一种低成本两线制pH计的制作方法

一种低成本两线制ph计
技术领域
1.本实用新型涉及ph检测仪器技术领域，更具体的是涉及一种低成本两线制ph计。


背景技术：

2.ph计是指用来测定溶液酸碱度值的仪器。ph计是一种常见的分析仪器，广泛应用在农业、环保和工业等领域,ph电极是一种耗材，在使用过程中，根据应用情况需要进行校准标定，以保证测量的精度。
3.目前使用的在线式两线制ph计一般有两种标定方式，一种是带按键和显示的仪表，这样便于操作人员通过按键和显示菜单进行仪表标定，保证测量精度，但是增加了仪表的设计成本；另一种低成本的方案是取消按键和显示部件，仪表端直接输出4～20ma原始信号，采集端在读取电流后进行二次校准，操作复杂，且对采集端的技术要求变高，标定信息保存在采集端，标定信息和现场仪表分离，仪表变更安装位置或者采集端时，需要从新标定。


技术实现要素：

4.为了解决传统的ph计带按键和显示的仪表，增加了设计成本的技术问题，本实用新型提供一种低成本两线制ph计。
5.本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
6.一种低成本两线制ph计，包括ph电极、ph测量模块以及ph校准模块，所述ph电极的信号输出端与所述ph测量模块的信号输入端电连接，所述ph校准模块包括电阻一、电阻二、电阻三以及电阻四,所述电阻三的一端与所述ph测量模块的信号输入端电连接，所述ph测量模块的信号输出端与所述电阻二的一端以及所述电阻四的一端均电连接，所述电阻三的另一端与所述电阻二的另一端电连接，所述电阻一的一端与所述ph测量模块的信号输入端电连接，所述电阻一的另一端与所述电阻四的另一端电连接。
7.本实用新型的工作原理：具体应用的时候设置5个外接端口和/或5根导线，其中2个外接端口和/或2根导线分别与所述两线制电路模块的电源输入端以及信号输出端电连接，另外3个外接端口和/或导线分别为接线端口一和/或导线一、接线端口二和/或导线二以及接线端口三和/或导线三；所述电阻三的另一端或者所述电阻二的另一端与所述接线端口一和/或导线一的一端电连接，所述电阻一的另一端或者所述电阻四的另一端与所述接线端口二和/或所述导线二的一端电连接，所述接线端口三和/或所述导线三的一端接地；校准时，操作人员先把ph电极1放在ph值为6.86的标准液里，等输出信号稳定时，把导线一或端口一和公共导线即导线三或端口三进行短接，仪表校准模块检测到端口一的电压变化后，进行ph值为6.86标准液的校准；同理，操作人员先把ph电极1放在ph值为9.18的标准液里，等输出信号稳定时，把导线二或端口二和公共导线即导线三或端口三短接，仪表校准模块检测到端口二的电压变化后，进行ph值为9.18标准液的校准；操作人员把ph电极1在ph值为4的标准液里面，信号输出稳定时，导线一或端口一和公共导线即导线三或端口三短
接，并且导线二或端口二和公共导线即导线三或端口三短接，仪表校准模块检测到端口一和端口二的电压变化后，进行ph值为4标准液的校准。
8.本实用新型的有益效果：本实用新型通过将传统的ph校准模块配制的按键控制电路、显示屏驱动电路以及显示屏等都去掉，仅仅通过增加三根导线或接线端口和简单的阻容元器件实现校准，简化了ph计的设计结构，降低了生产和安装成本，而且校准操作简单，对人员要求不高。
9.进一步地，还包括5个外接端口和/或5根导线，其中2个外接端口和/或2根导线分别与所述两线制电路模块的电源输入端以及信号输出端电连接，另外3个外接端口和/或导线分别为接线端口一和/或导线一、接线端口二和/或导线二以及接线端口三和/或导线三。
10.进一步地，所述ph测量模块包括信号采集单元以及mcu控制单元，所述信号采集单元的信号输出端与所述mcu控制单元的信号输入端电连接，所述电阻三的一端与所述ph测量模块的信号输入端电连接，所述mcu控制单元的信号输出端与所述电阻二的一端以及所述电阻四的一端均电连接，所述电阻三的另一端与所述电阻二的另一端电连接，所述电阻一的一端与所述mcu控制单元的信号输入端电连接，所述电阻一的另一端与所述电阻四的另一端电连接。
11.进一步地，所述电阻三的另一端或者所述电阻二的另一端与所述接线端口一和/或导线一的一端电连接，所述电阻一的另一端或者所述电阻四的另一端与所述接线端口二和/或所述导线二的一端电连接，所述接线端口三和/或所述导线三的一端接地。
