基于離子檢測(cè)的礦泉水識(shí)別電路設(shè)計(jì)*

喬繼紅， 李 特

(北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

基于離子檢測(cè)的礦泉水識(shí)別電路設(shè)計(jì)*

喬繼紅， 李 特

(北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

為定性區(qū)分不同品牌礦泉水，設(shè)計(jì)檢測(cè)電路。不同品牌礦泉水中的各種離子含量和pH值不同，通過(guò)檢測(cè)離子含量和pH值的方法來(lái)定性識(shí)別礦泉水。利用離子傳感器陣列定性檢測(cè)礦泉水離子的含量并以電壓信號(hào)輸出。整個(gè)信號(hào)檢測(cè)電路分為恒電位電路、電流/電壓(I/V)轉(zhuǎn)換電路和差動(dòng)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(shè)計(jì)電路中運(yùn)算放大器的選型問(wèn)題，并保證了系統(tǒng)的總體性能。在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)電路能有效區(qū)分不同礦泉水，具有實(shí)際意義。

離子檢測(cè)； TINA仿真軟件； 運(yùn)算放大器； 礦泉水識(shí)別

0 引 言

當(dāng)前市場(chǎng)上的礦泉水品牌繁多，但質(zhì)量都存在很大差別。為定性區(qū)分不同品牌礦泉水和檢測(cè)礦泉水的質(zhì)量，近年來(lái)使用離子電極檢測(cè)溶液的方法得到關(guān)注，文獻(xiàn)[1]使用離子選擇電極和單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種電子系統(tǒng)，可以檢測(cè)礦泉水與蘋(píng)果汁，但文獻(xiàn)中的檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)是基于兩電極的，當(dāng)液體變換較大時(shí)會(huì)使得測(cè)量誤差增大，同時(shí)文獻(xiàn)中并沒(méi)有給出信號(hào)檢測(cè)電路的性能參數(shù)。文獻(xiàn)[2]使用專用的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了智能電子舌，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茶飲料的識(shí)別，但專用的數(shù)據(jù)采集卡成本比較高。根據(jù)電化學(xué)原理，對(duì)溶液的測(cè)量可以采用基于三電極的檢測(cè)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(shí)要保證參比電極上無(wú)電流，因此，設(shè)計(jì)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(cè)溶液中離子的含量，但此電流比較微弱，需要針對(duì)實(shí)際情況設(shè)計(jì)微弱電流的檢測(cè)電路。

為保證設(shè)計(jì)的電路能夠滿足測(cè)量要求，本文采用先進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(yùn)算放大器的選取問(wèn)題，TINA軟件功能強(qiáng)大，可以提供多種仿真功能，具有仿真精度高的特點(diǎn)。TINA的仿真結(jié)果更與實(shí)際器件接近，因此，本文采用TINA仿真軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

1 電路設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。使用三電極方法測(cè)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(méi)有電流。輔助電極(CE)和WE之間構(gòu)成電流通路，該電流反映了待測(cè)溶液中離子的含量。為方便測(cè)量，將WE和RE之間的電流轉(zhuǎn)換成電壓，并進(jìn)行相應(yīng)的放大。最后為方便后續(xù)顯示電路的設(shè)計(jì)，將輸出電壓的范圍調(diào)整為0～5 V的單極性電壓。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖Fig 1 Block diagram of overall design

1.1 恒電位電路和I/V轉(zhuǎn)換電路

被測(cè)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(shè)計(jì)中采用的是直流信號(hào)，可以忽略電容，仿真時(shí)用電位器來(lái)模擬溶液，如圖2中的P1。WE和CE之間有電流流過(guò)，電流大小隨離子含量的多少而變化。RE和WE之間應(yīng)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(jīng)電阻器R1轉(zhuǎn)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(jí)的，因此,設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，應(yīng)選擇高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)算放大器。利用仿真軟件TINA，第一組Num1，選擇U1為L(zhǎng)M324，U2為T(mén)L084，第二組Num2，選擇U1為OPA333，U2為OPA703。針對(duì)這兩組，分析隨著P1阻值的變化，RE點(diǎn)電位是否恒定，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。接下來(lái)分析隨著參考電位的變化，RE點(diǎn)電位是否恒定，仿真結(jié)果如圖4。從圖3可以看出:隨著電位器P1阻值的變化，當(dāng)電阻值逐漸減小時(shí)，第一組比第二組先出現(xiàn)VF1點(diǎn)電位(即RE點(diǎn)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(dāng)參考電位VS1改變時(shí)，恒定電位VF1隨之變化的情況。對(duì)于第一組，當(dāng)參考電位VS1在-1.5～+1.5 V之間變化時(shí)，RE點(diǎn)電位才是隨之變化的；第二組當(dāng)給定參考電位VS1在-3～+3 V之間變化時(shí)，RE點(diǎn)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(diǎn)變化兩種情況，選擇第二組運(yùn)放作為本設(shè)計(jì)的運(yùn)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(zhuǎn)換電路Fig 2 Constant potential circuit and I/V conversion circuit

