的電路圖如圖2所示，人機接口電路4中的LCD12864 的 RS、R/W、E 與單片機電路 2 的單片機 Ul (AT89C52)的 Pl. 3，Pl. 2，Pl. I 連接，AT89C52 的端口 PO. O、PO. I、PO. 2、PO. 3、PO. 4、PO. 5、PO. 6、PO. 7 和 Pl. 4 分別與人機接口電路4中的鍵盤和蜂鳴器連接，單片機電路2的AT89C52的端口 Pl. 7、P2. 7、P2. 6、P2. 5、P2. 4、P2. 3、P2. 2、P2. I、P2. O、P3. 5、P3. 4、P3. 2 和 P3. 6 與 A/D 轉換電路 2 中 A/D 轉換器U8 (7135) |5々D1、D2、D3、D4、D5、B1、B2、B4、B8、P0L、0R、-STB^P R/-H 相連。A/D 轉換電路2中還包含由555、電容C9、C8以及滑動變阻器R9、R12組成的時鐘電路。溫度傳感器U9 (AD590)的信號輸出端連接至第一運算放大器Ml (LM301)的同相輸入端，第一運算放大器Ml的輸出端連接至多路模擬開關U7 (4052)的X通道的輸入端X3。PH傳感器Ull的信號輸出端連接至第二運算放大器M2 (LM301)的同相輸入端，第二運算放大器M2的輸出端連接至多路模擬開關U7的X通道的輸入端XO和Xl。多路模擬開關U7的X通道的輸出端X連接至7135的+IN、-IN端，其輸出信號經7135轉換成數字信號供單片機處理。多路模擬開關U7的Y通道輸出端Y連接至第二運算放大器M2的反相輸入端。多路模擬開關U7的Y通道輸入端YO和Yl分別連接不同阻值的電阻R14 (75K)和R15 (4. 5K)。多路模擬開關U7的地址端A、B分別連接單片機的端口 Pl. 6和Pl. 5，單片機根據PH電極輸出的溶液mV值的大小，選通相應通道，使電阻R14或R15和多路模擬開關的接通電阻形成串聯，作為第二運算放大器M2的反饋電阻，一方面可以實現量程范圍O ±399. 9mV和O ±1999. 9mV之間自動切換，另一方面還可以消除被測信號在模擬開關接通電阻的損耗，提高了測量精度。I、測量方法I. I、預置
PH0=7. 593 SLOPE0=O. 19841t+54. 195PH0表示預置PH值，SLOPE0表示預置斜率。
權利要求
1.一種高精度智能酸度計，包括單片機電路、A/D轉換電路、人機接口電路和電源電路，A/D轉換電路和人機接口電路分別與單片機電路連接，其特征在于，A/D轉換電路包括溫度傳感器、PH傳感器、第一運算放大器、第二運算放大器、多路模擬開關和A/D轉換器，溫度傳感器、PH傳感器的輸出分別經第一、第二運算放大器連接至多路模擬開關其中一個通道的多個輸入端，所述其中一個通道的輸出端與A/D轉換器連接，多路模擬開關的另一個通道的輸出端連接到第二運算放大器的反相輸入端，所述另一個通道的其中兩個輸入端分別連接不同阻值的電阻，供量程切換，多路模擬開關的地址端與單片機電路連接。
2.如權利要求I所述的高精度智能酸度計，其特征在于PH傳感器輸出的信號經第二運算放大器放大后，接入多路模擬開關的X通道輸入端XO和XI。
3.如權利要求I所述的高精度智能酸度計，其特征在于溫度傳感器輸出的信號經第一運算放大器放大后，接入多路模擬開關的X通道輸入端X3。
4.如權利要求f3任一所述的高精度智能酸度計，其特征在于多路模擬開關的Y通道的輸出端連接到第二運算放大器的反相輸入端，其輸入端YO和Yl分別連接不同阻值的電阻。
5.如權利要求I所述高精度智能酸度計的測量方法，其特征在于溫度補償方法，采用溫度傳感器測量環(huán)境溫度，對非標準溫度的標準溶液進行校正，單片機電路根據不同的溫度范圍采用不同公式進行計算，得到環(huán)境溫度下的標準溶液的PH值，具體方法如下 一點校正時 O T 50 PW1 = 0,00_啤2-0._掘| +4._......O) 5000 60T JW1 = 0.0細則3^-0X101 腳I1+!.酬(2) 其中，/匆表示一點校正標準溶液的測量PH值，tx表示一點校正所測得的環(huán)境溫度值； 二點校正時 O0(7 500C PHi = 0,000068 2-OMmU2 +6:979……(3) 50 T 60 QQ PM2 - OXfOWIftj2-OJIISi2 +9.453….(4) 其中，/ 表示二點校正標準溶液的測量PH值，t2表示二點校正所測得的環(huán)境溫度值。
6.如權利要求5所述高精度智能酸度計的測量方法，其特征在于在進行一點校正和二點校正時，根據PH傳感器所測標準溶液的毫伏值，經運算放大器放大后，單片機電路對放大后的毫伏值進行采集，并依據不同標準溶液的毫伏值范圍自動識別標準溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高精度智能酸度計及其測量方法，其A/D轉換電路包括溫度傳感器、PH傳感器、第一運算放大器、第二運算放大器、多路模擬開關和A/D轉換器，溫度傳感器、PH傳感器的輸出分別經第一、第二運算放大器連接至多路模擬開關其中一個通道的多個輸入端，多路模擬開關連接在第二運算放大器的反饋電路中，其另一通道的兩個輸出端分別連接有不同阻值的電阻。本發(fā)明測量方法在一點、兩點校正時采用自動識別標準液的標定方法，同時采用溫度補償的方法校準標準液和被測液的PH值。本發(fā)明能夠自動識別所標定的標準溶液PH值，能夠根據環(huán)境溫度校準標準液的PH值，減少了人工操作，大大提高了PH值的測量精度。
文檔編號G01N27/00GK102866180SQ201210349408
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權日2012年9月19日
發(fā)明者嚴錫君, 余敏, 嚴妍, 孟祥薇, 孫桐, 王玲玲, 卜旸 申請人:河海大學