12.进一步地，还包括两线制电路模块，所述ph测量模块的信号输出端与所述两线制电路模块的信号输入端电连接，所述ph测量模块的电源输入端与所述两线制电路模块的信号输出端电连接。
13.两线制电路模块在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于两线制电路模块的耗电电流在4-20ma之间根据ph测量模块输出而变化。电流表只需与直流电源一同串在两线制电路模块的电源接入端口的正负极中即可，因此两线制电路模块只需外接2根线进行数据传输。
14.进一步地，所述ph测量模块还包括转换单元，所述转换单元包括d/a转换芯片以及稳压芯片，所述mcu控制单元的信号输出端与所述d/a转换芯片的信号输入端电连接，所述d/a转换芯片的信号输出端与所述两线制电路模块的信号输入端电连接，所述两线制电路模块的信号输出端与所述稳压芯片的信号输入端电连接，所述稳压芯片的信号输出端与所述mcu控制单元的电源输入端电连接。
15.进一步地，所述ph测量模块的接地端以及所述两线制电路模块的接地端均接地，所述两线制电路模块的接地端与所述两线制电路模块的电源输入端的负极之间串联有电阻。
16.进一步地，所述ph测量模块还包括存储单元，所述存储单元与所述mcu控制单元电连接。
17.进一步地，ph电极的信号输出端与信号采集单元的信号输入端电连接，所述mcu控制单元为嵌入式单片机，所述mcu控制单元的i/o接口与所述信号采集单元的控制端口电连接。
18.进一步地，所述ph电极为复合电极，所述复合电极包括ph参比电极、ph玻璃电极以
及温度传感器。
附图说明
19.图1是本实用新型的电路结构示意图一；
20.图2是本实用新型的电路结构示意图二；
21.图3是ph电路模块的采集电路图；
22.图4是ph电路模块的中转换电路的电路图；
23.图5是两线制电路模块中两线制v/i变换电路的电路图。
24.附图标记：1、ph电极；2、ph测量模块；3、信号采集单元；4、转换单元；5、两线制电路模块；6、存储单元；7、mcu控制单元；8、ph校准模块。
具体实施方式
25.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
28.实施例一
29.如图1到2所示，本实施例提供一种低成本两线制ph计，一种低成本两线制ph计，其特征在于：包括ph电极1、ph测量模块2以及ph校准模块8，所述ph电极1的信号输出端与所述ph测量模块2的信号输入端电连接，所述ph校准模块8包括，电阻一r1、电阻二r2、电阻三r3以及电阻四r4,所述电阻三r3的一端与所述ph测量模块2的信号输入端电连接，所述ph测量模块2的信号输出端与所述电阻二r2的一端以及所述电阻四r4的一端均电连接，所述电阻三r3的另一端与所述电阻二r2的另一端电连接，所述电阻一r1的一端与所述ph测量模块2的信号输入端电连接，所述电阻一r1的另一端与所述电阻四r4的另一端电连接。
30.具体地，还包括5个外接端口和/或5根导线，其中2个外接端口和/或2根导线分别与所述两线制电路模块5的电源输入端以及信号输出端电连接，另外3个外接端口和/或导线分别为接线端口一和/或导线一、接线端口二和/或导线二以及接线端口三和/或导线三。
31.具体地，所述电阻三r3的另一端或者所述电阻二r2的另一端与所述接线端口一和/或导线一的一端电连接，所述电阻一r1的另一端或者所述电阻四r4的另一端与所述接线端口二和/或所述导线二的一端电连接，所述接线端口三和/或所述导线三的一端接地。
32.将上述导线一使用导线一或者在接线端口一接上导线一，将导线二使用导线二或者在接线端口二接上导线二，将导线三使用导线三或者在接线端口三接上导线三，校准时，操作人员先把ph电极1放在ph值为6.86的标准液里，等输出信号稳定时，把导线一或者端口一和公共导线即导线三或者端口三进行短接，仪表校准模块检测到端口一的电压变化后，进行ph值为6.86标准液的校准；同理，操作人员先把ph电极1放在ph值为9.18的标准液里，
等输出信号稳定时，把导线二或者端口二和公共导线即导线三或者端口三短接，仪表校准模块检测到端口二的电压变化后，进行ph值为9.18标准液的校准；操作人员把ph电极1在ph值为4的标准液里面，信号输出稳定时，导线一或者端口一和公共导线即导线三或者端口三短接，并且导线二或者端口二和公共导线即导线三或者端口三短接，仪表校准模块检测到端口一和端口二的电压变化后，进行ph值为4标准液的校准。仪表进行实时测量，则导线三、导线一、导线二都处于断开状态，即相互未导通。通过上述操作来实现本ph计的标定，省去了传统标定模式的按键操作以及标定显示操作，降低产品设计成本，而且校准操作简单，对人员技术要求不高。
