二线制PH计的研制

　　1　引　　言

　　PH值是溶液的酸度标度,测量溶液PH值的PH计是一种电化学式分析仪器,在化工、石油、发电、造纸、食品、酿造、医疗、制药、环保等行业乃至宇航事业中皆有应用。

　　所谓“二线制”,是指PH计的变送器部分仅有两根外接导线,这两根导线既传送变送器所需的工作电源电压(24VDC.),又传送输出信号电流(4～20mADC.)。二线制PH变送器与工作电源、输出信号接受器之间的电气关系如图1所示。

　　和一般的四线制仪器相比,二线制PH计有以下优点:

　　1.可以节省一半的传输导线,当PH变送器安装地点距仪表控制室较远时,这种优越性更为突出。

　　2.由安全栅提供的电源电压是24VDC.的低压,这样,一方面对于实现工业自动化仪表系统统一供电非常有利;另一方面可避免220VAC.直接引入危险侧,对于现场防爆是非常必要的。

　　3.该变送器将与0～14PH值相对应的电压输入信号转变为4～20mADC.的电流输出信号,属于DDZ—Ⅲ型电动单元组合仪表,其输出电流具有一定的恒流性能,所以在一定的范围内,该输出电流不受传输导线电阻的影响,也不易受外界电磁干扰的影响,从而可以降低对传输导线质量和屏蔽的要求。

　　2　结构框图

　　图2是二线制PH计的结构框图。

　　变送器中包含前置放大器、V/I转换器、定位调节器、斜率校正器、温度补偿器和等电位调节器等功能电路。浮动电源为变送器的各功能电路提供稳定的工作电压。

　　3　设计要点

　　图3是根据二线制仪表的特点以及电极系统对测量电路的要求而设计的二线制PH计的电路原理图。为满足二线制仪表总静态电流应小于4mA的要求,图3中所有的器件都必须选用低功耗型的。

　　3.1　前置放大器

　　它是PH计的核心部分,由IC1、R1、C1、RW1、R2组成。它的任务是将来自于电极系统的电压信号加以放大输出。由于电极系统具有很高的内阻(108～109Ω),为保证测量精度,前置放大器的输入阻抗应不小于1012Ω。我们选用LF441型集成运算放大器作为IC1,与玻璃电极以同相输入方式连接,并采用电压串联负反馈,以保证高输入阻抗、低漂移。RW1为可调电位器,用以调节该级电路的闭环增益,故可起到校正电极斜率的作用。

　　参比电极接入由IC2、RW2、R5～R10和VD2组成的定位调节器。RW2、R7、R8构成了电桥,H、D两点之间的电位差即定位调节器的输出电压。IC2接成电压跟随器的形式,使其具有很高的输入阻抗。此外,由于跟随器的隔离作用,使图3中A、C两点在电路上基本保持相互独立,从而保证没有电流通过参比电极,避免了电极极化的可能性。这样,一方面可靠地保证了参比电极电位的稳定性,另一方面使IC1、IC3、IC4的输出信号U01、U03、U04以A点为地,而不是以C点或D点为地,使这几级的输出电流不经过C点或D点,于是就不会有可变电流经过R6～R9等电阻,保证了D点电位的稳定性,即保证了整个电路模拟地的稳定性。