pH传感器调理电路.docx
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pH传感器调理电路
第1章绪论
1.1课题背景与意义
pH值的测控广泛应用于食品、制药、化工、表面处理、水处理等领域，它以实时的数据为生产控制带来了极大的方便，解决了化验室跟踪分析时数据严重滞后、不能完全代表装置生产状况的问题。
在化学分析和化工过程中，溶液的pH值是一个基本参数。
为了实时的测量溶液的pH值，经常会用到pH计（即酸度计）。
pH计分为两部分：
pH复合电极和变送电路。
pH复合电极是传感器，用于拾取溶液的pH值，把pH值转换成与之成正比的微弱电信号；变送电路的作用是把微弱电信号进行放大，并转换成标准的电信号，如电压信号，电流信号或频率信号等。
1.2设计目的
本次课设主体任务是电厂锅炉给水pH值检测系统设计，分三个阶段进行，此阶段是第一阶段：
仪器仪表电子工艺课程设计。
此阶段的任务是pH值传感器信号调理电路设计与仿真。
设计目的有：
了解常用电子元器件基本知识，如电阻、电容、电感，二、三极管，集成电路，包括外观、极性、测试。
了解印刷电路板的设计和制作过程，PCB电路设计的基本过程，PCB制造工艺基本过程。
掌握电子元器件选型的基本原理和方法，如类型、参数、功率、性价比等方面。
了解电路焊接基本知识和基本焊接的方法和技巧、注意事项、助焊、阻焊。
了解印制电路板（PCB）设计加工的基本过程及相关概念，单面板、多层板、元器件封装形式。
了解信号调理电路的主要功能和存在的必要性，滤波、放大、转换、量程变换等。
掌握常见传感器信号调理电路的设计方法，根据具体传感器特点，考虑上述电路实现。
掌握相关EDA软件的使用和设计、仿真、调试能力：
Protel、Multisim、Proteus。
1.3设计要求
pH值传感器信号调理电路设计与仿真，要求根据所学的相关电子电路知识给出详细的元件选型表（费用计算），明确电路工作的基本原理和实现方法，对电路的可靠性设计和抗干扰性进行设计说明。
在课设的时间里，要每天撰写读书笔记，记录读书内容和心得。
提供一份系统硬件电路原理图和电路PCB图。
完成上述任务后，要对原理图可行性仿真。
依据设计方案，器件选型、完成原理图设计。
信号调理电路的仿真以验证电路可行性，仿真通过后进行PCB图设计。
给出元器件封装形式表，要有PCB三维效果图。
第2章pH值信号调理电路总体设计
2.1pH计
pH=-lgaH+，溶液的pH值是溶液酸碱度的量度，所以用来测量溶液pH值的pH计又称酸度计。
可以用电位式分析法，通过测量电极系统与被测溶液构成的测量电池（原电池）的电动势，获知被测溶液离子活度（或浓度）[1]。
在电厂的水汽分析中，氢离子、钠离子含量的测定适合采用电位式分析法。
目前测量溶液pH值所使用的指示电极多为玻璃膜电极，参比电极有甘汞电极、银-氯化银电极、固体参比电极等，也可用复合电极。
2.2测量原理
pH值传感器信号的测量主要由测量电池和高阻毫伏计两部分组成。
测量电池是由指示电极、参比电极和被测溶液构成的原电池，参比电极的电极电位不随被测溶液浓度的变化而变化，指示电极对被测溶液中的待测离子很敏感，其电极电位是待测离子活度的函数，所以原电池的电动势与待测离子的活度有一一对应关系，可见，原电池的作用是把难以直接测量的化学量（离子活度）转换成容易测量的电学量（测量电池的电动势）[2]。
高阻毫伏计是检测测量电池电动势的电子仪器，如果它兼有直接读出待测离子活度的功能，就称其为离子计（或离子活度计）。
测量电池的电动势与溶液pH值的关系符合能斯特方程：
式中
为测量电池等电势点的电极电位值，该值不随温度变化。
本设计采用两点标定法，标定时需配置两种标准缓冲溶液pH1、pH2。
利用pH1溶液进行标定时，仪器可测得电池电动势
，则
（2-1）
利用pH2溶液进行标定时，仪器可测得电池电动势
，则
（2-2）
由单片机MCS-51解式（2-1）、式（2-2）方程组，得出
和s值，贮存待用。
测量时将
和s代入
中测出E值，求解出pH值。
因s值随温度变化，每次测量都由温度传感器测出温度值，对s值随时修正。
2.3pH值传感器信号调理电路总体设计
pH测试仪器是一种利用电化学原理设计制造的新型电位式测量仪器，在此设计了pH信号输入电路和温度采集电路，其中电极选择为E201型pH复合电极，将水溶液中氢离子活度转化成电能，pH的电能信号采集电路用高阻运算放大电路，将高阻的pH的电能信号进行放大；而温度采集电路用pt100温度传感器的放大电路完成温度采集功能；传感器内还有一个接地电极（该电极为一金属棒），这样就构成了三电极测量系统。
用4051对进来的温度和pH信号进行选择。
2.4可靠性和抗干扰设计
2.4.1可靠性
可靠性是描述系统长期稳定，正常运行能力的一个通用概念，也是产品质量在实践方面的特征表现。
