專利名稱：酸堿度測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測試儀器，尤其涉及一種在工業(yè)監(jiān)控過程中測定溶液酸堿度的測試儀器。
背景技術(shù)：
在化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對溶液的酸堿度(PH值)進行實時監(jiān)測和自動調(diào)節(jié)，此時就需要一種酸堿度測試儀(PH儀)來測定溶液的酸堿度。通常，酸堿度測試儀亦稱氫離子濃度分析儀，它包括三個核心部分電極單元、前端調(diào)理單元和后端分析輸出單元，電極單元向前端調(diào)理單元輸出毫伏數(shù)量級的采樣電信號，前端調(diào)理單元放大采樣電信號并輸出至后端分析輸出單元，由后端分析輸出單元完成對測量結(jié)果的分析比較和輸出。在實際工作過程中，電極單元需要安裝在現(xiàn)場，但是現(xiàn)場的工作環(huán)境惡劣、干擾復(fù)雜，前端調(diào)理單元往往不能也工作在現(xiàn)場，因此在電極單元和前端調(diào)理單元之間就需要連接較長的線纜，由于電極單元向前端調(diào)理單元輸出的電信號較小，通過較長的線纜信號衰減較大并且容易受到外界干擾，又由于電極單元內(nèi)阻很大(通常為1010～1012Ω)，因此這就要求提高前端調(diào)理單元的輸入阻抗，使其和電極單元的內(nèi)阻至少保持在同樣的數(shù)量級以上，以保證正確的信號調(diào)理和酸堿度測試儀的整體測量精度?，F(xiàn)有技術(shù)中常采用下述方法來提高輸入阻抗方法一，直接使用高阻抗線纜連接電極單元和前端調(diào)理單元；方法二，前端調(diào)理單元使用高阻抗印刷電路板或者使用高阻抗絕緣材料將前端調(diào)理單元和低阻抗印刷電路板隔離開。上述兩種處理方法雖然能夠提高輸入阻抗，但是為實際測量帶來不便，而且采用高阻抗的線纜成本較高。因此人們一直不斷探索如何提高PH儀的測試精度、降低它的成本。例如申請?zhí)枮?7202045，名稱為“帶電極內(nèi)阻和輸入阻抗補償?shù)腜H計”的中國實用新型專利文獻中就公開了一種酸堿度(PH)計，它是在電極和高輸入阻抗模擬放大器之間附加一個測量電極內(nèi)阻和輸入阻抗的測量電路，測量出電極內(nèi)阻和輸入阻抗，再用單片機對測量值進行補償，提高了測試精度。上述PH計雖然能夠提高測量精度，但是需要增加一個測量電路，這同樣為測試帶來不便，也增加酸堿度測試儀的整體成本；而且，由于后端分析輸出單元與前端調(diào)理單元組合在一起不能分離，使得在實際應(yīng)用中，不能根據(jù)具體的測試精度要求來選擇不同精度的后端分析輸出單元。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有較高測量精度和較低成本并且使用方便的酸堿度測試儀。
本發(fā)明提供的酸堿度測試儀包括電極單元、前端調(diào)理單元和后端分析輸出單元，所述電極單元通過所述前端調(diào)理單元連接所述后端分析輸出單元，所述電極單元采集對應(yīng)于待測溶液酸堿度的電信號并輸出至所述前端調(diào)理單元，所述前端調(diào)理單元放大所述電信號并輸出到所述后端分析輸出單元進行分析比較并輸出測量結(jié)果，所述電極單元和所述前端調(diào)理單元封裝于密閉玻璃容器中，所述前端調(diào)理單元由直流電源供電，所述前端調(diào)理單元引出第一端子和第二端子到密閉玻璃容器外部，通過普通線纜連接所述后端分析輸出單元。
所述后端分析輸出單元包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。所述前端調(diào)理單元包括運算放大電路，所述前端調(diào)理單元輸出伏特數(shù)量級信號給所述后端分析輸出單元。
所述直流電源為電池，所述電池封裝在所述密閉容器中。
所述運算放大電路為低功耗運算放大電路。
所述前端調(diào)理單元與所述后端分析輸出單元采用兩線制連接方式，兩根連接線連接后端分析輸出單元。
所述直流電源為密閉容器外部的直流電源。
所述前端調(diào)理單元和所述后端分析輸出單元采用四線制連接方式，兩根連線連接所述密閉容器外部的直流電源，另外兩根連線連接所述后端分析輸出單元。
