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

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基于電導(dǎo)電極的銅離子濃度檢測系統(tǒng)研究

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)軟件編程測試硫酸銅溶液電導(dǎo)率，通過溶液電導(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)率測量濃度方案

1.1測量銅離子濃度傳感器介紹

測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、絕對值電路、AD/DA轉(zhuǎn)換電路和測量電極(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)通過單片機(jī)各種脈沖掃描電位的輸出和相應(yīng)電流信號的采集過程，控制D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出脈沖掃描信號，經(jīng)過調(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)電流信號通過電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、濾波，可將電壓調(diào)整到一定值，再經(jīng)過反向比例放大電路，絕對值電路，輸出電壓將取輸入電壓的絕對值。再通過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，并通過測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)行測量,測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組溶液測試完成，注意在任意兩次測量之間，都應(yīng)該清洗電極再進(jìn)行下一次測量。

3.2誤差分析

由以上實(shí)驗(yàn)可得如表1所示結(jié)果：

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從以上數(shù)據(jù)中不難看出，銅離子低濃度情況下，在溫度誤差允許的范圍內(nèi)，所測得的電壓值和溶液的電導(dǎo)率是有一定關(guān)系的。由實(shí)驗(yàn)測得已知不同濃度的硫酸銅溶液的電導(dǎo)率值[4]，根據(jù)函數(shù)：

圖2　電導(dǎo)率與濃度函數(shù)關(guān)系

x為電導(dǎo)率(ms/cm)， f(x)為濃度(mol/L)。

使用matlab對其擬合，得到電導(dǎo)率與溶液濃度的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

由此，根據(jù)此式利用溶液電導(dǎo)率的測量即可計(jì)算出溶液濃度。如表1。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過對以上數(shù)據(jù)分析擬合，得到如下結(jié)論：在低濃度鹽溶液中，金屬離子濃度隨電導(dǎo)率呈正相關(guān)。