可靠性又是一个统计的概念，表明在某一时间内某个产品或系统稳定正常完成预定功能指标的概率。
对于应用在工业现场的微机测控系统而言，可靠性水平是最重要的质量指标。
系统的可靠度为：
并联结构模型：
并联形式的可靠性结构又叫冗余结构，是指一个系统有几个部件构成，只要其中至少有一个部件正常工作，系统就能正常工作。
并联机构系统按其组成部件的数量又可分为双重，三重或者多重系统。
一般情况下，可以采用双重化电路结构，列如双重放大器，双重逻辑门等，以改善电路的可靠性。
应当注意，系统的可靠性结构模型与工作条件或故障模式有关。
微机测控系统可靠性设计任务与方法：
影响微机系统可靠性的因素有内部与外部两方面，针对内外因素的特点，采取有效的软硬件措施，是可靠性设计的根本任务。
导致系统运行不稳定的内部因素主要有以下三点：
元器件本身的性能与可靠性。
元器件失足成系统的基本单元，其特性好坏与稳定性直接影响整个系统系能与可靠性。
系统结构设计。
包括硬件电路结构设计和运行软件设计。
安装与调试。
元器件与整个系统的安装与调试，是保证系统运行和可靠性的重要措施。
尽管元件选择严格，系统整体设计合理，但安装工艺粗糙，调试不严格，仍然达不到预期的效果。
外因是指微机所处工作环境中的外部设备或空间条件导致系统运行的不可靠因素，主要包括以下几点：
外部电气条件，如电源电压的稳定性，强电场与磁场等的影响。
外部空间条件，如温度，湿度，空气清洁度等等。
外部机械条件，如震动，冲击等等。
为了保证微机系统可靠性工作，必须创造一个良好的外部环境。
如：
采取屏蔽措施，远离产生强电磁场干扰设备；加强通风以降低环境温度；安装紧固以防止震动等等。
元器件的选择是根本，合理安装调试是基础，系统设计是手段，外部环境是保证，这是可靠性设计遵循的基本准则，并贯穿于系统设计，安装，调试，运行的全过程。
为了实现这些准则，必须采取相应的硬件或软件方面的措施，这是可靠性设计的根本任务。
可靠性设计一般方法：
元器件级可靠性措施、电磁兼容性设计、冗余技术。
元件，器件是微机系统的基本部件，元器件的性能与可靠性是整体性能与可靠性的基础。
电子元器件故障率的降低主要由生产厂家来保证。
作为设计与使用者主要是保证所选用的元器件的质量或可靠性指标符合设计要求。
为此，必须采取下列措施：
严格管理元器件的购置，储运，老化，筛选，测试。
降额使用，所谓降额使用，就是在低于额定电压和电流条件下使用元器件，这将能提高原器件的可靠性。
选用集成度高的元器件。
系统选用集成度高的芯片可减少元器件的数量，使得印刷电路板布局简单，减少焊接和连线，因而大大减少故障率和受干扰的概率。
部件及系统级的可靠性措施：
部件及系统级的可靠性技术是指功能部件或整个系统在设计，制造、检验等环节所采取的可靠性措施。
电磁兼容性设计：
是指计算机系统在电磁环境中的适应性，既能保持完成规定功能的能力。
电磁兼容性设计的目的，是系统即不受外部电磁干扰的影响，也不对其他电子设备产生影响，又称为抗电磁干扰设计。
微机测控系统常用的抗电磁干扰的硬件措施有滤波技术，去耦电路，屏蔽技术，接地技术等。
冗余技术：
冗余技术也称容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成统一功能的并联或备用单元（包括硬件单元或软件单元）数目来提高系统可靠性的一种设计方法。
常用的软件措施主要有数字滤波，软件冗余，程序运行监视及故障自动恢复技术等等。
信息冗余技术：
对于微机测控系统而言，保护信号信息和重要数据是提高可靠性的重要方面。
时间冗余技术：
为了提高微机测控系统的可靠性，可采用重复执行某一操作或某一程序，并将执行结果与前一次的结果进行比较对照来确认系统工作是否正常。
故障自动检测与诊断技术：
对于复杂系统，为了保证能及时检验出有故障装置或单元模块，以便及时把有用单元替换上去，就需要对系统进行在线的测试与诊断。
这样的目的有两个：
一是为了判定动作或功能正常性；而是为了及时指出故障部位，缩短维修时间。
软件可靠技术：
微机运行软件是系统欲各项功能的具体反映，为了提高软件的可靠性，应尽量将软件规范化，标准化和模块化，尽可能把复杂的问题化成若干较为简单明确的小任务。
失效保险技术：
有些重要系统，一旦发生故障时希望整个系统应处于安全或保险状态。
2.4.2抗干扰技术
干扰：
由于噪声在一定条件下影响和破坏设备或系统的正常工作，所以通常把具有危害性的噪声称为干扰。
噪声：
叠加于有用信号上，使原来有用信号发生畸变的变化电量叫电噪声，简称噪声。
干扰的分类：
按噪声产生的原因分类：
放电噪声，高频振荡噪声，浪涌噪声。
按噪声传导模式分类：
常模噪声、共模噪声。
按噪声迫性及性质分类：
持续正弦波、偶发脉冲电压波形、脉冲列。
抗干扰技术从基本原则出发，抗干扰措施是：