33.ph电极1的信号输出端与ph测量模块2的信号采集单元输入端电连接，所述ph测量模块2的转换单元信号输出端与所述两线制电路模块5的信号输入端电连接，所述ph测量模块2的电源输入端与所述两线制电路模块5的信号输出端电连接。
34.ph测量模块2是对ph电极1测量的值进行处理，得到ph的电压信号值，根据ph测量模块2内保存的ph设置校准参数，计算实际ph值，传输给两线制电路模块5，通过串连在两线制电路模块5上的电流表读出电流参数，以表征其ph值，表征方式如：当被测溶液的ph值为4时，电流表输出为8.57ma；当被测溶液的ph值为6.86时，电流表输出为11.84ma；当被测溶液的ph值为9.18时，电流表输出为14.49ma。
35.需要注意的是：ph测量模块2是对ph电极1测量的值进行处理为现有技术，如：申请号为cn201510103088.4的专利中详细介绍了ph的测量方法以及其测量装置，同时，百度文库中《酸度ph计的原理》中也详细介绍了ph计的电测法相关原理，因此，本专利的ph测量模块测量ph值的方法为现有技术，本专利未涉及对计算机程序以及ph的计算方法。
36.如图2到4所示，所述ph测量模块2包括信号采集单元3以及mcu控制单元7，所述信号采集单元3的信号输出端与所述mcu控制单元7的信号输入端电连接，所述ph测量模块2的信号输出端与所述两线制电路模块5的信号输入端电连接，所述ph校准模块和所述mcu控制单元7的i/o口电联接，所述ph测量模块2的电源输入端与所述两线制电路模块5的信号输出端电连接。所述ph电极1为复合电极，所述复合电极包括ph参比电极、ph玻璃电极以及温度传感器。
37.所述ph测量模块2还包括转换单元4以及存储单元6，所述转换单元4包括d/a转换芯片以及稳压芯片，所述mcu控制单元7的信号输出端与所述d/a转换芯片的信号输入端电连接，所述d/a转换芯片的信号输出端与所述两线制电路模块5的信号输入端电连接，所述两线制电路模块5的信号输出端与所述稳压芯片的信号输入端电连接，所述稳压芯片的信号输出端与所述mcu控制单元7的电源输入端电连接。
38.当存储的数据量比较大的时候上述存储单元6为在曾设的存储器；当存储的数据量比较小的时候可直接将数据直接保存在mcu控制单元7中的内部flash上面，以降低设计成本、使用功耗。
39.需要说明的是，本实用新型并未涉及改写mcu控制单元7内的程序代码的方法，同时，本实用新型也未对mcu控制单元7内的程序代码进行更改方法进行改进；对mcu控制单元7的芯片程序进行更改以及擦除操作为本领域技术人员所公知的常识。并且，2010年2月机械工业出版社出版的图书《嵌入式系统设计》中也对芯片程序的擦除和录入操作进行了详细描述。
40.ph电极1的输出端口与信号采集单元3的输入端口电连接，所述mcu控制单元7是型号为stm32l151cb嵌入式单片机；所述mcu控制单元7的i/o接口与信号采集单元3的控制端口电连接，所述mcu控制单元7的串行口与转换单元4电连接，转换单元4的电压输出端口与两线制电路模块5的电压输入单元电连接；所述信号采集单元3是型号为lmp91200集成芯片，d/a转换芯片型号为dac7512，稳压芯片型号为ncp1422。
41.具体地，所述mcu控制单元7的信号输出端与所述d/a转换芯片的信号输入端电连接，所述d/a转换芯片的信号输出端与所述两线制电路模块5的信号输入端电连接，所述两线制电路模块5的信号输出端与所述稳压芯片的信号输入端电连接，所述稳压芯片的信号输出端与所述mcu控制单元7的电源输入端电连接。
42.所述两线制电路模块为两线制v/i变换电路，所述ph测量模块的电压输出端与所述两线制v/i变换电路的电压输入端电连接，所述ph测量模块的电压输入端与所述两线制v/i变换电路的电压输出端电连接，所述ph测量模块的接地端与所述两线制v/i变换电路的接地端电源输入端的负极之间串联有电阻。
