基于电导电极的铜离子浓度检测系统研究

北京林业大学理学院　潘　林　祝千宇　李　燕　黄绍树　宋　铎



基于电导电极的铜离子浓度检测系统研究

北京林业大学理学院潘林祝千宇李燕黄绍树宋铎

【摘要】本文介绍基于电导电极的传感器系统的组成部分及其硬件设计，根据该系统设计软件编程测试硫酸铜溶液电导率，通过溶液电导率与铜离子浓度的关系建立数学模型，最后运用拟合思想计算出铜离子浓度。

【关键词】电极；电导率；铜离子

1　电导率测量浓度方案

1.1测量铜离子浓度传感器介绍

测量铜离子浓度传感器是由电导电极、防水型DS18B20温度传感器、EC Meter电路板、模拟连接线、数字连接线、可插拔传感器转接器构成。

传感器的测量原理是，当电导电极插进不同的溶液时，其中会产生不同的电阻值，这些不同的电阻值会让反相比例放大电路形成不同的放大倍数，然后通过Arduino采样电压值的大小，从而计算出该溶液的电导率值。

图1　实验模拟系统

1.2测量浓度方案

先利用电导率计计算溶液的电导率值，之后通过溶液电导率与溶液中金属离子的浓度关系建立数学模型，从而计算出溶液金属浓度。

2　检测系统的设计

2.1硬件设计及关键技术

电路系统包含以下部分：Arduino单片机、电流电压转换器、调理电路、滤波电路、反向比例放大电路、绝对值电路、AD/DA转换电路和测量电极(电导电极和温度传感器)、模拟连接线、数字连接线、可插拔传感器转接器。

传感器系统通过单片机各种脉冲扫描电位的输出和相应电流信号的采集过程，控制D/A转换模块输出脉冲扫描信号，经过调理电路后施加在电导电极和温度传感器上，同时输入响应电流信号通过电流电压转换模块、滤波，可将电压调整到一定值，再经过反向比例放大电路，绝对值电路，输出电压将取输入电压的绝对值。再通过A/D模块转换成数字量提供给单片机电路，单片机将采样数据通过串口上传给上位机做进一步的分析。

2.2软件设计及关键技术

为了方便实现具体的设计，我们采用集成的Arduino单片机作为开发板。

本实验中Arduino开发包含两个部分，一个是读取温度传感器返回的温度值，另一个则是读取电导率电极传回的模拟量，并通过测量原理将其换算成具体的电导率值。

3　实验与误差分析

以电导率传感器为主要实验仪器，对不同浓度相同温度、不同温度相同浓度的硫酸铜溶液进行测量,测量方法为控制变量法,探讨电导率与铜离子浓度的关系，以确定溶液的铜离子浓度。

3.1实验仪器与研究方案

3.1.1实验仪器

电导率电极 1()武汉骏一科技有限公司，防水式温度传感器1，电路模块，面包板 1，导线若干，烧杯若干，量筒 1，滴定管 1，arduino单片机1。

3.1.2实验样品

去离子水，0.1mol/l硫酸铜溶液，0.5mol/l硫酸铜溶液，0.05mol/l硫酸铜溶液

3.1.3实验步骤

（1）电极前处理。

电极在首次测量前使用标准电导率校准液氯化钾进行校准，两种标准溶液的电导率分别为1413us/cm和12.88ms/cm(25℃)。校准成功后将电极取出，用去离子水清洗完毕后，准备正式进行实验。

（2）实验过程。

1）配置不同硫酸铜浓度的溶液20组，溶度范围0.023mol/ L-0.1mol/L。

2）将电导率电极及温度传感器放入每组溶液中，轻轻搅拌溶液，使其充分接触电极的铂片，将溶液温度控制在19.37℃，记录溶液的浓度值电压值与其电导率值，重复上述步骤，直至20组溶液测试完成，注意在任意两次测量之间，都应该清洗电极再进行下一次测量。

3.2误差分析

由以上实验可得如表1所示结果：

表1　实验结果

从以上数据中不难看出，铜离子低浓度情况下，在温度误差允许的范围内，所测得的电压值和溶液的电导率是有一定关系的。由实验测得已知不同浓度的硫酸铜溶液的电导率值[4]，根据函数：

图2　电导率与浓度函数关系

x为电导率(ms/cm)， f(x)为浓度(mol/L)。

使用matlab对其拟合，得到电导率与溶液浓度的对应关系如图2所示。

由此，根据此式利用溶液电导率的测量即可计算出溶液浓度。如表1。

4　实验结论

通过对以上数据分析拟合，得到如下结论：在低浓度盐溶液中，金属离子浓度随电导率呈正相关。