抑制干扰源、切断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能。
从主要手段出发，常用的方法是：
接地、屏蔽和滤波。
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。
这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。
减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。
切断干扰传播路径。
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。
高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。
电源噪声的危害最大，要特别注意处理。
所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。
一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。
提高敏感器件的抗干扰性能。
是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。
所谓接地，就是在两点间建立传导通路，以便将电子设备或元件连接到某些叫作“地”的参考点上。
换一种说法就是，信号电流流回信号源的低阻抗路径。
接地的主要目的如下，提供公共参考0电位，防止外界电磁干扰，保证安全工作。
地线的阻抗是指交流状态下的接地线呈现的阻抗，并不是一般意义上的电阻。
主要分为三种：
工作地、保护地、屏蔽地。
采用屏蔽技术可以有效地抑制电磁辐射干扰，即用电导率良好的材料对电场屏蔽，用磁导率高的材料对磁场屏蔽。
屏蔽有两个目的：
一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域；二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。
滤波是抑制传导干扰的有效方法。
EMI滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，可以抑制来自电网的干扰对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。
第3章器件选型
3.1pH复合电极
pH测量中使用的电极又称为原电池。
原电池是一个系统，它的作用是使化学能量转成为电能。
此电池的电压被称为电动势。
此电动势由二个半电池构成。
其中一个半电池称作测量电池，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。
此处，传感器中的电极选为E201型pH复合电极。
由pH敏感玻璃电极和银-氯化银参比电极复合而成，它是pH计的测量元件，用以测量水溶液中氢离子浓度的pH值。
玻璃电极（指示电极）零点位置为pH7，参比电极内充凝胶KCl，使用期间不需添加KCl溶液。
具有使用方便、易清洗、反应快、稳定性和重复性好、抗干扰性能强等特点。
E201型pH复合电极技术参数如下表3-1所示。
表3-1E201型pH复合电极主要技术参数
测量范围：
pH：
0.00~14.00pH
mV：
0~±1999mV
温补范围：
0~60℃
工作温度：
5~45℃
精度：
0.01pH
零点pH值：
7±0.25pH
内阻：
≤250MΩ（25℃）
碱误差：
≤15mV（25℃）
百分理论斜率（PTS）：
≥98.5%（25℃）
响应时间：
≤2s（25℃）
3.2pH信号调理电路
测量数据经pH电极转化为微弱的电压信号，信号调整电路对原始信号进行调整信号凋整电路采用多级集成运放构成。
图3-1为输入级电路。
其中：
（1）A1、A2均为高阻集成运放CA3140，它们都接成电压跟随器，提高输入阻抗，增强抗干扰能力，使参比电极和玻璃电极信号实现阻抗变换，构成双高阻输入电路。
（2）A3为LM124四运算放大器，将它接成减法器，它的输出是玻璃电极与参比电极电位之差。
图3-1pH信号放大电路
在图3-1中，A1、A2、A3构成三运放精密放大电路，其中，由运放A1、A2构成第一级电路，A3构成第二级电路，两级均属于差分式电路。
在第一级电路中，信号电压分别加到运放A1、A2的同相输入端，R3、R4、R5为电路引入了深度电压串联负反馈，使得运放A1、A2的输入端具有“虚短”和“虚断”的特征，而流过R3、R4、R5的电流相等，因此有
（3-1）
作为第二级差分放大电路的输入信号，由于A3两输入端电阻相等，有
（3-2）
将
代入上式，便得到精密放大电路输出电压与输入电压的关系式为
（3-3）