43.mcu控制单元7选用低功耗的芯片stm32l151cb嵌入式单片机集成芯片。仪表工作通过主要通过mcu控制单元7的io口控制信号采集单元3，信号采集单元3通过采集ph电极1的测量信号，发送给mcu控制单元7，计算ph值；最终由mcu控制单元7的io口来控制输出转换单元，进一步控制两线制电路模块5，两线制电路模块5根据测量ph值，输出4-20ma对应的电流，传输ph测量值；为了降到功耗和节省存储芯片成本，可以将校准数据直接保存在mcu控制单元7中的内部flash上面。
44.实施例二
45.如图1到2所示，本实施例提供了一种成本两线制ph计的校准方法，具体如下：如图1所示，ph测量模块2上接入ph校准模块8，通过3根线控制mcu控制单元7的i/o口采集高低电压，来确定ph校准值，从而进行仪表的校准。标定方法为：导线三为公共线，导线一为标定ph值为6.86标准液所用，导线二为标定ph值为9.18的标准液所用；通过ph测量模块2中mcu控制单元7的i/o口来判断进行哪种ph标准液的标定校准，或者判断仪表处于测量状态还是校准状态，当导线一和公共导线即导线三连接在一起导通的时候，把ph电极1放在ph值为6.86的标准液里面，通过mcu控制单元7自动进行ph值为6.86标准液的校准；同理，当导线二和公共导线即导线三连接在一起导通的时候，把ph电极1放在ph值为9.18的标准液里面，mcu控制单元7自动进行9.18标准液的校准；当导线一和公共导线即导线三连接在一起导通的时候，并且导线二和公共导线即导线三也连接在一起导通的时候，把ph电极1在ph值为4的标准液里面，mcu控制单元7自动进行ph值为4标准液的校准。如果不对仪表进行校准，仪表进行实时测量，则白线、黄线、蓝线都处于断开状态。
46.通过上述标定方法能够让ph计在设计的时候省去按键控制模块以及显示模块的相关电路结构，改变3根输出导线的相互连接方式来实现标定功能，使ph测量数据准确可靠，降低设计成本，而且对操作人员的技术要求不高，方便人员维护校准。
47.实施例三
48.如图5所示，本实施例提供了两线制电路模块5的常规电路结构，即本专利中所述的两线制电路模块5为现有技术，其相关应用描述如下：
49.两线制v/i变换电路10与一般v/i变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出
电流，而是控制整个电路自身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为ph测量电路供电。图5中op1、q1、r1、r2、rs构成了v/i变换器。分析负反馈过程：若a点因为某种原因高于0v，则运放op1输出升高，re两端电压升高，通过re的电流变大。相当于整体耗电变大，通过采样电阻rs的电流也变大，b点电压变低。结果是通过r2将a点电压拉下来。反之，若a点因某种原因低于0v，也会被负反馈抬高并回到0v。总之，负反馈的结果是运放op1虚短，a点电压为0v。下面分析vo对总耗电的控制原理：假设ph测量电路输出电压为vo，则流过r1的电流i1＝vo/r1运放输入端不可能吸收电流，则i1全部流过r2，那么b点电压vb＝-i 1*r2＝-vo*r2/r1取r1＝r2时，有vb＝-vo电源负和整个变送器电路之间只有rs、r2两个电阻，因此所有的电流都流过rs和r2。r2上端是虚地0v，rs上端是gnd。因此r2、rs两端电压完全一样,都等于vb。相当于rs与r2并联作为电流采样电阻。因此电路总电流：i s＝vo/(rs//r2)如果取r2》》rs，i s＝vo/rs因此，图5中取rs＝100欧，当ph测量电路输出0.4～2v的时候，总耗电电流4～20ma.若不能满足r2》》rs也没关系，rs与r2并联，其(rs//r2)是个固定值，i s与vo仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。r5和u1构成基准源，产生2.5v稳定的基准电压。lm385是低成本的微功耗基准，20ua以上即可工作，所以通过r5控制电流100ua左右。op2构成一个同向放大器，将基准放大，向ph测量模块2供电。因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少，成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。该部分电路也可以选择现成的集成电路。比如xtr115/116/105等，精度和稳定性比自制的好，自身功耗也更低。