基于A(yíng)D7792的pH在線(xiàn)監測傳感器采集電路設計

摘要 溫度是影響pH值在線(xiàn)測量精度和長(cháng)期穩定性的重要因素之一，因此在采集電路中設計溫漂低、穩定性高的前級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、低失調漂移放大器ADA4505和高精度ADC芯片AD7792，設計的pH值測量電路，分辨率高、穩定性好、結構簡(jiǎn)單、功耗低，實(shí)驗結果表明，該方案能在10～60℃范圍內保持較高的測量精度。

在pH值在線(xiàn)測量中，電位分析法是實(shí)現在線(xiàn)監測和過(guò)程監控的唯一方法，該方法所用的電極被稱(chēng)為原電池，使化學(xué)反應能量轉成為電能。原電池由兩個(gè)半電池構成，其中一個(gè)半電池稱(chēng)作測量電極，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(chēng)作參比電極，它一般是與測量溶液相通，并且與測量?jì)x表相連。原電池的電壓稱(chēng)為電動(dòng)勢(EMF)，根據能斯特方程，pH值與電動(dòng)勢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;F為法拉第常數;T為絕對溫度，E0為標準電極電位。

從式(1)和式(2)可以看出，pH值計算時(shí)的斜率與溫度T成線(xiàn)性關(guān)系，因此必須對方程中的斜率進(jìn)行補償。此外，由于pH測量電極上產(chǎn)生的電動(dòng)勢較小，最大只有幾百mV，因此對于pH值在線(xiàn)監測傳感器，在設計信號放大和采集電路時(shí)，必須考慮放大電路隨時(shí)間和溫度的漂移對pH值的影響，以獲得精確且結果可重復的PH值。

1 低溫漂放大和采集電路設計

1.1 DH測量系統原理框圖

一般pH測量系統包括pH電極、信號放大電路、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)勢信號經(jīng)過(guò)緩沖和增益放大后進(jìn)入A/D芯片進(jìn)行模數轉換，同時(shí)傳感器輸出的溫度信號也送入到A/D芯片進(jìn)行轉換，MCU對采集到的pH信號進(jìn)行濾波和溫度補償，計算出pH值，然后通過(guò)RS485接口送到遠程控制主機，同時(shí)也可通過(guò)V/I電路轉換成4～20 mA的電流信號。

如圖1所示，要設計一套精確、穩定的pH在線(xiàn)測量系統，首先要減小溫度對信號處理和信號采集電路的影響，這就對處理電路和采集電路提出了更高的要求。

1.2 信號放大電路設計

由于pH電極具有較大的輸出電阻，要實(shí)現精確的pH測量，作為緩沖器的前級，應選用低偏置電流的放大器。經(jīng)過(guò)低漏電流緩沖級后，信號再提供給增益放大級，以實(shí)現更高的分辨率。為此，在電路設計中選擇ADI公司的ADA4505-2芯片作放大器，設計的電路如圖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，其典型失調電壓為500μV，0.1～10 Hz內具有2.95μV的低峰峰值電壓噪聲，滿(mǎn)足電路中作為緩沖器和放大器的要求。此外，該芯片在0～50℃范圍內具有較低的失調漂移和偏置電流，對提升電路的溫度穩定性具有重要作用。

1.3 信號采集和溫度測量電路

在pH儀表的多數應用中只需要提供3位的分辨率，因此采用16位的∑-△ADC即可滿(mǎn)足要求，考慮到pH測量對低噪聲和低溫漂的要求，采用ADI公司的AD7792作為A/D轉換芯片，該芯片內部結構如圖3所示。如需更高的采集精度，可采用20位的轉換芯片AD7793，其結構原理和引腳功能與AD7792完全相同。

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

利用AD7792兩個(gè)完全匹配的電流源，可以實(shí)現最佳的三線(xiàn)式RTD配置。在圖4中，如果只使用一路電流，引線(xiàn)電阻將產(chǎn)生誤差，由于激勵電流流經(jīng)RL1，將在A(yíng)IN1+引腳和AIN1-引腳之間產(chǎn)生電壓誤差。如采用三線(xiàn)式配置，第2個(gè)RTD電流源可用于補償因激勵電流流經(jīng)RL所產(chǎn)生的誤差。當圖中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，溫度測量精度高。

AD7792可以采用內部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘工作，輸出數據速率可通過(guò)軟件編程設置，在4.17～470 Hz范圍內選擇。

2 軟件采集流程

MCU的主要功能是完成對pH信號、溫度信號的采集和軟件濾波，根據采集的溫度信號，自動(dòng)補償和修正式(1)中的S斜率，計算出待測溶液的pH值，并根據需要轉換成4～20 mA的電流信號或通過(guò)RS485總線(xiàn)傳送到主控計算機。其主要軟件流程框圖如圖5所示。

3 pH測試實(shí)驗結果

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

從表1可以看出，兩種標準緩沖溶液在10～60 ℃范圍內，其測量誤差≤±0.02。

4 結束語(yǔ)

采用ADI公司的ADA4505和AD7792芯片設計pH值在線(xiàn)測量電路，利用AD7792中內置的可編程電流源實(shí)現高精度的溫度測量，電路結構簡(jiǎn)單，實(shí)測結果表明該電路具有較高的測量精度，在10～60℃范圍內具有良好的溫度穩定性，可以滿(mǎn)足pH測量系統長(cháng)期在線(xiàn)、高精度測量。