基于AD7792的pH在线监测传感器采集

基于AD7792的pH监测传感器采集电路设计

在pH值测量中，电位分析法是实现监测和进程监控的唯一方法，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，它一般是与丈量溶液相通，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之间的关系以下：

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

另外，由于pH丈量电极上产生的电动势较小，最大只有几百mV，因此对pH值监测传感器，在设计信号放大和收集电路时，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

电路设计

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对收集到的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4～20mA的电流信号

图1丈量系统原理框图

如图1所示，要设计一套精确、稳定的pH丈量系统，首先要减小温度对信号处理和信号收集电路的影响，这就对处理电路和收集电路提出了更高的要求

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丈量，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ADA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0.5pA）和出色的PSRR和CMRR性能，其典型失调电压为500V，0.1～10Hz内具有2.95V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另外，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

图2PH信号放大电路

信号收集和温度测量电路

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丈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所示如需更高的收集精度，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

图3AD7792内部结构图

AD7792含有3个差分摹拟输入，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4.17Hz时，均方根噪声为40nV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温度丈量，以便对pH测量作温度补偿温度丈量电路如图4所示

图4RTDd测量电路

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