专利名称：酸碱度测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测试仪器，尤其涉及一种在工业监控过程中测定溶液酸碱度的测试仪器。
背景技术：
在化工、冶金等工业生产过程中，经常需要对溶液的酸碱度(PH值)进行实时监测和自动调节，此时就需要一种酸碱度测试仪(PH仪)来测定溶液的酸碱度。通常，酸碱度测试仪亦称氢离子浓度分析仪，它包括三个核心部分电极单元、前端调理单元和后端分析输出单元，电极单元向前端调理单元输出毫伏数量级的采样电信号，前端调理单元放大采样电信号并输出至后端分析输出单元，由后端分析输出单元完成对测量结果的分析比较和输出。在实际工作过程中，电极单元需要安装在现场，但是现场的工作环境恶劣、干扰复杂，前端调理单元往往不能也工作在现场，因此在电极单元和前端调理单元之间就需要连接较长的线缆，由于电极单元向前端调理单元输出的电信号较小，通过较长的线缆信号衰减较大并且容易受到外界干扰，又由于电极单元内阻很大(通常为1010～1012Ω)，因此这就要求提高前端调理单元的输入阻抗，使其和电极单元的内阻至少保持在同样的数量级以上，以保证正确的信号调理和酸碱度测试仪的整体测量精度。现有技术中常采用下述方法来提高输入阻抗方法一，直接使用高阻抗线缆连接电极单元和前端调理单元；方法二，前端调理单元使用高阻抗印刷电路板或者使用高阻抗绝缘材料将前端调理单元和低阻抗印刷电路板隔离开。上述两种处理方法虽然能够提高输入阻抗，但是为实际测量带来不便，而且采用高阻抗的线缆成本较高。因此人们一直不断探索如何提高PH仪的测试精度、降低它的成本。例如申请号为87202045，名称为“带电极内阻和输入阻抗补偿的PH计”的中国实用新型专利文献中就公开了一种酸碱度(PH)计，它是在电极和高输入阻抗模拟放大器之间附加一个测量电极内阻和输入阻抗的测量电路，测量出电极内阻和输入阻抗，再用单片机对测量值进行补偿，提高了测试精度。上述PH计虽然能够提高测量精度，但是需要增加一个测量电路，这同样为测试带来不便，也增加酸碱度测试仪的整体成本；而且，由于后端分析输出单元与前端调理单元组合在一起不能分离，使得在实际应用中，不能根据具体的测试精度要求来选择不同精度的后端分析输出单元。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有较高测量精度和较低成本并且使用方便的酸碱度测试仪。
本发明提供的酸碱度测试仪包括电极单元、前端调理单元和后端分析输出单元，所述电极单元通过所述前端调理单元连接所述后端分析输出单元，所述电极单元采集对应于待测溶液酸碱度的电信号并输出至所述前端调理单元，所述前端调理单元放大所述电信号并输出到所述后端分析输出单元进行分析比较并输出测量结果，所述电极单元和所述前端调理单元封装于密闭玻璃容器中，所述前端调理单元由直流电源供电，所述前端调理单元引出第一端子和第二端子到密闭玻璃容器外部，通过普通线缆连接所述后端分析输出单元。
所述后端分析输出单元包括模/数转换器、微控制器和数/模转换器。所述前端调理单元包括运算放大电路，所述前端调理单元输出伏特数量级信号给所述后端分析输出单元。
所述直流电源为电池，所述电池封装在所述密闭容器中。
所述运算放大电路为低功耗运算放大电路。
所述前端调理单元与所述后端分析输出单元采用两线制连接方式，两根连接线连接后端分析输出单元。
所述直流电源为密闭容器外部的直流电源。
所述前端调理单元和所述后端分析输出单元采用四线制连接方式，两根连线连接所述密闭容器外部的直流电源，另外两根连线连接所述后端分析输出单元。
