无土栽培营养液检测仪的研制

　　1　引　　言

　　无土栽培在我国普及很快,已成为增加农民收入的重要途径,然而营养液使用中存在专用化肥消耗大及环境污染问题,温室生产中迫切需要一种专用离子浓度检测仪器,帮助生产者合理使用营养液,解决上述问题。作者采用现代电子和传感器技术研制出一种无土栽培营养液检测仪,它可以在线检测离子浓度,并显示离子浓度变化曲线,在应用中取得良好效果。这里提出离子选择电极测量模型,并介绍了检测仪硬件电路和软件结构,最后给出实测结果。

　　2　离子选择电极和离子浓度测量模型

　　依据国际纯粹与应用化学联合组织(IUPAC)分析化学分组的命名建议[1],离子选择电极是一种电化学传感器,其电位值与溶液中离子活度的对数值之间有线性函数关系,符合能斯特方程

　　式中:E为电极电位,E0为电极标准电位,R为气体常数, R = 83143J/(℃·mol), T为溶液绝对温度,T=273.15+t,Mn+为离子活度,n为离子价数,F为法拉第常数F=9.649×10 ⁴ c·mol ^-1。

　　以能斯特方程为基础设计的离子计在使用前要进系列调节,如:定位调节、离子价态及极性调节、电极斜率调节、温度补偿调节、等电势调节等,使电极电位和离子浓度之间呈线性关系,这种通用型的离子计适于实验室分析。随着时代的发展,现代科技和产业对分析仪器的要求也发生了明显的变化,最明显的是对专用型分析仪器(甚至单一功能仪器)的需求大大增加[2]。借鉴这一思想,检测电极电位和溶液温度,利用离子选择电极浓度测量模型计算离子浓度,这可以简化离子计的功能设计,使之更适于现场测量领域应用。

　　根据电化学理论,温度是能斯特方程的重要影响变量,能斯特方程中各系数都受温度影响,这里根据理论和实验研究,得出能斯特方程可用式(2)表示:

　　式中:E为电极电位,M为离子浓度,a、b、c和d为待定系数。若以温度和电极电位为自变量,离子浓度对数为因变量,则近似有式(3):

　　只要标定出式中a′、b′、c′和d′,离子浓度测量模型可表示为式(4):

　　根据样本数据计算式(3)中的参数a′、b′、c′和d′可看作非线性优化问题,这要求高性能计算机系统,难以在仪表常用的51系列单片机上进行。这里采用乘积型最小二乘法求解a′、b′、c′和d′:

　　(1)离子浓度为M1时,t1℃时,电极电位E11,t2℃时,电极电位E12。

　　(2)离子浓度为M2时,t1℃时,电极电位E21,t2℃时,电极电位E22。

　　(3)t1℃时,有:

　　(5)由温度t对(5)和(6)中的零次项A1和A2插值,得