pH變送器的阻抗要求及測量方法

顧振宇

上海Abb工程有限公司，上海 201319

pH在線測量儀表包括pH測量儀表和pH變送器。pH測量儀表和pH變送器在功能或結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別在于是否需要信號隔離與遠(yuǎn)傳作用。工業(yè)在線檢測用的pH儀表，必須使用具有信號隔離作用的pH測量儀表，否則可能造成外參比電位旁路，使外參比電極極化，造成顯示不穩(wěn)，使測量誤差增大。下面主要討論工業(yè)在線pH測量儀表。

1 pH測量儀表的基本要求

根據(jù)聲電極的特點(diǎn)，滴水計(jì)數(shù)水表對工業(yè)在線pH側(cè)量儀表有下列墓本要求:計(jì)量特性，高輸人阻抗，低輸人電流，高穩(wěn)定性，低漂移，低顯示誤差；調(diào)節(jié)特性:要求有零點(diǎn)（定位）調(diào)節(jié)，斜率（靈敏度）調(diào)節(jié)，溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)和等電位點(diǎn)調(diào)節(jié)；使用特性:要求有pH顯示，信號隔離和電流或電壓信號輸出。

2 pH測量儀表的主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 儀表的輸入阻抗

玻璃pH電極內(nèi)阻約幾百兆歐，標(biāo)準(zhǔn)孔板微小電流流過電極就會引起顯著的電壓降。因此，pH測量儀表應(yīng)有足夠高的輸人阻抗，所謂儀表輸人阻抗是指跨接儀表輸人端的等效電阻。為了保證測量誤差小于1%。儀表輸入阻抗應(yīng)大于測量電池內(nèi)阻（也即pH電極內(nèi)阻）的999倍。

2.2 儀表輸人電流

儀表輸人電流是由儀表輸人端電子器件的泄漏電流所產(chǎn)生的，輸人電流一般隨輸人端電壓變化而變化，由于儀表輸人電流會在測量電池等效電阻上產(chǎn)生額外電壓，從而造成測量誤差，例如當(dāng)儀表輸人電流為lxl。一”A時(shí)，將在電阻為1000M。的pH電阻敏感膜上產(chǎn)生ImV的額外電壓，引起大約0.015pH的測量誤差。雖然這一誤差在電極標(biāo)定及樣品測量兩次操作中可以抵消，但由于輸人電流和電極內(nèi)阻會隨時(shí)間、溫度等條件變化而變化、因此pH測量儀表的輸人電流不得大于lx10-12A.

2.3 儀表的穩(wěn)定性

儀表的穩(wěn)定性是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，溫度對元器件的影響，電源引起的波動.儀表的抗干擾性等都將影響儀表的穩(wěn)定性。儀表的不穩(wěn)定，將直影響到讀數(shù)的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性，特別是用于連續(xù)或自動測量的pH測量儀表，對穩(wěn)定性要求更高，性能良好的儀表當(dāng)電源電壓變化10%或連續(xù)使24個(gè)小時(shí)后，顯示漂移在t2mV在以內(nèi)，同時(shí)保持較好的精度要求。

2.4 儀表的測量范圍及分辨率

目前使用的pH儀表側(cè)量范圍基本上都設(shè)計(jì)成0-14pH單位，有些設(shè)計(jì)成分檔可調(diào)式。對實(shí)驗(yàn)室使用的高精度pH儀表分辨率可達(dá)0.001pH；工業(yè)現(xiàn)場中使用的在線pH變送器，分辨率大都為0.01pH；因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場影響測量pH準(zhǔn)確度的因素主要不是儀表的分辨率，而是其他干擾。

2.5 儀表的信號隔離及信號輸出

工業(yè)現(xiàn)場中使用的pH測量儀表，必須具有信號隔離功能及信號輸出遠(yuǎn)傳的能力，標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電壓為0V-5V（或1V～5V），或輸出電流為0mA～10mA（或4mA～20mA）信號。

3 pH值與玻璃電極

pH所表示的是電極、參比電極以及第三電極和溫度傳感器以及被測試的溶液所構(gòu)成的測量電池，所指示電極的電位將隨著被測試溶液的PH值改變而改變。然而參比的電極電位將不會隨著pH值的變化而發(fā)生改變。他們之間的關(guān)系符合相應(yīng)專業(yè)方程中電極電位E與粒子獲毒之間的相互關(guān)系。而第三電極作用于共模電壓干擾以地電流所造成的干擾。儀器通過設(shè)置了穩(wěn)定了定位調(diào)節(jié)器以及斜率的調(diào)節(jié)器，定位調(diào)節(jié)器主要用于抵消所測量電池的開始電位，從而使相應(yīng)儀器所顯示的值等于溶液的PH值。而斜率調(diào)節(jié)器是通過調(diào)節(jié)放大器的靈敏程度從而實(shí)現(xiàn)了pH值的整量化，并且通過溫度傳感器進(jìn)行溫度的自動補(bǔ)償。

pH變送器以銀-氯化銀電極作為了參比電極，實(shí)際上也是基準(zhǔn)電極，而使用玻璃電極作為了指示電極也就是基準(zhǔn)的電極，玻璃電極在一定的寬度范圍內(nèi)，也就是pH值在2-9范圍內(nèi)時(shí)具有穩(wěn)定的線性刮泥，同時(shí)也能在較強(qiáng)的酸堿溶液中穩(wěn)定工作。實(shí)際上，玻璃電極內(nèi)部為銀-氯化銀電極，也被稱之為內(nèi)電極，外部具有敏感玻璃泡所制成的玻璃外電極，內(nèi)電極和外電極共同構(gòu)成了總體的玻璃指示電極，內(nèi)部充有氫離子的濃度為[H+]的緩沖溶液，實(shí)現(xiàn)了與外部電極相互來聯(lián)系，緩沖溶液是弱酸與弱酸鹽所構(gòu)成的溶液，這種溶液的pH值較為恒定，由此也可稱為PH值的測量溶液。