圖3 溶液變化對(duì)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(duì)比Fig 4 Comparison of constant potential circuit change with reference voltage

在圖2中VS1是理想電源，在實(shí)現(xiàn)時(shí)要使用實(shí)際電源，為減小實(shí)際電源內(nèi)阻的影響，設(shè)計(jì)電壓跟隨電路，將該部分用圖5中的電路替代?？紤]到圖2的VS1與VF1之間的關(guān)系(圖4)，VS1的值在-3～+3 V之間變化，因此,設(shè)計(jì)電壓跟隨電路時(shí)選擇普通運(yùn)算放大器即可滿足要求。圖5電路的輸入輸出電壓關(guān)系見(jiàn)圖6，輸入電壓在-3.5～+3.5 V之間變化時(shí)，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(dòng)放大電路

圖2中R1上的電壓反映了被測(cè)液體中離子的濃度，該電壓很微弱，需要進(jìn)行放大測(cè)量，本系統(tǒng)采用差動(dòng)放大電路，如圖7所示。在差動(dòng)放大電路部分，分別使用運(yùn)放TL084,OPA333,OPA354進(jìn)行TINA仿真,其仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 差動(dòng)放大電路Fig 7 Differential amplifier circuit

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

圖8 不同運(yùn)放下差動(dòng)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(diào)整電路

為方便后續(xù)智能模塊對(duì)電壓的測(cè)量，將雙極性電壓-5～+5 V轉(zhuǎn)換成單極性電壓0～5 V，其電路如圖9所示，其電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖10。圖9電路中選擇OPA333，這種運(yùn)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(nèi)其線性度良好，性能可以能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 雙極性轉(zhuǎn)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(guān)系Fig 10 Input and output relationship of circuit fig 9

2 整體實(shí)現(xiàn)

綜合各部分的設(shè)計(jì)，根據(jù)圖1的總體設(shè)計(jì)框圖將各部分連接起來(lái)，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(shí)別礦泉水，本文設(shè)計(jì)檢測(cè)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(shè)計(jì)，制作實(shí)際電路板進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量Na離子使用Na離子電極作為工作電極，測(cè)量pH值更換工作電極為pH電極，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出，不同的礦泉水對(duì)應(yīng)的pH值和Na離子含量均有明顯不同，通過(guò)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(shè)計(jì)電路圖Fig 11 System overall design circuit

表1 對(duì)不同飲用水pH,pNa測(cè)試測(cè)得的電壓值Tab 1 Measured voltage value of pH and pNa in different drinking water

3 結(jié)束語(yǔ)

本文借助TINA仿真軟件，設(shè)計(jì)了礦泉水定性檢測(cè)電路。設(shè)計(jì)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(cè)量的大小，通過(guò)設(shè)計(jì)I/V轉(zhuǎn)換電路和差動(dòng)放大電路，將待測(cè)量轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓值。實(shí)際實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了該電路能夠定性區(qū)別不同品牌的礦泉水。此外通過(guò)擴(kuò)充傳感器，本設(shè)計(jì)也可以用于檢測(cè)其它液體飲料，如果汁、牛奶等，具有實(shí)際意義。

[1] 沈睿謙,王 俊.基于離子選擇電極和單片機(jī)技術(shù)的電子舌設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),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(gòu)建技術(shù)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(10):31-34.

[3] 胡會(huì)利,李 寧.電化學(xué)測(cè)量[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[4] 王翠翠,周 真,秦 勇,等.電流型電化學(xué)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(xué)傳感器的恒電位儀設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)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(zhì)監(jiān)測(cè)的終端設(shè)計(jì)[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(dǎo)器件研究中的應(yīng)用[J].電子學(xué)報(bào),2010,38(8):1886-1891.

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

[9] 張 立,劉 昆.基于TINA 電路仿真的磁軸承開(kāi)關(guān)功放濾波器設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),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(xué)生科研與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)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(lǐng)域?yàn)榉蔷€性控制和智能檢測(cè)。