计算机控制的在线智能酸度测量信号采集问题研究

　　0　引言

　　酸度计又被称为pH计,是用于测试水中酸碱度的常规仪表,广泛应用于电力、化工、环保、医疗、石油、食品等众多行业中。近年来,由微电脑控制的酸碱度测量仪表已基本替代了机械指针仪表,并实现了测试过程中的在线远程计算机数字控制。针对智能酸度计在测试过程中环境因素对测试精度的影响问题,进行了测试原理及干扰因素分析,并提出了智能酸度计的信号采集和数据处理设计方案和应用中的注意事项。

　　1　酸度计测试原理

　　酸度计是由pH测量电极、参比电极和高输入阻抗毫伏计三部分构成。由pH测量电极、参比电极和被测溶液构成的原电池被称为测量电池。依据能斯特公式,测量电池的电动势与电池中氢离子(H+)的活度密切相关,而氢离子(H+)的活度又可以直接换算成被测溶液的酸度(pH),因此,我们通过高输入阻抗毫伏计测量出由pH测量电极和参比电极测得的测量电池中的电动势,再经过电信号转换和数据处理,就形成了能够测量并显示pH值的酸碱度测试仪表。

　　根据能斯特公式,酸度计中氢离子的活度与测量电池的电动势之间存在下列关系:

　　式中:E为平衡电极电位,V;为标准电极电位,V;R为气体常数8·314,J/mol·k;T为热力学温度,K;n为得失电子数;F为法拉第常数96 485,C/mol;a氧化态为氧化态物质的活度,mol/l;

　　a还原态为还原态物质的活度,mol/l.而pH值与离子活度的换算公式为:

　　将(2)代入(1)得出pH测量电极与参比电极之间的平衡电极电位E与被测溶液的pH值之间的关系为:

　　由(3)式可见,平衡电极电位E与被测溶液的pH值和溶液温度有关。

　　2　影响pH测量精度的因素

　　2·1　温度的影响

　　温度是影响PH测试精度的主要因素。对公式进行换算并代入相关常数量,获得pH值运算公式为:

　　从式(4)可见,在测试同一液体时,溶液温度T与平衡电极电位E成反比。也就是说,当待测溶液温度变化时,能斯特公式的温度系数斜率项也随之变化,它受溶液中离子活度的影响。而离子活度又取决于它的活度系数和离子强度。由于温度系数斜率项在一般的仪表中进行精确处理比较困难,因此会造成溶液温度变化时对pH值测量精度的影响。解决水样温度变化对测量值的影响,其一是对水样进行恒温,其二是采用温度补偿。水样恒温是比较理想的方法,但是恒温设备的投资和日常维护工作量均比较大,实施起来比较困难,因此最常用的办法是在仪表中设置温度补偿电路或采用软件补偿。

　　2·2　电导率的影响

　　另一个影响测试精度的因素是测量电池的电导率。当高纯水的电阻率在1~1·8 MΩ/cm时,此时因为水的阻抗很大,pH的测量将显得很困难,如果仪表的阻抗过小,那么所采集的信号将很不稳定,极易受到干扰信号的影响,所以在仪表设计时阻抗应很高且测量池的选材应有讲究,一般情况下选用钛合金或是不锈钢材料制作。