水质分析仪的制作方法

本实用新型涉及一种水质分析仪，尤其涉及一种同时对溶液的PH值、温度值和EC/TDS值进行测量的水质分析仪。

背景技术：

随着社会的不断发展，人们对溶液各方面的指标要求也越来越高，其中，溶液的酸碱性(PH)和溶解性固体总量(TDS)就是重要的指标之一。测量PH值最传统的方法是使用PH试纸，而PH试纸由于操作麻烦，难以运用到生活当中，测量TDS/EC传统则没有简单有效的方法。目前比较知名的电化学分析仪表厂商有日本恒河，瑞士梅特勒和上海雷磁，他们生产的PH电极和TDS/EC电极，都适用于高精度PH值以及EC/TDS值的测量，但是由于他们的在线式仪表成本和复杂度都比较高，不适用于大范围的推广。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种对溶液的PH值、温度值和TDS/EC值进行测量的水质分析仪。

本实用新型包括带温补PH电极、EC/TDS电极、差分放大电路、RC振荡及AD采集电路和单片机；所述的带温补PH电极检测因溶液PH值产生的电动势，以及因水温的不同热电阻表现的不同阻抗；EC/TDS电极检测因溶液EC/TDS值的不同表现的不同阻抗；差分放大电路对带温补PH电极产生的电动势进行差分放大；RC振荡及AD采集电路给EC/TDS电极提供交流电压，并将EC/TDS电极产生的电阻信号转换成直流电压信号传给单片机；单片机对差分放大电路和RC振荡及AD采集电路的信号进行处理、温度补偿以及将处理过的信号显示在段码液晶屏上，并采用485通讯电路以MODBUS-RTU协议与PC端通讯。

带温补PH电极采用的是带温补的PH复合电极，复合了玻璃电极和参比电极的功能；其中，温度采集采用的是NTC热敏电阻。

差分放大电路将带温补PH电极产生的电压信号ElepoleIN转化为正信号，再用放大器U11放大，将其转化成0-2.5V的电压值。

RC振荡及AD采集电路包括RC振荡电路和AD采集电路；RC振荡电路采用RC串并联选频网络接在运算放大器U13A的输出端和同相输入端之间，构成正反馈电路，接在运算放大器的输出端和反相输入端之间的电阻，构成电压串联负反馈电路。正反馈电路和负反馈电路构成了文氏电桥。RC振荡电路连接到EC/TDS电极的一端，EC/TDS电极的另一端接到AD采集电路，AD采集电路将EC/TDS电极产生的电阻信号转化为直流电压并连接单片机。

单片机采用ST公司生产的STM8系列单片机。

差分放大电路包括放大器U11，放大器U11采用OP07放大器；带温补PH电极产生的电压信号ElepoleIN由电阻R12的一端输入，电阻R12的另一端接电阻R9、电阻R16、电容C25和电容C26的一端以及放大器U11的正相输入端；电阻R9的另一端接+2.5V电压；放大器U11的正供电电压端及电容C21的一端接+5V电压，放大器U11的负供电电压端及电容C29的一端接-5V电压；放大器U11的反相输入端接电阻R19、R20以及电容C32的一端，放大器U11的输出端接电阻R14的一端以及电阻R20和电容C32的另一端，电阻R14的另一端接电容C28的一端及单片机；电阻R16和R19的另一端、电容C21、C25、C26、C28和C29的另一端均接地。

RC振荡电路包括运算放大器U13A、U13B和U14，型号均为OP07CDR；运算放大器U13A的正供电电压端及电容C39的一端接+5V电压，运算放大器U13A的负供电电压端及电容C35的一端接-5V电压；运算放大器U13A的反相输入端接电阻R22和R28的一端；电阻R22的另一端接电阻R23的一端、二极管D3的正极和二极管D4的负极；运算放大器U13A的正相输入端接电阻R36、R39及电容C45的一端；电阻R36的另一端接电容C43的一端；电容C37的一端、电容C43的另一端、电阻R23的另一端、二极管D3的负极和二极管D4的正极均接运算放大器U13A的输出端，电阻R28、电阻R39、电容C35、电容C39和电容C45的另一端均接地。运算放大器U13B的反相输入端接电阻R25和R29的一端，电阻R29的另一端接电容C37的另一端，运算放大器U13B的正相输入端接电阻R34的一端，电阻R34的另一端接地；电阻R25的另一端和电容C41的一端接运算放大器U13B的输出端。运算放大器U14的正供电电压端及电容C44的一端接+5V电压，运算放大器U14的负供电电压端及电 容C36的一端接-5V电压，运算放大器U14的正相输入端接电容C41的另一端和电阻R37的一端，运算放大器U14的反相输入端和电容C40的一端接运算放大器U14的输出端，电阻R37、电容C36和电容C44的另一端均接地；电容C40的另一端ElepoleEC1接到EC/TDS电极的一端给EC/TDS电极提供交流电压。