3 pH變送器應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題

為了有效分析pH變送器中的儀表以及供電的阻抗的匹配問題，首先應(yīng)了了解到pH便送器的基本工作原理。pH變送器通過單晶硅諧振式傳感器上的兩個(gè)H形的互感器通過轉(zhuǎn)換壓差、壓力信號為頻率信號，而后將相應(yīng)的信號送到脈沖計(jì)數(shù)器，再將所轉(zhuǎn)換的評論傳遞到CPU進(jìn)行信號的處理，通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為了與輸入信號所對應(yīng)的4mA～20mA DC輸出信號，同時(shí)在模擬信號上疊加一個(gè)BRAIN/HART的數(shù)字信號開展通信。膜盒組件中的內(nèi)置特性修正存儲器存儲傳感器的環(huán)境溫度和靜壓，而輸入和輸出特性修正經(jīng)CPU運(yùn)算的數(shù)據(jù)。通過外部設(shè)備或者I/O接口，保證了數(shù)字方式傳遞數(shù)據(jù)，使所需要傳輸?shù)臄?shù)字信號疊加在4mA～20mA的信號線上，同時(shí)不對4mA～20mA的信號產(chǎn)生任何的擾動影響。

實(shí)際的PH變送器的應(yīng)用過程中，儀表供電以及阻抗匹配的問題是較常遇到的。除了相應(yīng)的pH變送器的最大負(fù)載電阻以及供電的電壓需要滿足一定的對應(yīng)關(guān)系外，還對直流電源的波紋具有一定的要求，而對于經(jīng)過CSA認(rèn)證的變送器，其標(biāo)準(zhǔn)的電壓不允許超過42.4V。由此可了解到，pH變送器對于最低的工作電壓幅值以及負(fù)載電阻有著嚴(yán)格的要求，由此在實(shí)際的使用過程中應(yīng)尤其注重。

4 pH值變送器的電路輸入

由于PH值變送器適用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，同時(shí)由于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的條件有限，由此往往只有24V的電源能供應(yīng)使用，由此在實(shí)際的PH值變送器電路使用中，往往考慮24V集中供電。同時(shí)由于PH值的傳感器電極的輸出信號為-407～+407mV。其所對應(yīng)的PH值范圍在0-14區(qū)間內(nèi)。

差動輸入電路是通過兩個(gè)放大器7650所構(gòu)成的差動放大電路，其所輸入的電阻一般可達(dá)到3×1012歐姆。然而傳感器的電阻輸出一般為108歐姆，由此可保證所輸入的信號無法受到電阻變化所造成的影響中，同時(shí)差動電路的抗共模干擾能力和抗噪聲的能力，由此能適應(yīng)于工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)地較為復(fù)雜的環(huán)境中，由此-407～+407mV電壓信號通過放大電路后放大為了0.6V～9.4V的電壓信號，同時(shí)將電壓的信號傳遞給了后面的電路。

5 pH變送器的抗干擾措施

電子線路中除了目的信號之外的所有電子信號被稱之為噪聲。由于pH變送器在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場應(yīng)用，由此各方面的噪聲將對電路形成干擾，這些干擾包括電磁干擾，針對不同層次的干擾，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮以下因素:

5.1 屏蔽線選擇雙絞線

噪聲的磁通過程中，每一根導(dǎo)線都將感應(yīng)到噪聲電路，同一根導(dǎo)線在相鄰的兩個(gè)環(huán)的兩端所流過的噪聲電流，具有相等的大小和相反的方向，由此這兩個(gè)噪聲將相互抵消，由此就整體的效果而言，導(dǎo)線并未切實(shí)感應(yīng)到噪聲電流。雙絞線外若是加上金屬編織網(wǎng)則更能克服雙絞線容易受到靜電感應(yīng)的缺陷，同時(shí)具有更好的屏蔽效果。

5.2 屏蔽線應(yīng)接地

pH變送器的屏蔽線若是懸浮，將提供了一個(gè)耦合的路徑，由此無法屏蔽電磁干擾以及射頻干擾。為達(dá)到較好的屏蔽效果，屏蔽線應(yīng)接地。屏蔽接地的線減小了對地阻抗，由此減小了對線路電場的干擾。

5.3 使用V/F實(shí)現(xiàn)電路的轉(zhuǎn)換

V/F的轉(zhuǎn)換過程實(shí)際上也是積分的過程，同時(shí)在使用V/F轉(zhuǎn)換器的過程實(shí)際上也是實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的頻率計(jì)數(shù)過程，也就是在計(jì)數(shù)的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對頻率信號的積分，從而使相應(yīng)的線路具有較強(qiáng)的抗干擾的能力。只有相應(yīng)的PH變送器具有了一定的抗干擾能力，才能更好地實(shí)現(xiàn)對實(shí)際PH值的測量和有效反映。

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