基于离子检测的矿泉水识别电路设计*

乔继红， 李 特

(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048)

基于离子检测的矿泉水识别电路设计*

乔继红， 李 特

(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048)

为定性区分不同品牌矿泉水，设计检测电路。不同品牌矿泉水中的各种离子含量和pH值不同，通过检测离子含量和pH值的方法来定性识别矿泉水。利用离子传感器阵列定性检测矿泉水离子的含量并以电压信号输出。整个信号检测电路分为恒电位电路、电流/电压(I/V)转换电路和差动放大电路等部分，最后的输出电压反映了离子含量和pH值的大小。借助TINA仿真软件，很好地解决了设计电路中运算放大器的选型问题，并保证了系统的总体性能。在仿真的基础上进行了实验验证，实验结果表明：该设计电路能有效区分不同矿泉水，具有实际意义。

离子检测； TINA仿真软件； 运算放大器； 矿泉水识别

0 引 言

当前市场上的矿泉水品牌繁多，但质量都存在很大差别。为定性区分不同品牌矿泉水和检测矿泉水的质量，近年来使用离子电极检测溶液的方法得到关注，文献[1]使用离子选择电极和单片机技术设计了一种电子系统，可以检测矿泉水与苹果汁，但文献中的检测电路的设计是基于两电极的，当液体变换较大时会使得测量误差增大，同时文献中并没有给出信号检测电路的性能参数。文献[2]使用专用的数据采集卡设计了智能电子舌，实现了对茶饮料的识别，但专用的数据采集卡成本比较高。根据电化学原理，对溶液的测量可以采用基于三电极的检测电路[3,4]。为保证电极工作的稳定性，要求工作电极和参比电极之间的电压要保持恒定，同时要保证参比电极上无电流，因此，设计恒压电路显得非常重要[5]。工作电极和辅助电极之间电流的大小反映了被测溶液中离子的含量，但此电流比较微弱，需要针对实际情况设计微弱电流的检测电路。

为保证设计的电路能够满足测量要求，本文采用先进行仿真设计再进行实际实验的方案。常用的仿真软件有Multisim，Proteus，TINA等[6～9]。由于电路主要涉及到运算放大器的选取问题，TINA软件功能强大，可以提供多种仿真功能，具有仿真精度高的特点。TINA的仿真结果更与实际器件接近，因此，本文采用TINA仿真软件进行辅助设计。

1 电路设计

总体设计框图如图1所示。使用三电极方法测量液体中金属离子的含量。工作电极(WE)是金属离子敏感电极，参比电极(RE)的作用是使得参比电极和工作电极之间的电压保持恒定，参比电极上没有电流。辅助电极(CE)和WE之间构成电流通路，该电流反映了待测溶液中离子的含量。为方便测量，将WE和RE之间的电流转换成电压，并进行相应的放大。最后为方便后续显示电路的设计，将输出电压的范围调整为0～5 V的单极性电压。

图1 整体设计框图Fig 1 Block diagram of overall design

1.1 恒电位电路和I/V转换电路

被测溶液可以等效成电阻电容电路，电阻电容参数随着离子含量的不同而变化。由于本设计中采用的是直流信号，可以忽略电容，仿真时用电位器来模拟溶液，如图2中的P1。WE和CE之间有电流流过，电流大小随离子含量的多少而变化。RE和WE之间应保持恒定的电位，不随溶液中离子浓度变化。WE和CE之间的电流经电阻器R1转换成电压，即R1两端的电压变化放映了溶液中离子的浓度。由于工作电流是μA或mA级的，因此,设计电阻器R1选择10 kΩ阻值。为保证RE和WE之间的电位为所给电位VS1的值，要求RE上不能有电流，为实现这一点，应选择高输入阻抗、低偏置电流的运算放大器。利用仿真软件TINA，第一组Num1，选择U1为LM324，U2为TL084，第二组Num2，选择U1为OPA333，U2为OPA703。针对这两组，分析随着P1阻值的变化，RE点电位是否恒定，分析结果见图3。接下来分析随着参考电位的变化，RE点电位是否恒定，仿真结果如图4。从图3可以看出:随着电位器P1阻值的变化，当电阻值逐渐减小时，第一组比第二组先出现VF1点电位(即RE点电位)不再恒定为1 V的情况，即随着P1阻值的变化，第二组恒电位的性能优于第一组。图4给出了当参考电位VS1改变时，恒定电位VF1随之变化的情况。对于第一组，当参考电位VS1在-1.5～+1.5 V之间变化时，RE点电位才是随之变化的；第二组当给定参考电位VS1在-3～+3 V之间变化时，RE点电位都是随之变化的。从图4可知，第二组的性能优于第一组。综合溶液电阻变化和给定参考点变化两种情况，选择第二组运放作为本设计的运放，即图2中U1选OPA333，U2选OPA703。给定参考电位可以是-3～+3 V之间的任意值。

图2 恒电位电路和I/V转换电路Fig 2 Constant potential circuit and I/V conversion circuit

图3 溶液变化对恒电位电路性能的影响Fig 3 Effect of solution change on performance of constant potential circuit

