基于電導(dǎo)電極的銅離子濃度檢測(cè)系統(tǒng)研究

2016-05-03 03:38:50北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院祝千宇黃紹樹

電子世界 2016年7期

北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院　潘　林　祝千宇　李　燕　黃紹樹　宋　鐸

北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院潘林祝千宇李燕黃紹樹宋鐸

【摘要】本文介紹基于電導(dǎo)電極的傳感器系統(tǒng)的組成部分及其硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件編程測(cè)試硫酸銅溶液電導(dǎo)率，通過(guò)溶液電導(dǎo)率與銅離子濃度的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，最后運(yùn)用擬合思想計(jì)算出銅離子濃度。

【關(guān)鍵詞】電極；電導(dǎo)率；銅離子

1　電導(dǎo)率測(cè)量濃度方案

1.1測(cè)量銅離子濃度傳感器介紹

測(cè)量銅離子濃度傳感器是由電導(dǎo)電極、防水型DS18B20溫度傳感器、EC Meter電路板、模擬連接線、數(shù)字連接線、可插拔傳感器轉(zhuǎn)接器構(gòu)成。

傳感器的測(cè)量原理是，當(dāng)電導(dǎo)電極插進(jìn)不同的溶液時(shí)，其中會(huì)產(chǎn)生不同的電阻值，這些不同的電阻值會(huì)讓反相比例放大電路形成不同的放大倍數(shù)，然后通過(guò)Arduino采樣電壓值的大小，從而計(jì)算出該溶液的電導(dǎo)率值。

圖1　實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)

1.2測(cè)量濃度方案

先利用電導(dǎo)率計(jì)計(jì)算溶液的電導(dǎo)率值，之后通過(guò)溶液電導(dǎo)率與溶液中金屬離子的濃度關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，從而計(jì)算出溶液金屬濃度。

2　檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

電路系統(tǒng)包含以下部分：Arduino單片機(jī)、電流電壓轉(zhuǎn)換器、調(diào)理電路、濾波電路、反向比例放大電路、絕對(duì)值電路、AD/DA轉(zhuǎn)換電路和測(cè)量電極(電導(dǎo)電極和溫度傳感器)、模擬連接線、數(shù)字連接線、可插拔傳感器轉(zhuǎn)接器。

傳感器系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)各種脈沖掃描電位的輸出和相應(yīng)電流信號(hào)的采集過(guò)程，控制D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出脈沖掃描信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后施加在電導(dǎo)電極和溫度傳感器上，同時(shí)輸入響應(yīng)電流信號(hào)通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、濾波，可將電壓調(diào)整到一定值，再經(jīng)過(guò)反向比例放大電路，絕對(duì)值電路，輸出電壓將取輸入電壓的絕對(duì)值。再通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給單片機(jī)電路，單片機(jī)將采樣數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳給上位機(jī)做進(jìn)一步的分析。

2.2軟件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

為了方便實(shí)現(xiàn)具體的設(shè)計(jì)，我們采用集成的Arduino單片機(jī)作為開發(fā)板。

本實(shí)驗(yàn)中Arduino開發(fā)包含兩個(gè)部分，一個(gè)是讀取溫度傳感器返回的溫度值，另一個(gè)則是讀取電導(dǎo)率電極傳回的模擬量，并通過(guò)測(cè)量原理將其換算成具體的電導(dǎo)率值。

3　實(shí)驗(yàn)與誤差分析

以電導(dǎo)率傳感器為主要實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)不同濃度相同溫度、不同溫度相同濃度的硫酸銅溶液進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量方法為控制變量法,探討電導(dǎo)率與銅離子濃度的關(guān)系，以確定溶液的銅離子濃度。

3.1實(shí)驗(yàn)儀器與研究方案

3.1.1實(shí)驗(yàn)儀器

電導(dǎo)率電極 1()武漢駿一科技有限公司，防水式溫度傳感器1，電路模塊，面包板 1，導(dǎo)線若干，燒杯若干，量筒 1，滴定管 1，arduino單片機(jī)1。

3.1.2實(shí)驗(yàn)樣品

去離子水，0.1mol/l硫酸銅溶液，0.5mol/l硫酸銅溶液，0.05mol/l硫酸銅溶液

3.1.3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）電極前處理。

電極在首次測(cè)量前使用標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率校準(zhǔn)液氯化鉀進(jìn)行校準(zhǔn)，兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率分別為1413us/cm和12.88ms/cm(25℃)。校準(zhǔn)成功后將電極取出，用去離子水清洗完畢后，準(zhǔn)備正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

1）配置不同硫酸銅濃度的溶液20組，溶度范圍0.023mol/ L-0.1mol/L。

2）將電導(dǎo)率電極及溫度傳感器放入每組溶液中，輕輕攪拌溶液，使其充分接觸電極的鉑片，將溶液溫度控制在19.37℃，記錄溶液的濃度值電壓值與其電導(dǎo)率值，重復(fù)上述步驟，直至20組溶液測(cè)試完成，注意在任意兩次測(cè)量之間，都應(yīng)該清洗電極再進(jìn)行下一次測(cè)量。

3.2誤差分析

由以上實(shí)驗(yàn)可得如表1所示結(jié)果：