由式（3-3）可知，此电路只对输入信号的差进行有效放大，而当输入端出现共模信号时，输出电压uoc=0。
因此，该放大电路具有很高的共模抑制比，提高系统的信噪比，增强系统抗干扰能力。
[3]
另外，式（3-3）表明总增益A是第一级Au1和第二级Au2的乘积，输入电路的增益取决于外部电阻的比值，所以采用合适的电阻。
也就是调节合适的放大增益．使输出电压uo达到模数转换所需的电压范围，送入单片机模/数端进行数据处理。
为了准确的测定溶液中氢离子浓度，除了需要性能优良的电极外，还与仪器的前置运算放大的选择有密切的关系。
以前影响测量仪器发展的主要技术关键是前置运算放大器的性能不能适应现场的需求，表现在性能上不稳定飘移大，噪音大，传输距离不远等。
作为前值运算放大器，应有以下几个要求：
（1）放大器的输入电流要小；
（2）高的输入阻抗，放大器的输入阻抗包括放大器的阻抗和接插件的绝缘阻抗等；
（3）小的温度漂移系数。
3.2.1电压跟随器
pH电极由玻璃电极和参考电极组成。
玻璃电极是由特殊玻璃膜制成的。
其厚度可以小于0.1mm，Ag-AgC1为参考电极在内部，由二者组成复合电极。
从复合pH电极的玻璃电极和参比电极两端输出的信号为电压。
在一定的温度下只要知道了电压值，即可求出溶液的pH值，因此pH值的测量实际上就是电压信号的测量。
由于复合pH电极内阻很高。
大约l012Ω。
要求前置放大器有较高的输入阻抗。
因此设计中选用了运放CA3140，该运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。
它兼有高电压PMOS管和高压二极管的优点，都集成在单独的芯片上。
输入电路PMOS提供非常高的阻抗，并且具有非常快的响应速度，还具有自身补偿能力来达到稳定的放大增益，输出部分含有自身保护电路来保护由于负载短路造成的损害，可完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等，非常适合此电路设计。
本文A1、A2采用CA3140，提高输入阻抗。
如图3-2所示：
图3-2电压跟随器
3.2.2减法器
实现将玻璃电极与参比电极电位做减法的差分放大部分，A3选择LM124，它是四运放集成电路，采用14管脚双列直插塑料（陶瓷）封装，它的内部包含四组形式完全相同的高增益频率补偿运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
由于LM124四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
它的特点有：
（1）直流电压增益高（约100dB）；
（2）单位增益频带宽（约1MHz）；
（3）电源电压范围宽：
单电源（3~30V）；
双电源（±1.5~±16V）；
（4）低功耗电流，适合于电池供电；
（5）独立于电源电压的低源漏电流（0.8mA）；
（6）低输入失调电压和失调电流；
（7）共模输入电压范围宽，包括接地；
（8）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；
（9）输出电压摆幅大（0至VCC-1.5V）。
3.3温度采集电路
离子计把接收到的毫伏信号转换成px值，必须以某一温度为基准，但是，被测溶液的温度常常是偏离基准温度的，为消除温度对转换斜率的影响，使信号标准化，离子计都设有温度补偿电路。
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度，测量范围广。
铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。
铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定。
因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。
铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。
铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温（-200℃~650℃）范围的温度测量中。
PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。
PT100的阻值跟温度的变化成正比。
PT100的阻值与温度变化关系为：
当PT100温度为0℃时它的阻值为100Ω，在100℃时它的阻值约为138.5Ω。
它的工业原理：
当PT100在0℃的时候他的阻值为100Ω，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
本设计中就是利用PT100的这一特性来实现温度与输出值之间的转化的。