本發(fā)明提供的酸堿度測試儀由于將電極單元和前端調(diào)理單元封裝在密閉容器中，提高了抗干擾性和測量精度，省去了電極單元和前端調(diào)理單元之間的高阻抗連線，降低了成本；同時，由于前端調(diào)理單元將采樣信號由毫伏數(shù)量級放大到伏特數(shù)量級，提高了信號的抗干擾能力，使得前端調(diào)理單元和后端分析輸出單元之間使用普通線纜連接即可，而無需使用價格昂貴的屏蔽線或雙絞線進行連接，大大降低了成本。而且，由于后端分析輸出單元能夠與前端調(diào)理電路分離，在實際應(yīng)用中可以根據(jù)不同的測試精度要求來選擇不同精度的后端分析輸出單元，既提高了測量精度同時又提高了測試儀的靈活性。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。
圖1是本發(fā)明酸堿度測試儀原理框圖；圖2是本發(fā)明酸堿度測試儀近距離應(yīng)用的實施例圖；圖3是本發(fā)明酸堿度測試儀遠距離應(yīng)用的實施例圖；圖4是本發(fā)明前端調(diào)理單元第一實施例的電路圖；圖5是本發(fā)明前端調(diào)理單元第二實施例的電路圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明酸堿度測試儀原理框圖。如圖1所示，本發(fā)明酸堿度測試儀5包括電極單元1、前端調(diào)理單元2和后端分析輸出單元3。電極單元1通過前端調(diào)理單元2連接后端分析輸出單元3。本發(fā)明提供的酸堿度測試儀的電極單元1可以為復(fù)合電極也可以為分離式的電極，但都包括參考電極和采樣電極(圖未示)，電極單元1用于采樣待測溶液的酸堿度并輸出對應(yīng)的電信號，前端調(diào)理單元2包含運算放大電路，用于放大輸入的采樣電信號；后端分析輸出單元3包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，用于對放大后的電信號進行分析處理，判斷出采樣電信號對應(yīng)的酸堿度的值，并輸出該溶液的PH值。電極單元1和前端調(diào)理單元2一起封裝在密閉玻璃容器4中，該密閉玻璃容器4下部開有一個可供離子通過的小孔；后端分析輸出單元3相對于封裝在一起的電極單元1和前端調(diào)理單元2是獨立的，其位于密閉玻璃容器4之外。應(yīng)用本發(fā)明酸堿度測試儀5測定溶液的酸堿度時，將玻璃容器4插入待測溶液中，溶液中的氫離子通過玻璃容器4中的小孔與采樣電極中的金屬離子進行交換，產(chǎn)生電位差，所述的電位差與溶液中的氫離子濃度成正比，也就是與溶液的酸堿度(PH值)相對應(yīng)，上述的電位差就是采樣信號，其大小為毫伏數(shù)量級，電極單元1將上述采樣信號輸出至前端調(diào)理單元2中，前端調(diào)理單元2利用所述運算放大電路將電極單元1傳送來的毫伏數(shù)量級的采樣信號放大為伏特數(shù)量級的電信號，然后將上述0～3V或0～5V的電信號輸出至后端分析輸出單元3，信號為0～3V還是0～5V需要根據(jù)后端分析輸出單元3的信號范圍確定。后端分析輸出單元3采用的微控制器可以為單片機，其中存儲有電極單元1的電信號值同酸堿度(PH值)的對應(yīng)表。前端調(diào)理單元2輸出的電信號通過后端分析輸出單元3的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到微控制器，微控制器根據(jù)輸入來的電信號以及上述的對應(yīng)表來分析判斷待測溶液所對應(yīng)酸堿度(PH值)，將上述數(shù)值通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換后以數(shù)值顯示或其他方式輸出。后端分析輸出單元3輸出測試結(jié)果的方式不僅僅局限于數(shù)值顯示的形式，還可以有其它的形式，例如以電流形式輸出測量結(jié)果等，只是需要增加相應(yīng)的外圍電路即可。同時，后端分析輸出單元3的微控制器也不僅僅局限于單片機，還可以為可編程控制器等其它智能控制器件，只是根據(jù)不同的智能控制器件來增加不同的外圍電路。同樣，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)可以集成于微控制器之中，也可以是作為微控制器外圍電路的分立電路。