图4 恒电位电路随参考电压变化对比Fig 4 Comparison of constant potential circuit change with reference voltage

在图2中VS1是理想电源，在实现时要使用实际电源，为减小实际电源内阻的影响，设计电压跟随电路，将该部分用图5中的电路替代。考虑到图2的VS1与VF1之间的关系(图4)，VS1的值在-3～+3 V之间变化，因此,设计电压跟随电路时选择普通运算放大器即可满足要求。图5电路的输入输出电压关系见图6，输入电压在-3.5～+3.5 V之间变化时，输出反相跟随其变化，可以满足恒定电位电路中参考电压的要求。

图5 电压跟随电路Fig 5 Voltage following circuit

图6 电压跟随电路性能Fig 6 Performance of voltage following circuit

1.2 差动放大电路

图2中R1上的电压反映了被测液体中离子的浓度，该电压很微弱，需要进行放大测量，本系统采用差动放大电路，如图7所示。在差动放大电路部分，分别使用运放TL084,OPA333,OPA354进行TINA仿真,其仿真结果如图8所示。

图7 差动放大电路Fig 7 Differential amplifier circuit

图7中的U5～U8使用TL084时，当差动输入在-500～+500 mV之间时，即传感器上的电流为50 μA时，其输出几乎为0；使用OPA333时，仍然存在零交越失真；当采用OPA354时，不存在零交越失真。由于前一级R1(10 kΩ)上的电压很微弱，因此,选择OPA354作差动放大部分，以保证微弱信号也能被检测到。

图8 不同运放下差动放大电路性能比较Fig 8 Performance comparison of differential amplifier circuit in different operational amplifier

1.3 输出电压调整电路

为方便后续智能模块对电压的测量，将双极性电压-5～+5 V转换成单极性电压0～5 V，其电路如图9所示，其电压转换关系如图10。图9电路中选择OPA333，这种运放是输入和输出均为轨到轨的，从图10可以看出在输入输出范围内其线性度良好，性能可以能够满足设计要求。

图9 双极性转单极性电路Fig 9 Circuit of bipolar to unipolar conversion

图10 电路图9的输入与输出关系Fig 10 Input and output relationship of circuit fig 9

2 整体实现

综合各部分的设计，根据图1的总体设计框图将各部分连接起来，如图11所示。不同品牌的矿泉水中各离子的含量不同，其pH值也不同。为识别矿泉水，本文设计检测矿泉水中的Na离子和pH值。电极均为上海雷磁牌，分别是701型pNa电极和E—201—C型pH电极、217型辅助电极和232型参比电极。综合前面的设计，制作实际电路板进行测试，测量Na离子使用Na离子电极作为工作电极，测量pH值更换工作电极为pH电极，测试结果见表1。从表1中可以看出，不同的矿泉水对应的pH值和Na离子含量均有明显不同，通过这些数据可以明显区分出不同品牌的水。

图11 系统整体设计电路图Fig 11 System overall design circuit

表1 对不同饮用水pH,pNa测试测得的电压值Tab 1 Measured voltage value of pH and pNa in different drinking water

3 结束语

本文借助TINA仿真软件，设计了矿泉水定性检测电路。设计的恒电位电路保证了工作电极和参比电极之间的电位恒定，工作电极和辅助电极之间的电流反映了待测量的大小，通过设计I/V转换电路和差动放大电路，将待测量转换为0～5 V的电压值。实际实验也验证了该电路能够定性区别不同品牌的矿泉水。此外通过扩充传感器，本设计也可以用于检测其它液体饮料，如果汁、牛奶等，具有实际意义。

[1] 沈睿谦,王 俊.基于离子选择电极和单片机技术的电子舌设计与试验[J].农业机械学报,2013,44(6):183-188.

[2] 钟海军,田师一,邓少平.智能型电子舌的虚拟仪器构建技术[J].仪表技术与传感器,2009(10):31-34.

[3] 胡会利,李 宁.电化学测量[M].北京:国防工业出版社,2007.

[4] 王翠翠,周 真,秦 勇,等.电流型电化学传感器恒电位仪电路的研究[J].传感器世界,2009,15(2):36-39.

[5] 姚毓升,解永平,文 涛.三电极电化学传感器的恒电位仪设计[J].仪表技术与传感器,2009(9):23-25.

[6] 陈 岩,闫云浩,谭 婷,等.基于WSNs多参数水质监测的终端设计[J].传感器与微系统,2014,33(10):83-86.

[7] 樊 彬,周铁戈,阎少林,等.Multisim在超导器件研究中的应用[J].电子学报,2010,38(8):1886-1891.

[8] 刘 邹,丁青青.基于Proteus的硬件在回路仿真[J].计算机仿真,2009,26(2):312-314.

[9] 张 立,刘 昆.基于TINA 电路仿真的磁轴承开关功放滤波器设计[J].系统仿真学报,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

大学生科研与创业行动计划资助项目(SJ201502035)

TP 391.9

: B

: 1000—9787(2015)12—0090—04

乔继红(1972-)，女，河北卢龙人，博士，副教授，主要研究领域为非线性控制和智能检测。