本发明提供的酸碱度测试仪由于将电极单元和前端调理单元封装在密闭容器中，提高了抗干扰性和测量精度，省去了电极单元和前端调理单元之间的高阻抗连线，降低了成本；同时，由于前端调理单元将采样信号由毫伏数量级放大到伏特数量级，提高了信号的抗干扰能力，使得前端调理单元和后端分析输出单元之间使用普通线缆连接即可，而无需使用价格昂贵的屏蔽线或双绞线进行连接，大大降低了成本。而且，由于后端分析输出单元能够与前端调理电路分离，在实际应用中可以根据不同的测试精度要求来选择不同精度的后端分析输出单元，既提高了测量精度同时又提高了测试仪的灵活性。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明酸碱度测试仪原理框图；图2是本发明酸碱度测试仪近距离应用的实施例图；图3是本发明酸碱度测试仪远距离应用的实施例图；图4是本发明前端调理单元第一实施例的电路图；图5是本发明前端调理单元第二实施例的电路图。
具体实施例方式
下面结合附图来详细说明本发明。
图1是本发明酸碱度测试仪原理框图。如图1所示，本发明酸碱度测试仪5包括电极单元1、前端调理单元2和后端分析输出单元3。电极单元1通过前端调理单元2连接后端分析输出单元3。本发明提供的酸碱度测试仪的电极单元1可以为复合电极也可以为分离式的电极，但都包括参考电极和采样电极(图未示)，电极单元1用于采样待测溶液的酸碱度并输出对应的电信号，前端调理单元2包含运算放大电路，用于放大输入的采样电信号；后端分析输出单元3包括模/数转换器(ADC)、微控制器和数/模转换器(DAC)，用于对放大后的电信号进行分析处理，判断出采样电信号对应的酸碱度的值，并输出该溶液的PH值。电极单元1和前端调理单元2一起封装在密闭玻璃容器4中，该密闭玻璃容器4下部开有一个可供离子通过的小孔；后端分析输出单元3相对于封装在一起的电极单元1和前端调理单元2是独立的，其位于密闭玻璃容器4之外。应用本发明酸碱度测试仪5测定溶液的酸碱度时，将玻璃容器4插入待测溶液中，溶液中的氢离子通过玻璃容器4中的小孔与采样电极中的金属离子进行交换，产生电位差，所述的电位差与溶液中的氢离子浓度成正比，也就是与溶液的酸碱度(PH值)相对应，上述的电位差就是采样信号，其大小为毫伏数量级，电极单元1将上述采样信号输出至前端调理单元2中，前端调理单元2利用所述运算放大电路将电极单元1传送来的毫伏数量级的采样信号放大为伏特数量级的电信号，然后将上述0～3V或0～5V的电信号输出至后端分析输出单元3，信号为0～3V还是0～5V需要根据后端分析输出单元3的信号范围确定。后端分析输出单元3采用的微控制器可以为单片机，其中存储有电极单元1的电信号值同酸碱度(PH值)的对应表。前端调理单元2输出的电信号通过后端分析输出单元3的模/数转换器(ADC)转换为数字信号输入到微控制器，微控制器根据输入来的电信号以及上述的对应表来分析判断待测溶液所对应酸碱度(PH值)，将上述数值通过数/模转换器(DAC)转换后以数值显示或其他方式输出。后端分析输出单元3输出测试结果的方式不仅仅局限于数值显示的形式，还可以有其它的形式，例如以电流形式输出测量结果等，只是需要增加相应的外围电路即可。同时，后端分析输出单元3的微控制器也不仅仅局限于单片机，还可以为可编程控制器等其它智能控制器件，只是根据不同的智能控制器件来增加不同的外围电路。同样，模/数转换器(ADC)和数/模转换器(DAC)可以集成于微控制器之中，也可以是作为微控制器外围电路的分立电路。
图2是本发明酸碱度测试仪近距离应用的实施例图。图2中所示的酸碱度测试仪应用于近距离测试。如图2中所示，采样电极26和参考电极27构成图1所示的电极单元1；后端分析输出单元2a对应于图1所示的后端分析输出单元3；玻璃容器28对应于图1所示的密闭玻璃容器4；运算放大电路24和电池23构成图1所示的前端调理单元2，电池23直接对运算放大电路24提供正常工作的直流电压，若运算放大电路24工作电压为5V则电池23采用5V电池，若运算放大电路24工作电压为3V则电池23采用3V电池。运算放大电路24和直流供电电池23与采样电极26和参考电极27一起封装在玻璃容器28之内，玻璃容器28下部开有一个可供离子通过的小孔29。