圖2是本發(fā)明酸堿度測試儀近距離應(yīng)用的實施例圖。圖2中所示的酸堿度測試儀應(yīng)用于近距離測試。如圖2中所示，采樣電極26和參考電極27構(gòu)成圖1所示的電極單元1；后端分析輸出單元2a對應(yīng)于圖1所示的后端分析輸出單元3；玻璃容器28對應(yīng)于圖1所示的密閉玻璃容器4；運算放大電路24和電池23構(gòu)成圖1所示的前端調(diào)理單元2，電池23直接對運算放大電路24提供正常工作的直流電壓，若運算放大電路24工作電壓為5V則電池23采用5V電池，若運算放大電路24工作電壓為3V則電池23采用3V電池。運算放大電路24和直流供電電池23與采樣電極26和參考電極27一起封裝在玻璃容器28之內(nèi)，玻璃容器28下部開有一個可供離子通過的小孔29。采樣電極26和參考電極27通過電極連線25連接運算放大電路24的兩個不同的輸入端，采樣電極26連接運算放大電路24的同相端，參考電極27連接運算放大電路24的反向端，運算放大電路24的輸出引出玻璃容器28，形成兩個輸出端子即第一端子21和第二端子22，通過兩線制連接方式連接后端分析輸出單元2a，也就是前端調(diào)理單元與后端分析輸出單元2a之間只有兩根數(shù)據(jù)線連接，如圖2所示。用本發(fā)明提供的酸堿度測試儀測量溶液酸堿度時，將封裝有運算放大電路24、直流供電電池23與采樣電極26和參考電極27的玻璃容器28浸入待測溶液中，溶液中的氫離子穿過玻璃容器28上的小孔29，與采樣電極26的金屬離子進行交換，產(chǎn)生與PH值相對應(yīng)的電位差，上述的電位差也就是采樣信號，其對應(yīng)于不同的氫離子濃度，大小為毫伏數(shù)量級，該電信號通過電極連線25輸入到運算放大電路24的同向輸入端，參考電極27將參比信號輸入到運算放大電路24的反向輸入端，運算放大電路24由電池23提供正常的工作電壓，將上述輸入的毫伏數(shù)量級信號放大為伏特數(shù)量級，并將放大后的0～3V或0～5V采樣信號通過連接在玻璃容器28第一引出端子21和第二引出端子22的連線輸出到后端分析輸出單元2a，由其對傳輸來的信號進行分析比較、判斷出溶液對應(yīng)的酸堿度值(PH值)，并輸出溶液酸堿度的數(shù)值。由于運算放大電路24已經(jīng)將毫伏數(shù)量級的采樣信號放大到了伏特數(shù)量級，大大提高了其抗干擾的能力，因此第一引出端子21、第二引出端子22和后端分析輸出單元2a的之間的連線可以采用普通的電纜，而無需采用價格高昂的雙絞線或屏蔽線。后端分析輸出單元2a包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)。前端調(diào)理單元2輸出的電信號通過后端分析輸出單元2a的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到微控制器，微控制器根據(jù)輸入來的電信號以及上述的對應(yīng)表來分析判斷待測溶液所對應(yīng)酸堿度(PH值)，將上述數(shù)值通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換后以數(shù)值顯示或其他方式輸出。
需要指出的是，與電池23一起封裝于密閉容器28中的運算放大電路24采用低功耗運算放大電路，這樣，由于功耗較低，電池23可以提供3～6個月的正常供電，而這一供電時間與電極單元的使用壽命大致相同，這樣可以避免電極單元依然可以正常工作，但是電池的電能已經(jīng)消耗殆盡，從而使得酸堿度測試儀不能正常工作而帶來的極大浪費。
圖3是本發(fā)明酸堿度測試儀遠距離應(yīng)用的實施例圖。圖3中所示的酸堿度測試儀應(yīng)用于遠距離測試。如圖3中所示，采樣電極38和參考電極37構(gòu)成圖1所示的電極單元1；運算放大電路35對應(yīng)于圖1所示的前端調(diào)理單元2，運算放大電路35由外部電源提供正常工作的直流電壓；后端分析輸出單元39對應(yīng)于圖1所示的后端分析輸出單元3，玻璃容器3a對應(yīng)于圖1所示的密閉玻璃容器4。運算放大電路35與采樣電極38和參考電極37一起封裝在玻璃容器3a之內(nèi)，玻璃容器3a下部開有一個可供離子通過的小孔3b。采樣電極38和參考電極37通過電極連線36連接運算放大電路35的兩個不同的輸入端，采樣電極38連接運算放大電路35的同相端，參考電極37連接運算放大電路35的反向端，運算放大電路35的輸出引出玻璃容器3a，在玻璃容器3a外部形成兩個輸出端子第一端子31、第二端子32，通過連線連接后端分析輸出單元39，外部電源通過玻璃容器3a外部的第三端子33和第四端子34為前端調(diào)理單元供電，供電電壓范圍在5V～36V，確切值視現(xiàn)場的具體情況和傳輸距離而定。如圖3所示，應(yīng)用于遠距離測試的酸堿度測試儀采用四線制連接方式，也就是前端調(diào)理單元與后端分析輸出單元39之間連接四根連線，其中連接第一端子31和第二端子32的兩根數(shù)據(jù)線用于將運算放大電路35輸出的放大后的采樣信號輸出到后端分析輸出單元39，連接于第三端子33和第四端子34的兩根電源線用于為運算放大電路35供電。