基于AD7792的pH在線監(jiān)測傳感器采集電路設(shè)計

摘要 溫度是影響pH值在線測量精度和長期穩(wěn)定性的重要因素之一，因此在采集電路中設(shè)計溫漂低、穩(wěn)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(diào)漂移放大器ADA4505和高精度ADC芯片AD7792，設(shè)計的pH值測量電路，分辨率高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，實驗結(jié)果表明，該方案能在10～60℃范圍內(nèi)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(xiàn)在線監(jiān)測和過程監(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。原電池由兩個半電池構(gòu)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(guān);另一個半電池為參比半電池，通常稱作參比電極，它一般是與測量溶液相通，并且與測量儀表相連。原電池的電壓稱為電動勢(EMF)，根據(jù)能斯特方程，pH值與電動勢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(shù);F為法拉第常數(shù);T為絕對溫度，E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位。

從式(1)和式(2)可以看出，pH值計算時的斜率與溫度T成線性關(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)生的電動勢較小，最大只有幾百mV，因此對于pH值在線監(jiān)測傳感器，在設(shè)計信號放大和采集電路時，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(jié)果可重復(fù)的PH值。

1 低溫漂放大和采集電路設(shè)計

1.1 DH測量系統(tǒng)原理框圖

一般pH測量系統(tǒng)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)生的電動勢信號經(jīng)過緩沖和增益放大后進(jìn)入A/D芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時傳感器輸出的溫度信號也送入到A/D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)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RS485接口送到遠(yuǎn)程控制主機，同時也可通過V/I電路轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號。

如圖1所示，要設(shè)計一套精確、穩(wěn)定的pH在線測量系統(tǒng)，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(shè)計

由于pH電極具有較大的輸出電阻，要實現(xiàn)精確的pH測量，作為緩沖器的前級，應(yīng)選用低偏置電流的放大器。經(jīng)過低漏電流緩沖級后，信號再提供給增益放大級，以實現(xiàn)更高的分辨率。為此，在電路設(shè)計中選擇ADI公司的ADA4505-2芯片作放大器，設(shè)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(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，對提升電路的溫度穩(wěn)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(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測量對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。當(dāng)增益設(shè)置為64，更新速率為4.17 Hz時，均方根噪聲為40 nV。芯片內(nèi)置一個精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可采用一個外部差分基準(zhǔn)電壓源。此外，芯片還內(nèi)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(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(dāng)圖中RL1和RL2相等，IOUT1與IOUT2匹配，第2個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(nèi)部時鐘或外部時鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設(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pH信號、溫度信號的采集和軟件濾波，根據(jù)采集的溫度信號，自動補償和修正式(1)中的S斜率，計算出待測溶液的pH值，并根據(jù)需要轉(zhuǎn)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(jié)果

在利用該方案組建的測試系統(tǒng)中，pH電極采用瑞士萬通的復(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，長壽命LL參比系統(tǒng)穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液對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次測量。測量均值和誤差如表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)，其測量誤差≤±0.02。

4 結(jié)束語

采用ADI公司的ADA4505和AD7792芯片設(shè)計pH值在線測量電路，利用AD7792中內(nèi)置的可編程電流源實現(xiàn)高精度的溫度測量，電路結(jié)構(gòu)簡單，實測結(jié)果表明該電路具有較高的測量精度，在10～60℃范圍內(nèi)具有良好的溫度穩(wěn)定性，可以滿足pH測量系統(tǒng)長期在線、高精度測量。