采样电极26和参考电极27通过电极连线25连接运算放大电路24的两个不同的输入端，采样电极26连接运算放大电路24的同相端，参考电极27连接运算放大电路24的反向端，运算放大电路24的输出引出玻璃容器28，形成两个输出端子即第一端子21和第二端子22，通过两线制连接方式连接后端分析输出单元2a，也就是前端调理单元与后端分析输出单元2a之间只有两根数据线连接，如图2所示。用本发明提供的酸碱度测试仪测量溶液酸碱度时，将封装有运算放大电路24、直流供电电池23与采样电极26和参考电极27的玻璃容器28浸入待测溶液中，溶液中的氢离子穿过玻璃容器28上的小孔29，与采样电极26的金属离子进行交换，产生与PH值相对应的电位差，上述的电位差也就是采样信号，其对应于不同的氢离子浓度，大小为毫伏数量级，该电信号通过电极连线25输入到运算放大电路24的同向输入端，参考电极27将参比信号输入到运算放大电路24的反向输入端，运算放大电路24由电池23提供正常的工作电压，将上述输入的毫伏数量级信号放大为伏特数量级，并将放大后的0～3V或0～5V采样信号通过连接在玻璃容器28第一引出端子21和第二引出端子22的连线输出到后端分析输出单元2a，由其对传输来的信号进行分析比较、判断出溶液对应的酸碱度值(PH值)，并输出溶液酸碱度的数值。由于运算放大电路24已经将毫伏数量级的采样信号放大到了伏特数量级，大大提高了其抗干扰的能力，因此第一引出端子21、第二引出端子22和后端分析输出单元2a的之间的连线可以采用普通的电缆，而无需采用价格高昂的双绞线或屏蔽线。后端分析输出单元2a包括模/数转换器(ADC)、微控制器和数/模转换器(DAC)。前端调理单元2输出的电信号通过后端分析输出单元2a的模/数转换器(ADC)转换为数字信号输入到微控制器，微控制器根据输入来的电信号以及上述的对应表来分析判断待测溶液所对应酸碱度(PH值)，将上述数值通过数/模转换器(DAC)转换后以数值显示或其他方式输出。
需要指出的是，与电池23一起封装于密闭容器28中的运算放大电路24采用低功耗运算放大电路，这样，由于功耗较低，电池23可以提供3～6个月的正常供电，而这一供电时间与电极单元的使用寿命大致相同，这样可以避免电极单元依然可以正常工作，但是电池的电能已经消耗殆尽，从而使得酸碱度测试仪不能正常工作而带来的极大浪费。
图3是本发明酸碱度测试仪远距离应用的实施例图。图3中所示的酸碱度测试仪应用于远距离测试。如图3中所示，采样电极38和参考电极37构成图1所示的电极单元1；运算放大电路35对应于图1所示的前端调理单元2，运算放大电路35由外部电源提供正常工作的直流电压；后端分析输出单元39对应于图1所示的后端分析输出单元3，玻璃容器3a对应于图1所示的密闭玻璃容器4。运算放大电路35与采样电极38和参考电极37一起封装在玻璃容器3a之内，玻璃容器3a下部开有一个可供离子通过的小孔3b。采样电极38和参考电极37通过电极连线36连接运算放大电路35的两个不同的输入端，采样电极38连接运算放大电路35的同相端，参考电极37连接运算放大电路35的反向端，运算放大电路35的输出引出玻璃容器3a，在玻璃容器3a外部形成两个输出端子第一端子31、第二端子32，通过连线连接后端分析输出单元39，外部电源通过玻璃容器3a外部的第三端子33和第四端子34为前端调理单元供电，供电电压范围在5V～36V，确切值视现场的具体情况和传输距离而定。如图3所示，应用于远距离测试的酸碱度测试仪采用四线制连接方式，也就是前端调理单元与后端分析输出单元39之间连接四根连线，其中连接第一端子31和第二端子32的两根数据线用于将运算放大电路35输出的放大后的采样信号输出到后端分析输出单元39，连接于第三端子33和第四端子34的两根电源线用于为运算放大电路35供电。利用上述结构的酸碱度测试仪进行测试时，将封装有运算放大电路35与采样电极38和参考电极37的玻璃容器3a浸入待测溶液中，溶液中的氢离子穿过玻璃容器3a上的小孔3b，与采样电极38上的金属离子进行交换产生电位差，这个电位差对应于氢离子的浓度，也就是对应于溶液的酸碱度。