喬繼紅， 李 特

(北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048)

基于離子檢測的礦泉水識別電路設計*

喬繼紅， 李 特

(北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048)

為定性區(qū)分不同品牌礦泉水，設計檢測電路。不同品牌礦泉水中的各種離子含量和pH值不同，通過檢測離子含量和pH值的方法來定性識別礦泉水。利用離子傳感器陣列定性檢測礦泉水離子的含量并以電壓信號輸出。整個信號檢測電路分為恒電位電路、電流/電壓(I/V)轉換電路和差動放大電路等部分，最后的輸出電壓反映了離子含量和pH值的大小。借助TINA仿真軟件，很好地解決了設計電路中運算放大器的選型問題，并保證了系統(tǒng)的總體性能。在仿真的基礎上進行了實驗驗證，實驗結果表明：該設計電路能有效區(qū)分不同礦泉水，具有實際意義。

離子檢測； TINA仿真軟件； 運算放大器； 礦泉水識別

0 引 言

當前市場上的礦泉水品牌繁多，但質量都存在很大差別。為定性區(qū)分不同品牌礦泉水和檢測礦泉水的質量，近年來使用離子電極檢測溶液的方法得到關注，文獻[1]使用離子選擇電極和單片機技術設計了一種電子系統(tǒng)，可以檢測礦泉水與蘋果汁，但文獻中的檢測電路的設計是基于兩電極的，當液體變換較大時會使得測量誤差增大，同時文獻中并沒有給出信號檢測電路的性能參數(shù)。文獻[2]使用專用的數(shù)據(jù)采集卡設計了智能電子舌，實現(xiàn)了對茶飲料的識別，但專用的數(shù)據(jù)采集卡成本比較高。根據(jù)電化學原理，對溶液的測量可以采用基于三電極的檢測電路[3,4]。為保證電極工作的穩(wěn)定性，要求工作電極和參比電極之間的電壓要保持恒定，同時要保證參比電極上無電流，因此，設計恒壓電路顯得非常重要[5]。工作電極和輔助電極之間電流的大小反映了被測溶液中離子的含量，但此電流比較微弱，需要針對實際情況設計微弱電流的檢測電路。

為保證設計的電路能夠滿足測量要求，本文采用先進行仿真設計再進行實際實驗的方案。常用的仿真軟件有Multisim，Proteus，TINA等[6～9]。由于電路主要涉及到運算放大器的選取問題，TINA軟件功能強大，可以提供多種仿真功能，具有仿真精度高的特點。TINA的仿真結果更與實際器件接近，因此，本文采用TINA仿真軟件進行輔助設計。

1 電路設計

總體設計框圖如圖1所示。使用三電極方法測量液體中金屬離子的含量。工作電極(WE)是金屬離子敏感電極，參比電極(RE)的作用是使得參比電極和工作電極之間的電壓保持恒定，參比電極上沒有電流。輔助電極(CE)和WE之間構成電流通路，該電流反映了待測溶液中離子的含量。為方便測量，將WE和RE之間的電流轉換成電壓，并進行相應的放大。最后為方便后續(xù)顯示電路的設計，將輸出電壓的范圍調整為0～5 V的單極性電壓。