利用上述結(jié)構(gòu)的酸堿度測試儀進行測試時，將封裝有運算放大電路35與采樣電極38和參考電極37的玻璃容器3a浸入待測溶液中，溶液中的氫離子穿過玻璃容器3a上的小孔3b，與采樣電極38上的金屬離子進行交換產(chǎn)生電位差，這個電位差對應(yīng)于氫離子的濃度，也就是對應(yīng)于溶液的酸堿度。上述電位差就是采樣信號，該采樣電信號大小為毫伏數(shù)量級，通過電極連線36輸入到運算放大電路35的同向輸入端，參考電極37將參比信號輸入到運算放大電路35的反向輸入端，運算放大電路35由外部電源提供正常的工作電壓，將上述輸入的毫伏數(shù)量級信號放大為伏特數(shù)量級，并將放大后的采樣信號(0～3V或0～5V)通過連接在玻璃容器3a第一引出端子31和第二引出端子32的連線輸出到后端分析輸出單元39，由其對傳輸來的信號進行分析比較，輸出溶液對應(yīng)的酸堿度值(PH值)。由于運算放大電路35已經(jīng)將毫伏數(shù)量級的采樣信號放大到了伏特數(shù)量級，大大提高了其抗干擾的能力，因此第一引出端子31、第二引出端子32和后端分析輸出單元39的連線可以采用普通的電纜，而無需采用價格高昂的雙絞線或屏蔽線。后端分析輸出單元39包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)。前端調(diào)理單元2輸出的電信號通過后端分析輸出單元39的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到微控制器，微控制器根據(jù)輸入來的電信號以及上述的對應(yīng)表來分析判斷待測溶液所對應(yīng)酸堿度(PH值)，將上述數(shù)值通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換后以數(shù)值顯示或其他方式輸出。
圖4是本發(fā)明前端調(diào)理部分第一實施例的電路圖。本實施例中運算放大電路采用美國TI公司的INA116系列低功耗運算放大器，具體的電氣連接關(guān)系如圖4所示。采樣電極42和參考電極43構(gòu)成電極部分，運算放大器44對應(yīng)于前端調(diào)理電路，采樣電極42連接運算放大器44的同向輸入端6，參考電極43連接運算放大器44的反向輸入端3，運算放大器44的管腳13連接直流電源的+15V，管腳8連接直流電源的-15V，為運算放大器44提供工作電壓。管腳1和管腳16之間連接一個電阻，本實施例中電阻阻值為5.62kΩ。運算放大器44的管腳9接地，管腳11為運算放大器44的輸出端口Vo。采樣電極42和參考電極43將毫伏數(shù)量級采樣信號輸入到運算放大器44，經(jīng)運算放大器44放大為伏特數(shù)量級的電信號(0～3V或0～5V)，由運算放大器44的管腳11輸出至后端分析輸出單元。測試時，將采樣電極42和參考電極43插入待測溶液中，并在待測溶液中接入?yún)⒖嫉?，為其提供基準的地信號。溶液中的氫離子流向采樣電極42，同采樣電極的金屬離子進行交換，形成對應(yīng)于溶液酸堿度的電信號并輸入到運算放大器44的同向輸入端6，同時參考電極將參考信號輸入運算放大器44的反向輸入端3，上述電信號的大小為毫伏數(shù)量級。運算放大器44將輸入的采樣信號放大為伏特數(shù)量級，并通過其端口11輸出到后端分析輸出單元，由后端分析輸出單元判斷出待測溶液所對應(yīng)的酸堿度(PH值)并輸出該測量值。
圖5是本發(fā)明前端調(diào)理部分第二實施例的電路圖。本實施例中，運算放大電路采用美國MAXIM公司的其他系列運放，例如MAX406、407、409、417、418、419運放，具體的電氣連接關(guān)系如圖5所示。圖5中所示的為圖1中的電極單元1和前端調(diào)理單元2的組合電路圖。電極單元51對應(yīng)與圖1所示的電極單元1，包含采樣電極和參考電極，前端調(diào)理單元為MAXIM公司的放大器MAX406。運算放大器52的正相輸入端連接采樣電極，反相端連接至輸出端形成負反饋，運算放大器52的正負電源端口連接3V直流電源，同時，3V供電電池的正負極間還連有兩個10M的阻抗，兩個阻抗的連接點再連接PH電極的參考電極，同時作為輸出的公共端。測試時，將電極單元51浸入待測溶液中，溶液中的氫離子同采樣電極的金屬離子進行交換，形成電位差，采樣電極輸出的電位差對應(yīng)于溶液中氫離子的濃度數(shù)量，該采樣信號輸出至運算放大器52的正相輸入端口，該電信號為毫伏數(shù)量級的信號，運算放大器52根據(jù)參考電極和采樣電極的信號，將輸入的電信號放大為伏特數(shù)量級的信號(0～3V或0～5V)，并輸出至后端分析輸出單元，由其對采樣信號進行比較分析并輸出測量結(jié)果。在本實施例中，直流電源的電壓為3V，兩個電阻為10MΩ。