上述电位差就是采样信号，该采样电信号大小为毫伏数量级，通过电极连线36输入到运算放大电路35的同向输入端，参考电极37将参比信号输入到运算放大电路35的反向输入端，运算放大电路35由外部电源提供正常的工作电压，将上述输入的毫伏数量级信号放大为伏特数量级，并将放大后的采样信号(0～3V或0～5V)通过连接在玻璃容器3a第一引出端子31和第二引出端子32的连线输出到后端分析输出单元39，由其对传输来的信号进行分析比较，输出溶液对应的酸碱度值(PH值)。由于运算放大电路35已经将毫伏数量级的采样信号放大到了伏特数量级，大大提高了其抗干扰的能力，因此第一引出端子31、第二引出端子32和后端分析输出单元39的连线可以采用普通的电缆，而无需采用价格高昂的双绞线或屏蔽线。后端分析输出单元39包括模/数转换器(ADC)、微控制器和数/模转换器(DAC)。前端调理单元2输出的电信号通过后端分析输出单元39的模/数转换器(ADC)转换为数字信号输入到微控制器，微控制器根据输入来的电信号以及上述的对应表来分析判断待测溶液所对应酸碱度(PH值)，将上述数值通过数/模转换器(DAC)转换后以数值显示或其他方式输出。
图4是本发明前端调理部分第一实施例的电路图。本实施例中运算放大电路采用美国TI公司的INA116系列低功耗运算放大器，具体的电气连接关系如图4所示。采样电极42和参考电极43构成电极部分，运算放大器44对应于前端调理电路，采样电极42连接运算放大器44的同向输入端6，参考电极43连接运算放大器44的反向输入端3，运算放大器44的管脚13连接直流电源的+15V，管脚8连接直流电源的-15V，为运算放大器44提供工作电压。管脚1和管脚16之间连接一个电阻，本实施例中电阻阻值为5.62kΩ。运算放大器44的管脚9接地，管脚11为运算放大器44的输出端口Vo。采样电极42和参考电极43将毫伏数量级采样信号输入到运算放大器44，经运算放大器44放大为伏特数量级的电信号(0～3V或0～5V)，由运算放大器44的管脚11输出至后端分析输出单元。测试时，将采样电极42和参考电极43插入待测溶液中，并在待测溶液中接入参考地，为其提供基准的地信号。溶液中的氢离子流向采样电极42，同采样电极的金属离子进行交换，形成对应于溶液酸碱度的电信号并输入到运算放大器44的同向输入端6，同时参考电极将参考信号输入运算放大器44的反向输入端3，上述电信号的大小为毫伏数量级。运算放大器44将输入的采样信号放大为伏特数量级，并通过其端口11输出到后端分析输出单元，由后端分析输出单元判断出待测溶液所对应的酸碱度(PH值)并输出该测量值。
图5是本发明前端调理部分第二实施例的电路图。本实施例中，运算放大电路采用美国MAXIM公司的其他系列运放，例如MAX406、407、409、417、418、419运放，具体的电气连接关系如图5所示。图5中所示的为图1中的电极单元1和前端调理单元2的组合电路图。电极单元51对应与图1所示的电极单元1，包含采样电极和参考电极，前端调理单元为MAXIM公司的放大器MAX406。运算放大器52的正相输入端连接采样电极，反相端连接至输出端形成负反馈，运算放大器52的正负电源端口连接3V直流电源，同时，3V供电电池的正负极间还连有两个10M的阻抗，两个阻抗的连接点再连接PH电极的参考电极，同时作为输出的公共端。测试时，将电极单元51浸入待测溶液中，溶液中的氢离子同采样电极的金属离子进行交换，形成电位差，采样电极输出的电位差对应于溶液中氢离子的浓度数量，该采样信号输出至运算放大器52的正相输入端口，该电信号为毫伏数量级的信号，运算放大器52根据参考电极和采样电极的信号，将输入的电信号放大为伏特数量级的信号(0～3V或0～5V)，并输出至后端分析输出单元，由其对采样信号进行比较分析并输出测量结果。在本实施例中，直流电源的电压为3V，两个电阻为10MΩ。