圖1 整體設計框圖Fig 1 Block diagram of overall design

1.1 恒電位電路和I/V轉換電路

被測溶液可以等效成電阻電容電路，電阻電容參數(shù)隨著離子含量的不同而變化。由于本設計中采用的是直流信號，可以忽略電容，仿真時用電位器來模擬溶液，如圖2中的P1。WE和CE之間有電流流過，電流大小隨離子含量的多少而變化。RE和WE之間應保持恒定的電位，不隨溶液中離子濃度變化。WE和CE之間的電流經電阻器R1轉換成電壓，即R1兩端的電壓變化放映了溶液中離子的濃度。由于工作電流是μA或mA級的，因此,設計電阻器R1選擇10 kΩ阻值。為保證RE和WE之間的電位為所給電位VS1的值，要求RE上不能有電流，為實現(xiàn)這一點，應選擇高輸入阻抗、低偏置電流的運算放大器。利用仿真軟件TINA，第一組Num1，選擇U1為LM324，U2為TL084，第二組Num2，選擇U1為OPA333，U2為OPA703。針對這兩組，分析隨著P1阻值的變化，RE點電位是否恒定，分析結果見圖3。接下來分析隨著參考電位的變化，RE點電位是否恒定，仿真結果如圖4。從圖3可以看出:隨著電位器P1阻值的變化，當電阻值逐漸減小時，第一組比第二組先出現(xiàn)VF1點電位(即RE點電位)不再恒定為1 V的情況，即隨著P1阻值的變化，第二組恒電位的性能優(yōu)于第一組。圖4給出了當參考電位VS1改變時，恒定電位VF1隨之變化的情況。對于第一組，當參考電位VS1在-1.5～+1.5 V之間變化時，RE點電位才是隨之變化的；第二組當給定參考電位VS1在-3～+3 V之間變化時，RE點電位都是隨之變化的。從圖4可知，第二組的性能優(yōu)于第一組。綜合溶液電阻變化和給定參考點變化兩種情況，選擇第二組運放作為本設計的運放，即圖2中U1選OPA333，U2選OPA703。給定參考電位可以是-3～+3 V之間的任意值。

圖2 恒電位電路和I/V轉換電路Fig 2 Constant potential circuit and I/V conversion circuit

圖3 溶液變化對恒電位電路性能的影響Fig 3 Effect of solution change on performance of constant potential circuit

圖4 恒電位電路隨參考電壓變化對比Fig 4 Comparison of constant potential circuit change with reference voltage

在圖2中VS1是理想電源，在實現(xiàn)時要使用實際電源，為減小實際電源內阻的影響，設計電壓跟隨電路，將該部分用圖5中的電路替代。考慮到圖2的VS1與VF1之間的關系(圖4)，VS1的值在-3～+3 V之間變化，因此,設計電壓跟隨電路時選擇普通運算放大器即可滿足要求。圖5電路的輸入輸出電壓關系見圖6，輸入電壓在-3.5～+3.5 V之間變化時，輸出反相跟隨其變化，可以滿足恒定電位電路中參考電壓的要求。

圖5 電壓跟隨電路Fig 5 Voltage following circuit

圖6 電壓跟隨電路性能Fig 6 Performance of voltage following circuit

1.2 差動放大電路

圖2中R1上的電壓反映了被測液體中離子的濃度，該電壓很微弱，需要進行放大測量，本系統(tǒng)采用差動放大電路，如圖7所示。在差動放大電路部分，分別使用運放TL084,OPA333,OPA354進行TINA仿真,其仿真結果如圖8所示。

圖7 差動放大電路Fig 7 Differential amplifier circuit

圖7中的U5～U8使用TL084時，當差動輸入在-500～+500 mV之間時，即傳感器上的電流為50 μA時，其輸出幾乎為0；使用OPA333時，仍然存在零交越失真；當采用OPA354時，不存在零交越失真。由于前一級R1(10 kΩ)上的電壓很微弱，因此,選擇OPA354作差動放大部分，以保證微弱信號也能被檢測到。

圖8 不同運放下差動放大電路性能比較Fig 8 Performance comparison of differential amplifier circuit in different operational amplifier

1.3 輸出電壓調整電路

為方便后續(xù)智能模塊對電壓的測量，將雙極性電壓-5～+5 V轉換成單極性電壓0～5 V，其電路如圖9所示，其電壓轉換關系如圖10。圖9電路中選擇OPA333，這種運放是輸入和輸出均為軌到軌的，從圖10可以看出在輸入輸出范圍內其線性度良好，性能可以能夠滿足設計要求。

圖9 雙極性轉單極性電路Fig 9 Circuit of bipolar to unipolar conversion

圖10 電路圖9的輸入與輸出關系Fig 10 Input and output relationship of circuit fig 9

2 整體實現(xiàn)