需要指出的是，在具體的應(yīng)用中，需要根據(jù)實際情況來確定是否需要低功耗運算放大器并確定具體的型號。對于應(yīng)用于近距離測試的前端調(diào)理電路，建議采用低功耗的運放；對于遠距離測試的前端調(diào)理電路，可選用非低功耗的運放。當然，可以采用的低功耗運放并不僅僅局限于美國TI公司的INA116運放系列和美國MAXIM公司的運放系列，也可以采用其他公司其他系列的運放，只是需要根據(jù)不同的運放連接不同的外圍電路并確保運放的輸入阻抗在1010Ω以上。
進一步需要指出的是，本發(fā)明不僅僅局限于以上所述的優(yōu)選實施方式。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種酸堿度測試儀，包括電極單元、前端調(diào)理單元和后端分析輸出單元，所述電極單元通過所述前端調(diào)理單元連接所述后端分析輸出單元，所述電極單元采集對應(yīng)于待測溶液酸堿度的電信號并輸出至所述前端調(diào)理單元，所述前端調(diào)理單元放大所述電信號并輸出到所述后端分析輸出單元進行分析比較并輸出測量結(jié)果，其特征在于，所述電極單元和所述前端調(diào)理單元封裝于密閉玻璃容器中，所述前端調(diào)理單元由直流電源供電，所述前端調(diào)理單元引出第一端子和第二端子到密閉玻璃容器外部，通過線纜連接所述后端分析輸出單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述后端分析輸出單元包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述線纜為普通線纜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述前端調(diào)理單元包括運算放大電路，所述前端調(diào)理單元輸出伏特數(shù)量級信號給所述后端分析輸出單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述直流電源為電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述電池封裝在所述密閉容器中。
7.根據(jù)權(quán)利要求4和6所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述運算放大電路為低功耗運算放大電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述前端調(diào)理單元與所述后端分析輸出單元采用兩線制連接方式，兩根連接線連接后端分析輸出單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述直流電源為密閉容器外部的直流電源。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的酸堿度測試儀，其特征在于，所述前端調(diào)理單元和所述后端分析輸出單元采用四線制連接方式，兩根連線連接所述密閉容器外部的直流電源，另外兩根連線連接所述后端分析輸出單元。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在工業(yè)監(jiān)控過程中測定溶液酸堿度的測試儀(5)，它包括電極單元(1)、前端調(diào)理單元(2)和后端分析輸出單元(3)，電極單元(1)通過前端調(diào)理單元(2)連接后端分析輸出單元(3)。電極單元(1)采集對應(yīng)于待測溶液酸堿度的電信號并輸出至前端調(diào)理單元(2)，前端調(diào)理單元(2)放大電信號并輸出到后端分析輸出單元(3)進行分析比較并輸出測量結(jié)果。電極單元(1)和前端調(diào)理單元(2)封裝于密閉玻璃容器(4)中，前端調(diào)理單元(2)由直流電源供電，前端調(diào)理單元(2)引出第一端子和第二端子到密閉玻璃容器(4)外部，通過線纜連接后端分析輸出單元(3)。采用上述結(jié)構(gòu)的酸堿度測試儀不僅提高了測量精度，而且有效降低了成本。
文檔編號G01N27/26GK1547002SQ20031011698
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者陳健, 江竹軒, 吳忠, 祝海強, 陳 健 申請人:浙江中控技術(shù)股份有限公司