基于AD7792的pH在線監(jiān)測(cè)傳感器采集電路設(shè)計(jì)

摘要 溫度是影響pH值在線測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的重要因素之一，因此在采集電路中設(shè)計(jì)溫漂低、穩(wěn)定性高的前級(jí)處理電路和高精度的A/D采集電路至關(guān)重要。文中采用ADI公司最新生產(chǎn)的低偏置電流、低失調(diào)漂移放大器ADA4505和高精度ADC芯片AD7792，設(shè)計(jì)的pH值測(cè)量電路，分辨率高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能在10～60℃范圍內(nèi)保持較高的測(cè)量精度。

在pH值在線測(cè)量中，電位分析法是實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和過(guò)程監(jiān)控的唯一方法，該方法所用的電極被稱為原電池，使化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)成為電能。原電池由兩個(gè)半電池構(gòu)成，其中一個(gè)半電池稱作測(cè)量電極，它的電位與特定的離子活度有關(guān);另一個(gè)半電池為參比半電池，通常稱作參比電極，它一般是與測(cè)量溶液相通，并且與測(cè)量?jī)x表相連。原電池的電壓稱為電動(dòng)勢(shì)(EMF)，根據(jù)能斯特方程，pH值與電動(dòng)勢(shì)E之間的關(guān)系如下

式(1)和式(2)中，aH+為水溶液中氫離子活度;R為氣體常數(shù);F為法拉第常數(shù);T為絕對(duì)溫度，E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位。

從式(1)和式(2)可以看出，pH值計(jì)算時(shí)的斜率與溫度T成線性關(guān)系，因此必須對(duì)方程中的斜率進(jìn)行補(bǔ)償。此外，由于pH測(cè)量電極上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)較小，最大只有幾百mV，因此對(duì)于pH值在線監(jiān)測(cè)傳感器，在設(shè)計(jì)信號(hào)放大和采集電路時(shí)，必須考慮放大電路隨時(shí)間和溫度的漂移對(duì)pH值的影響，以獲得精確且結(jié)果可重復(fù)的PH值。

1 低溫漂放大和采集電路設(shè)計(jì)

1.1 DH測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

一般pH測(cè)量系統(tǒng)包括pH電極、信號(hào)放大電路、A/D采集電路、微控制器和通信接口，如圖1所示。pH電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖和增益放大后進(jìn)入A/D芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)傳感器輸出的溫度信號(hào)也送入到A/D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，MCU對(duì)采集到的pH信號(hào)進(jìn)行濾波和溫度補(bǔ)償，計(jì)算出pH值，然后通過(guò)RS485接口送到遠(yuǎn)程控制主機(jī)，同時(shí)也可通過(guò)V/I電路轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)。

如圖1所示，要設(shè)計(jì)一套精確、穩(wěn)定的pH在線測(cè)量系統(tǒng)，首先要減小溫度對(duì)信號(hào)處理和信號(hào)采集電路的影響，這就對(duì)處理電路和采集電路提出了更高的要求。

1.2 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

由于pH電極具有較大的輸出電阻，要實(shí)現(xiàn)精確的pH測(cè)量，作為緩沖器的前級(jí)，應(yīng)選用低偏置電流的放大器。經(jīng)過(guò)低漏電流緩沖級(jí)后，信號(hào)再提供給增益放大級(jí)，以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。為此，在電路設(shè)計(jì)中選擇ADI公司的ADA4505-2芯片作放大器，設(shè)計(jì)的電路如圖2所示。該芯片是雙通道微功耗放大器，具有較低的輸入偏置電流(典型值0.5 pA)和出色的PSRR和CMRR性能，其典型失調(diào)電壓為500μV，0.1～10 Hz內(nèi)具有2.95μV的低峰峰值電壓噪聲，滿足電路中作為緩沖器和放大器的要求。此外，該芯片在0～50℃范圍內(nèi)具有較低的失調(diào)漂移和偏置電流，對(duì)提升電路的溫度穩(wěn)定性具有重要作用。

1.3 信號(hào)采集和溫度測(cè)量電路

在pH儀表的多數(shù)應(yīng)用中只需要提供3位的分辨率，因此采用16位的∑-△ADC即可滿足要求，考慮到pH測(cè)量對(duì)低噪聲和低溫漂的要求，采用ADI公司的AD7792作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。如需更高的采集精度，可采用20位的轉(zhuǎn)換芯片AD7793，其結(jié)構(gòu)原理和引腳功能與AD7792完全相同。

AD7792含有3個(gè)差分模擬輸入，集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號(hào)。當(dāng)增益設(shè)置為64，更新速率為4.17 Hz時(shí)，均方根噪聲為40 nV。芯片內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可采用一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓源。此外，芯片還內(nèi)置了兩個(gè)完全匹配的可編程電流源，適合作RTD溫度測(cè)量，以便對(duì)pH測(cè)量作溫度補(bǔ)償。溫度測(cè)量電路如圖4所示。

利用AD7792兩個(gè)完全匹配的電流源，可以實(shí)現(xiàn)最佳的三線式RTD配置。在圖4中，如果只使用一路電流，引線電阻將產(chǎn)生誤差，由于激勵(lì)電流流經(jīng)RL1，將在AIN1+引腳和AIN1-引腳之間產(chǎn)生電壓誤差。如采用三線式配置，第2個(gè)RTD電流源可用于補(bǔ)償因激勵(lì)電流流經(jīng)RL所產(chǎn)生的誤差。當(dāng)圖中RL1和RL2相等，IOUT1與IOUT2匹配，第2個(gè)RTD電流流經(jīng)RL2后，RL2的誤差電壓與RL1的誤差電壓相等，且AIN1+引腳和AIN1-引腳之間無(wú)誤差電壓。雖然在RL3上產(chǎn)生了兩倍電壓，但由于所產(chǎn)生的電壓為共模電壓因此，不存在電壓誤差，溫度測(cè)量精度高。

AD7792可以采用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可通過(guò)軟件編程設(shè)置，在4.17～470 Hz范圍內(nèi)選擇。

2 軟件采集流程

MCU的主要功能是完成對(duì)pH信號(hào)、溫度信號(hào)的采集和軟件濾波，根據(jù)采集的溫度信號(hào)，自動(dòng)補(bǔ)償和修正式(1)中的S斜率，計(jì)算出待測(cè)溶液的pH值，并根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)或通過(guò)RS485總線傳送到主控計(jì)算機(jī)。其主要軟件流程框圖如圖5所示。

3 pH測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在利用該方案組建的測(cè)試系統(tǒng)中，pH電極采用瑞士萬(wàn)通的復(fù)合pH玻璃電極。該電極自帶pt1000溫度傳感器，耐溫高、堿差小、溫度變化響應(yīng)快，長(zhǎng)壽命LL參比系統(tǒng)穩(wěn)定性好，pH測(cè)量范圍0～14。在測(cè)試之前，首先用苯二甲酸氫鹽標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液對(duì)pH電極進(jìn)行了校正，然后分別利用磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液和硼酸鹽標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液在各種溫度下進(jìn)行5次測(cè)量。測(cè)量均值和誤差如表1所示。

從表1可以看出，兩種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液在10～60 ℃范圍內(nèi)，其測(cè)量誤差≤±0.02。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用ADI公司的ADA4505和AD7792芯片設(shè)計(jì)pH值在線測(cè)量電路，利用AD7792中內(nèi)置的可編程電流源實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該電路具有較高的測(cè)量精度，在10～60℃范圍內(nèi)具有良好的溫度穩(wěn)定性，可以滿足pH測(cè)量系統(tǒng)長(zhǎng)期在線、高精度測(cè)量。