AD采集电路包括运算放大器U12C、U12B和U12D；运算放大器U12C的反相输入端接EC/TDS电极的另一端和电阻R30的一端，电阻R30的另一端和电容C42的一端接到运算放大器U12C的输出端，运算放大器U12C的正相输入端接电阻R38的一端，电阻R38的另一端接地。运算放大器U12B的正相输入端接地，运算放大器U12B的反相输入端接电阻R33、R26的一端和二极管D5的负极，电阻R33的另一端接电阻R21的一端和电容C42的另一端；运算放大器U12B的输出端接二极管D5的正极和二极管D6的负极，二极管D6的正极接电阻R26的另一端和电阻R35的一端。运算放大器U12D的正相输入端接电阻R31的一端，电阻R31的另一端接地，运算放大器U12D的反相输入端接电阻R21、R35的另一端以及电阻R24、电容C34的一端，运算放大器U12D的输出端接电阻R24、电容C34的另一端以及电阻R27的一端，电阻R27的另一端和电容C38的一端单片机；电容C38的另一端接地。

本实用新型具有有益效果：结构简单，操作性和实用性强，可进行对水质的多参数测量，可以直观地显示出测量的参数，可以和PC机连接，最远传输距离可达千米。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图。

图2为本实用新型中带温补PH电极测量溶液PH值的原理图。

图3为本实用新型中EC/TDS电极测量溶液EC/TDS值的原理图。

图4为本实用新型中差分放大电路的电路原理图。

图5-1为本实用新型中RC振荡电路的电路原理图。

图5-2为本实用新型中AD采集电路的电路原理图。

图6为本实用新型中单片机的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，水质分析仪包括带温补PH电极1、EC/TDS电极2、差分放大电路3、RC振荡及AD采集电路4和单片机5；带温补PH电极1用于得到因溶液PH值产生的电动势，以及因为水温的不同热电阻表现的不同阻抗。EC/TDS电极2用于得到因溶液EC/TDS值的不同表现出的不同阻抗。差分放大电路3对带温补PH电极1产生的电动势进行差分放大；RC振荡及AD采集电路4用于给EC/TDS电极提供交流电压，防止出现电极极化，并将EC/TDS电极产生的电阻信号转换成直流电压信号传给单片机5。单片机5对差分放大电路和RC振荡及AD采集电路的信号进行处理、温度补偿以及将处理过的信号显示在段码液晶屏6上，并采用485通讯电路以MODBUS-RTU协议与PC端7通讯。

带温补PH电极1的测量原理如图2所示，带温补PH电极1采用的是带温补的PH复合电极，复合了玻璃电极和参比电极的功能。其中，温度采集使用的是NTC热敏电阻，阻值为10KΩ，能够测量0-99.9℃的温度值，通过查表的方式将测量到的电阻值转换为温度值。PH值的量程为0-14。参比电极在溶液中不会和氢离子有反应，能够得到一个已知恒定的电压值(在饱和KCl溶液中)，也就是一个相对的大地。玻璃电极则会随着溶液氢离子浓度的改变和参比电极之间形成一个符合能斯特方程的电位差，通过这个电位差和能斯特方程就能够逆推出溶液的PH值，具体由电位差公式E＝E0-2.303RT/F*PH推导得出，式中，E0为当PH＝0时PH电极采集上来的电压值，通常情况下采用25℃下的电压值，即414.12mV；气体的常数R＝8.314J/mol；绝对温度T＝273.15+t，t为当前环境下的摄氏温度，通常不带温补设置为25℃；法拉第常数F＝96500C/mol。由公式可知，PH值与电极产生的电势呈线性，并且与温度有关。

