基于AD7792的pH在线监测传感器采集电路设计 在线监测, 在线测量, 传感器, 分析法, 监控

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摘要 温度是影响pH值在线测量精度和长期稳定性的重要因素之一，因此在采集电路中设计温漂低、稳定性高的前级处理电路和高精度的A/D采集电路至关重要。文中采用ADI公司最新生产的低偏置电流、低失调漂移放大器ADA4505和高精度ADC芯片AD7792，设计的pH值测量电路，分辨率高、稳定性好、结构简单、功耗低，实验结果表明，该方案能在10～60℃范围内保持较高的测量精度。
在pH值在线测量中，电位分析法是实现在线监测和过程监控的唯一方法，该方法所用的电极被称为原电池，使化学反应能量转成为电能。原电池由两个半电池构成，其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关;另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是与测量溶液相通，并且与测量仪表相连。原电池的电压称为电动势(EMF)，根据能斯特方程，pH值与电动势E之间的关系如下
式(1)和式(2)中，aH+为水溶液中氢离子活度;R为气体常数;F为法拉第常数;T为绝对温度，E0为标准电极电位。
从式(1)和式(2)可以看出，pH值计算时的斜率与温度T成线性关系，因此必须对方程中的斜率进行补偿。此外，由于pH测量电极上产生的电动势较小，最大只有几百mV，因此对于pH值在线监测传感器，在设计信号放大和采集电路时，必须考虑放大电路随时间和温度的漂移对pH值的影响，以获得精确且结果可重复的PH值。
1 低温漂放大和采集电路设计
1.1 DH测量系统原理框图
一般pH测量系统包括pH电极、信号放大电路、A/D采集电路、微控制器和通信接口，如图1所示。pH电极产生的电动势信号经过缓冲和增益放大后进入A/D芯片进行模数转换，同时传感器输出的温度信号也送入到A/D芯片进行转换，MCU对采集到的pH信号进行滤波和温度补偿，计算出pH值，然后通过RS485接口送到远程控制主机，同时也可通过V/I电路转换成4～20 mA的电流信号。
如图1所示，要设计一套精确、稳定的pH在线测量系统，首先要减小温度对信号处理和信号采集电路的影响，这就对处理电路和采集电路提出了更高的要求。
1.2 信号放大电路设计
由于pH电极具有较大的输出电阻，要实现精确的pH测量，作为缓冲器的前级，应选用低偏置电流的放大器。经过低漏电流缓冲级后，信号再提供给增益放大级，以实现更高的分辨率。为此，在电路设计中选择ADI公司的ADA4505-2芯片作放大器，设计的电路如图2所示。该芯片是双通道微功耗放大器，具有较低的输入偏置电流(典型值0.5 pA)和出色的PSRR和CMRR性能，其典型失调电压为500μV，0.1～10 Hz内具有2.95μV的低峰峰值电压噪声，满足电路中作为缓冲器和放大器的要求。此外，该芯片在0～50℃范围内具有较低的失调漂移和偏置电流，对提升电路的温度稳定性具有重要作用。
1.3 信号采集和温度测量电路
在pH仪表的多数应用中只需要提供3位的分辨率，因此采用16位的∑-△ADC即可满足要求，考虑到pH测量对低噪声和低温漂的要求，采用ADI公司的AD7792作为A/D转换芯片，该芯片内部结构如图3所示。如需更高的采集精度，可采用20位的转换芯片AD7793，其结构原理和引脚功能与AD7792完全相同。
AD7792含有3个差分模拟输入，集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号。当增益设置为64，更新速率为4.17 Hz时，均方根噪声为40 nV。芯片内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，也可采用一个外部差分基准电压源。此外，芯片还内置了两个完全匹配的可编程电流源，适合作RTD温度测量，以便对pH测量作温度补偿。温度测量电路如图4所示。
利用AD7792两个完全匹配的电流源，可以实现最佳的三线式RTD配置。在图4中，如果只使用一路电流，引线电阻将产生误差，由于激励电流流经RL1，将在AIN1+引脚和AIN1-引脚之间产生电压误差。如采用三线式配置，第2个RTD电流源可用于补偿因激励电流流经RL所产生的误差。当图中RL1和RL2相等，IOUT1与IOUT2匹配，第2个RTD电流流经RL2后，RL2的误差电压与RL1的误差电压相等，且AIN1+引脚和AIN1-引脚之间无误差电压。虽然在RL3上产生了两倍电压，但由于所产生的电压为共模电压因此，不存在电压误差，温度测量精度高。
AD7792可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可通过软件编程设置，在4.17～470 Hz范围内选择。
2 软件采集流程
MCU的主要功能是完成对pH信号、温度信号的采集和软件滤波，根据采集的温度信号，自动补偿和修正式(1)中的S斜率，计算出待测溶液的pH值，并根据需要转换成4～20 mA的电流信号或通过RS485总线传送到主控计算机。其主要软件流程框图如图5所示。
3 pH测试实验结果
在利用该方案组建的测试系统中，pH电极采用瑞士万通的复合pH玻璃电极。该电极自带pt1000温度传感器，耐温高、碱差小、温度变化响应快，长寿命LL参比系统稳定性好，pH测量范围0～14。在测试之前，首先用苯二甲酸氢盐标准缓冲溶液对pH电极进行了校正，然后分别利用磷酸盐标准缓冲溶液和硼酸盐标准缓冲溶液在各种温度下进行5次测量。测量均值和误差如表1所示。