需要指出的是，在具体的应用中，需要根据实际情况来确定是否需要低功耗运算放大器并确定具体的型号。对于应用于近距离测试的前端调理电路，建议采用低功耗的运放；对于远距离测试的前端调理电路，可选用非低功耗的运放。当然，可以采用的低功耗运放并不仅仅局限于美国TI公司的INA116运放系列和美国MAXIM公司的运放系列，也可以采用其他公司其他系列的运放，只是需要根据不同的运放连接不同的外围电路并确保运放的输入阻抗在1010Ω以上。
进一步需要指出的是，本发明不仅仅局限于以上所述的优选实施方式。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种酸碱度测试仪，包括电极单元、前端调理单元和后端分析输出单元，所述电极单元通过所述前端调理单元连接所述后端分析输出单元，所述电极单元采集对应于待测溶液酸碱度的电信号并输出至所述前端调理单元，所述前端调理单元放大所述电信号并输出到所述后端分析输出单元进行分析比较并输出测量结果，其特征在于，所述电极单元和所述前端调理单元封装于密闭玻璃容器中，所述前端调理单元由直流电源供电，所述前端调理单元引出第一端子和第二端子到密闭玻璃容器外部，通过线缆连接所述后端分析输出单元。
2.根据权利要求1所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述后端分析输出单元包括模/数转换器、微控制器和数/模转换器。
3.根据权利要求1所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述线缆为普通线缆。
4.根据权利要求1所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述前端调理单元包括运算放大电路，所述前端调理单元输出伏特数量级信号给所述后端分析输出单元。
5.根据权利要求1所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述直流电源为电池。
6.根据权利要求5所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述电池封装在所述密闭容器中。
7.根据权利要求4和6所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述运算放大电路为低功耗运算放大电路。
8.根据权利要求7所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述前端调理单元与所述后端分析输出单元采用两线制连接方式，两根连接线连接后端分析输出单元。
9.根据权利要求1所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述直流电源为密闭容器外部的直流电源。
10.根据权利要求9所述的酸碱度测试仪，其特征在于，所述前端调理单元和所述后端分析输出单元采用四线制连接方式，两根连线连接所述密闭容器外部的直流电源，另外两根连线连接所述后端分析输出单元。
全文摘要
本发明提供了一种用于在工业监控过程中测定溶液酸碱度的测试仪(5)，它包括电极单元(1)、前端调理单元(2)和后端分析输出单元(3)，电极单元(1)通过前端调理单元(2)连接后端分析输出单元(3)。电极单元(1)采集对应于待测溶液酸碱度的电信号并输出至前端调理单元(2)，前端调理单元(2)放大电信号并输出到后端分析输出单元(3)进行分析比较并输出测量结果。电极单元(1)和前端调理单元(2)封装于密闭玻璃容器(4)中，前端调理单元(2)由直流电源供电，前端调理单元(2)引出第一端子和第二端子到密闭玻璃容器(4)外部，通过线缆连接后端分析输出单元(3)。采用上述结构的酸碱度测试仪不仅提高了测量精度，而且有效降低了成本。
文档编号G01N27/26GK1547002SQ20031011698
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年12月5日
发明者陈健, 江竹轩, 吴忠, 祝海强, 陈 健 申请人:浙江中控技术股份有限公司