[導讀]摘要 溫度是影響pH值在線測量精度和長期穩定性的重要因素之一，因此在採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採集電路至關重要。文中採用ADI公司最新生產的低偏置電流、低失調漂移放大器ADA450
摘要 溫度是影響pH值在線測量精度和長期穩定性的重要因素之一，因此在採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採集電路至關重要。文中採用ADI公司最新生產的低偏置電流、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、結構簡單、功耗低，實驗結果表明，該方案能在10～60℃範圍內保持較高的測量精度。
在pH值在線測量中，電位分析法是實現在線監測和過程監控的唯一方法，該方法所用的電極被稱爲原電池，使化學反應能量轉成爲電能。原電池由兩個半電池構成，其中一個半電池稱作測量電極，它的電位與特定的離子活度有關;另一個半電池爲參比半電池，通常稱作參比電極，它一般是與測量溶液相通，並且與測量儀表相連。原電池的電壓稱爲電動勢(EMF)，根據能斯特方程，pH值與電動勢E之間的關係如下
式(1)和式(2)中，aH+爲水溶液中氫離子活度;R爲氣體常數;F爲法拉第常數;T爲絕對溫度，E0爲標準電極電位。
從式(1)和式(2)可以看出，pH值計算時的斜率與溫度T成線性關係，因此必須對方程中的斜率進行補償。此外，由於pH測量電極上產生的電動勢較小，最大隻有幾百mV，因此對於pH值在線監測傳感器，在設計信號放大和採集電路時，必須考慮放大電路隨時間和溫度的漂移對pH值的影響，以獲得精確且結果可重複的PH值。
1 低溫漂放大和採集電路設計
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採集電路、微控制器和通信接口，如圖1所示。pH電極產生的電動勢信號經過緩衝和增益放大後進入A/D芯片進行模數轉換，同時傳感器輸出的溫度信號也送入到A/D芯片進行轉換，MCU對採集到的pH信號進行濾波和溫度補償，計算出pH值，然後通過RS485接口送到遠程控制主機，同時也可通過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在線測量系統，首先要減小溫度對信號處理和信號採集電路的影響，這就對處理電路和採集電路提出了更高的要求。
1.2 信號放大電路設計
由於pH電極具有較大的輸出電阻，要實現精確的pH測量，作爲緩衝器的前級，應選用低偏置電流的放大器。經過低漏電流緩衝級後，信號再提供給增益放大級，以實現更高的分辨率。爲此，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，其典型失調電壓爲500μV，0.1～10 Hz內具有2.95μV的低峯峯值電壓噪聲，滿足電路中作爲緩衝器和放大器的要求。此外，該芯片在0～50℃範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 信號採集和溫度測量電路
在pH儀表的多數應用中只需要提供3位的分辨率，因此採用16位的∑-△ADC即可滿足要求，考慮到pH測量對低噪聲和低溫漂的要求，採用ADI公司的AD7792作爲A/D轉換芯片，該芯片內部結構如圖3所示。如需更高的採集精度，可採用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。當增益設置爲64，更新速率爲4.17 Hz時，均方根噪聲爲40 nV。芯片內置一個精密低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源，也可採用一個外部差分基準電壓源。此外，芯片還內置了兩個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AD7792兩個完全匹配的電流源，可以實現最佳的三線式RTD配置。在圖4中，如果只使用一路電流，引線電阻將產生誤差，由於激勵電流流經RL1，將在AIN1+引腳和AIN1-引腳之間產生電壓誤差。如採用三線式配置，第2個RTD電流源可用於補償因激勵電流流經RL所產生的誤差。當圖中RL1和RL2相等，IOUT1與IOUT2匹配，第2個RTD電流流經RL2後，RL2的誤差電壓與RL1的誤差電壓相等，且AIN1+引腳和AIN1-引腳之間無誤差電壓。雖然在RL3上產生了兩倍電壓，但由於所產生的電壓爲共模電壓因此，不存在電壓誤差，溫度測量精度高。
AD7792可以採用內部時鐘或外部時鐘工作，輸出數據速率可通過軟件編程設置，在4.17～470 Hz範圍內選擇。
2 軟件採集流程
MCU的主要功能是完成對pH信號、溫度信號的採集和軟件濾波，根據採集的溫度信號，自動補償和修正式(1)中的S斜率，計算出待測溶液的pH值，並根據需要轉換成4～20 mA的電流信號或通過RS485總線傳送到主控計算機。其主要軟件流程框圖如圖5所示。
3 pH測試實驗結果
在利用該方案組建的測試系統中，pH電極採用瑞士萬通的複合pH玻璃電極。該電極自帶pt1000溫度傳感器，耐溫高、鹼差小、溫度變化響應快，長壽命LL參比系統穩定性好，pH測量範圍0～14。在測試之前，首先用苯二甲酸氫鹽標準緩衝溶液對pH電極進行了校正，然後分別利用磷酸鹽標準緩衝溶液和硼酸鹽標準緩衝溶液在各種溫度下進行5次測量。測量均值和誤差如表1所示。
從表1可以看出，兩種標準緩衝溶液在10～60 ℃範圍內，其測量誤差≤±0.02。
4 結束語
採用ADI公司的ADA4505和AD7792芯片設計pH值在線測量電路，利用AD7792中內置的可編程電流源實現高精度的溫度測量，電路結構簡單，實測結果表明該電路具有較高的測量精度，在10～60℃範圍內具有良好的溫度穩定性，可以滿足pH測量系統長期在線、高精度測量。