綜合各部分的設計，根據(jù)圖1的總體設計框圖將各部分連接起來，如圖11所示。不同品牌的礦泉水中各離子的含量不同，其pH值也不同。為識別礦泉水，本文設計檢測礦泉水中的Na離子和pH值。電極均為上海雷磁牌，分別是701型pNa電極和E—201—C型pH電極、217型輔助電極和232型參比電極。綜合前面的設計，制作實際電路板進行測試，測量Na離子使用Na離子電極作為工作電極，測量pH值更換工作電極為pH電極，測試結果見表1。從表1中可以看出，不同的礦泉水對應的pH值和Na離子含量均有明顯不同，通過這些數(shù)據(jù)可以明顯區(qū)分出不同品牌的水。

圖11 系統(tǒng)整體設計電路圖Fig 11 System overall design circuit

表1 對不同飲用水pH,pNa測試測得的電壓值Tab 1 Measured voltage value of pH and pNa in different drinking water

3 結束語

本文借助TINA仿真軟件，設計了礦泉水定性檢測電路。設計的恒電位電路保證了工作電極和參比電極之間的電位恒定，工作電極和輔助電極之間的電流反映了待測量的大小，通過設計I/V轉換電路和差動放大電路，將待測量轉換為0～5 V的電壓值。實際實驗也驗證了該電路能夠定性區(qū)別不同品牌的礦泉水。此外通過擴充傳感器，本設計也可以用于檢測其它液體飲料，如果汁、牛奶等，具有實際意義。

[1] 沈睿謙,王 俊.基于離子選擇電極和單片機技術的電子舌設計與試驗[J].農業(yè)機械學報,2013,44(6):183-188.

[2] 鐘海軍,田師一,鄧少平.智能型電子舌的虛擬儀器構建技術[J].儀表技術與傳感器,2009(10):31-34.

[3] 胡會利,李 寧.電化學測量[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[4] 王翠翠,周 真,秦 勇,等.電流型電化學傳感器恒電位儀電路的研究[J].傳感器世界,2009,15(2):36-39.

[5] 姚毓升,解永平,文 濤.三電極電化學傳感器的恒電位儀設計[J].儀表技術與傳感器,2009(9):23-25.

[6] 陳 巖,閆云浩,譚 婷,等.基于WSNs多參數(shù)水質監(jiān)測的終端設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(10):83-86.

[7] 樊 彬,周鐵戈,閻少林,等.Multisim在超導器件研究中的應用[J].電子學報,2010,38(8):1886-1891.

[8] 劉 鄒,丁青青.基于Proteus的硬件在回路仿真[J].計算機仿真,2009,26(2):312-314.

[9] 張 立,劉 昆.基于TINA 電路仿真的磁軸承開關功放濾波器設計[J].系統(tǒng)仿真學報,2013,25(3)：548-557.

Design of mineral water identification circuit based on ion detection*

QIAO Ji-hong, LI Te

(College of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

To qualitatively distinguish different brands of mineral water,detection circuit is designed. Because different brands of mineral water has different ion content and pH value,a method by testing ion concentration and pH value in solution is proposed to qualitatively identify mineral water.Ion sensor array is used to qualitatively detect ion content of mineral water,and output by voltage signal.The whole signal detection circuit is divided into three parts,constant potential circuit,current/voltage (I/V) conversion circuit and differential amplifier circuit,the final output voltage reflects ion content and pH value.Selection problem of operational amplifiers in designed circuit is solved and overall performance of the system is assured by using TINA simulation software.Experimental verification are carried out on the basis of simulation,experimental result shows that the designed circuit can effectively distinguish different mineral water,and has practical significance.

ion detection; TINA simulation software; operational amplifier; mineral water identification

10.13873/J.1000—9787(2015)12—0090—04

2015—10—13

大學生科研與創(chuàng)業(yè)行動計劃資助項目(SJ201502035)

TP 391.9

: B

: 1000—9787(2015)12—0090—04

喬繼紅(1972-)，女，河北盧龍人，博士，副教授，主要研究領域為非線性控制和智能檢測。