EC/TDS电极2的测量原理如图3所示，EC/TDS电极的测量端由两块极板1c、2c构成，在溶液中测量时，在两块极板间加上一个恒定的电压信号(一般是正弦波信号，为防止极化)，然后测量极板之间流过的电流。通过电压信号的电压值U和测量到的电流I，计算出电阻值R，再通过计算得到电导率K＝G*Q。电导值G＝1/R；电极常数Q＝L/S，L为两极板之间的距离，S为测量电极的有效极板面积；而电导率的温度补偿由公式KT＝K0(1+a(T-T0))推导得出，式中，KT为当前温度下的电导率值；K0为25℃下的电导率值；a为溶液温度补偿系数，一般为0.02；T 为当前状态下的水温，T0＝25℃。由公式可知，温度对电导率的影响非常大，所以温度补偿的存在是非常有必要的。

差分放大电路3的电路原理如图4所示，用于对带温补PH电极1采集上来的电动势作处理，带温补PH电极1测量端产生上来一个微小的电压信号ElepoleIN，由于ElepoleIN不是一个正的信号，它的范围为-414.12mV～414.12mV，通过R9、R12、R16将ElepoleIN转化为正信号，再用放大器U11放大，将其转化成一个在0-2.5V内的电压值U，并通过上位机进行标定，将输入信号为-0.4V、0V和+0.4V时单片机采集上来的码值N储存进单片机里，将三个码值和三个电压值代入电压与码值的函数关系式U1＝K1*N+B，可以得到2个K1值和2个B值，将此时算出的K1值平均值和B值平均值存进单片机内部自带的EEPROM中，每次计算时将其取出，当单片机采集上一个电压信号时，电压值U1可以根据此时单片机取到的码值通过之前的K1值和B值进行计算，通过函数关系可以得到此时的带温补PH电极1采集上来的电压信号，再根据另外一条公式能斯特方程，将电压信号转化成PH值，此法通过软件进行数据校准，所以对各部分电路的精确度要求不高。

RC振荡及AD采集电路4包括RC振荡电路和AD采集电路，原理如图5-1和5-2所示，RC振荡电路采用的是文氏桥正弦波发生电路，RC串并联选频网络接在运算放大器U13A的输出端和同相输入端之间，构成正反馈，接在运算放大器U13A的输出端和反相输入端之间的电阻，构成电压串联负反馈。正反馈电路和负反馈电路构成了文氏电桥。之后经过一个电压跟随器增大输入阻抗，一个反相器改变电压方向，连接到EC/TDS电极2的一端，EC/TDS电极2的另一端接到AD采集电路，AD采集电路将EC/TDS电极产生的电阻信号转化为直流电压并连接单片机。

单片机的IO口接口定义如图6所示，本实用新型采用的是ST公司生产的STM8系列单片机，单片机集成了ADC采集模块(精度12位)，LCD模块(可以驱动最多36个SEG)，4个COM口的段码液晶屏。通讯方面，采用的是MODBUS-RTU通讯协议，可以和大部分PC端进行通讯。

本实用新型中PH的测量电位遵循能斯特方程(Nerst Equation)，EC/TDS的测量遵循欧姆定律，将传输过来的电压值通过单片机内部AD转化，转化精度为12位，再通过计算得到所需要的PH值、温度值以及EC/TDS值并通过LCD驱动显示在段码液晶屏中，再通过485通讯电路与 PC端进行通讯。由于单片机的供电电压为3.3V，差分放大电路的供电电压为±5V，所以需要进行电压调理，由于PH的测量需要很大的阻抗，所以测量到的电流是个很微小的电流信号，并且其电压值是一个正电压负电压都有可能的信号，所以需要差分放大电路进行差分放大才能测量。温度信号和TDS/EC信号都是电阻信号，测量原理相似，但是为了防止TDS/EC电极极化，TDS/EC测量电路需要用交流供电，所以需要文氏桥电路产生一个幅值恒定的正弦波信号。温度补偿是PH测量和TDS/EC测量非常重要的一个环节，如果没有温度补偿，测量的准确度会大大的降低。段码液晶屏采用的是BTN工艺，视角更宽，显示效果更好。485通讯电路支持远距离传输，支持多机通讯。