为了减少流过Pt100电流所产生的温度对自身阻值的影响，外部激励电压不易过大，此处用1V[4]。
如图3-3所示：
图3-3pt100温度采集电路
3.4模拟开关
U1为双四选一模拟开关，分时选择pH信号或温度信号。
此处选择4051芯片。
CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。
例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。
这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。
当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。
只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。
其中VEE可以接负电压，也可以接地。
当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。
如图3-4所示：
图3-4模拟开关
3.5器件选型表
在pH值传感器信号调理电路中，用到了电阻、电容、Pt100、集成运算放大器、四选一模拟开关等。
具体如下表3-2所示：
表3-2器件选型表
器件类型
数量（个）
单价（元）
合计（元）
电阻
17
0.02
0.34
电容
1个
0.04
0.04
Pt100
1个
6
6
CA3140
2个
1.8
3.6
LM124
2个
2.5
5
4051
1个
0.7
0.7
第4章仿真与PCB电路设计
为了设计方便，采用Proteus软件进行原理图设计、仿真以及PCB的设计，具有操作简单，视图明了的特点。
4.1仿真原理图
在Proteus软件中画出pH值传感器信号调理电路的原理图，如图4-1所示：
图4-1调理电路原理图
4.2PCB图
印制电路板（PCB，PrintedCircuitBoard）设计，是电子产品中最重要的部件之一。
电路原理图完成以后，还必须再根据原理图设计出对应的印制电路板图，最后才能由制板厂家根据用户所设计的印制电路板图制作出印制电路板产品。
在完成原理图设计后，应用proteus软件进行PCB电路设计，首先在原理图的设计界面点击ARES图标后，进入到PCB设计界面。
选择BoardEdge，画出方框，点击Tools–AutoPlacer，进行自动布局，然后点击Tools–AutoRouter，软件便根据已经设置好的布线规则进行布线。
得到pH值传感器信号调理电路的PCB图，如图4-2所示：
图4-2调理电路的PCB图
4.3PCB图3D效果图
如图4-3所示为PCB图的3D效果：
图4-3PCB图的3D效果
第5章设计心得和体会
仪器仪表电子工艺设计包括传感器的选型，电量信号的放大，温度测量等内容。
其任务是完成非电信号的被测量信息的测量与变送。
整个系统在进入A/D转换前的电路均属于信号测量与信号调理的部分，该部分是整个系统的基础，测量信号的准确与否、测量精度和测量误差的决定因素是该部分电路的品质优劣。
设计好仪器仪表的电子工艺的任务的重要性可想而知。
仪器仪表电子工艺设计是测控系统的基础，掌握好如何进行仪器仪表电子工艺的设计才能更好地进行自动化的测控设计。
所以，仪器仪表电子工艺设计是我们必须掌握的专业技能。
仪器仪表是自动化控制系统的前端，是测量、控制反馈的重要部分，我们要懂得仪器仪表如何工作，才能解仪器决仪表所出的故障，保障自动控制系统的正常运行。
我们应该在这次课程实际中，学有所得，提高自己的实践操作能力，理论联系实际，为毕业之后的工作做好充分的准备。
作为测控技术与仪器专业的学生，我们要学好自己的本职专业，在以后的工作中才能充分发挥自己的专业特长，才能为社会做贡献。
制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调快等等。
这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。
要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
这次课程设计，针对集成运算放大器在Proteus仿真软件中的应用仿真出现了一些问题，但经过不断地查找资料，对比不通电路的构成，与电阻阻值的匹配，终于完成了原理图的绘制与仿真。
完成此次课程设计是掌握专业技能的一个重要环节，我在设计过程中受益匪浅，平时专业课上学习的理论知识只是进行实践设计的基本理论而已，实践的学习很重要，以后要经常把自己所学的东西应用到实践，才能真正学好这门专业课程!
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