隔离式pH值测量系统及可靠性设计

李 芃

（铜陵学院，安徽 铜陵 244000）

1 引言

pH值[1]是氢离子浓度的一种表示方式，是衡量水溶液中氢离子与氢氧化物离子相对量的一项指标。常用的测量pH值的方法包括石蕊试纸指示器与玻璃探针，其中石蕊试纸指示器实现简单，但可靠性较差，被测试溶液中的杂质与温度都会引起测量误差；pH测量探针由玻璃测量电极与参考电极组成，类似电池，将探针置于溶液中，测量电极产生一个电压，该电压的大小与溶液中氢离子的活性相关。将该电压与参考电极的电位相比较：当溶液的酸性增强，pH值降低，玻璃测量电极相对于参考电极阳性增强；当溶液的碱性增强，pH值升高，玻璃测量电极相对于参考电极阴性增强。两个电极的差值即为测得电位，在理想情况下，室温时每pH单位对应59.154 mV。

现有的研究[2-4]提出了基于PC端、移动端与无线方式的pH值测量系统方案，但都没有就提高测量系统可靠性展开讨论。本文在现有研究思路[5-10]的基础上从软硬件措施提高测量系统的可靠性，主要包括pH探针的缓冲器电路、RTD电路、数字隔离、光纤隔离、VF变换、输入保护电路等，提高了测量系统的可靠性。应用了AD8607、AD7124等进一步降低测量前端电路的功耗。同时预留了一路4-20mA电流输出，拓展了测量系统的应用场合。

2 测量系统结构

pH测量系统包括pH探针、缓冲保护电路、AD采样电路、数字隔离电路、MCU电路、光纤串口电路、V/I电路等，如图1所示。pH探针生产的电压信号通过缓冲保护电路传输给AD进行采样，同时RTD产生的电压信号也传输给AD进行转换，经过数字隔离发送给MCU进行温度补偿计算出pH值，计算出的结果通过光纤串口电路可靠地发送给上位机显示，为了拓展到现场应用场合，基于D/A、V/I电路转换成4-20mA电流信号供现场应用。

图1 测量系统结构图

3 硬件电路及可靠性设计

3.1 pH探针接口电路

典型的pH探针电极由玻璃制成，具有较大的电阻值，范围从1 MΩ到1 GΩ，作为与pH电压源串联的电阻，由于电阻较大，即使流过的电流很小也会产生较大的压降，尤其是测量电极部分，导致测得的电压数值降低。由于测量电极产生的毫伏级电压差很小，电阻上的压降会影响测量的准确性。为了使探针电阻与后续电路隔离，需要一个高输入阻抗，超低输入偏置电流的缓冲放大器。本文采用精密微功耗低噪声的CMOS运算放大器AD8607，典型输入偏置电流为0.2 pA，最大功耗50 μA，噪声22 nV/√Hz。以25℃室温，电阻为1 G欧姆探针为例，0.2 pA典型输入偏置电流的失调误差为0.2 mV，即0.00338pH，AD8607的最大偏置电流为1 pA，此时的失调误差也只有1 mV，0.0169 pH。AD8607的低输入电流可以最大限度地减少流过电极电阻的偏置电流所产生的电压误差。考虑到输入端可能会发生的过压情况，接入限流串联电阻进行保护，为了确保有效保护，电流应该限制在5 mA以下，限流电阻的取值可以通过下面的计算式确定：（VIN－VS）/（R1＋200）≤5 mA。

图2 pH测量电路示意图

3.2 pH检测和温度补偿电路

本文应用AD7124的两条通道，一路通道用于测量pH探针电极产生的小电压值，另一路通道用于测量RTD上产生的电压值，RTD阻值随着温度的变化而变化，在温度区间内的响应几乎呈线性。RTD包括两线/三线/四线三种连接方式，若采用两线连接，无法消除ADC恒流源的稳定性以及输入运放的输入阻抗和偏置电流带来的误差。本文采用四线制连接方式，如图2所示。四线制RTD测量需要一个激励电流源，可以选用AD7124提供的两个匹配电流源中的任何一个。RTD产生的低电平信号通过片内PGA放大再通过ADC转换为精密数字信号。以B类RTD为例，最高温度时RTD产生电压约156.85 mV，采样电压越接近采样范围，精度越高，设置PGA增益为16，此时RTD最大输出电压约2.5096 V。AD7124片内激励电源为500 uA，所以外部参考电阻取值5.11 kΩ。AD7124工作在双极性差分模式时，RTD电阻计算如公式（1）所示。

以B类RTD为例，电阻变化为0.385 Ω/℃，温度可以根据公式（2）计算。RTD传递函数即Callender-Van Dusen 公式，0℃以上应用公式（3），0℃以下应用公式（4），其中 A，B，C 为常数。

结合上述公式，得到温度计算公式（5）。

该温度计算公式可以较好的处理大于等于0℃的温度，若要计算0℃以下温度，需要使用最佳拟合多项式表达式，如公式（6）所示。

以环境温度25℃为例，AD输出11270065，根据公式（1）得到电阻为109.704 Ω，再根据公式（5）进行线性化，得到温度24.921℃。以-25℃为例，AD输出10757779，根据公式（1）得到电阻为90.200 Ω，再根据公式（6）进行线性化，得到温度-24.982℃，精度较好。

3.3 隔离电路

3.3.1 信号传输隔离

常见的信号传输隔离方式如基于光耦的隔离、基于数字技术的隔离、电压频率变换等等。其中光耦合器通过LED产生光的方式进行工作，基于透明隔离栅传导至光检测器。

此种方式需要驱动电路、用于提供隔离工作电压以驱动高压端接口的单独DC/DC变换等辅助电路，结果将导致工作电流与PCB面积的增大。与上述光耦隔离相比，数字隔离则是采用高速CMOS工艺设计集成空芯微变压器，在工作电流与空间上都实现了优化。以典型的5V工作电压，-40℃至+125℃工作温度为例，光耦隔离方式的每个通道至少需要4 mA电流，再考虑到工作温度和电压的变化，裕量问题等，每个隔离通道的吸电流提高到10 mA，结果使得同一SPI通信总线的高压域工作电流达到10 mA，低压域工作电流达到30 mA。本文选择ADuM251N数字隔离器，采用了ADI公司的iCoupler技术，将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，不用LED和光电二极管，不需要外部驱动器，在信号数据速率相当的情况下，iCoupler器件的功耗只有光耦器件的1/10到1/6，在功耗方面具有明显的优势，含有五个SPI接口隔离通道，还集成了用于驱动高压端接口的DC/DC转换器功能，减少了电路所需的元器件数量。

3.3.2 光纤通信隔离

来自微处理器的数据经过max232转换成TTL电平传输给光纤发送电路，以光信号形式发送。光纤接收器件把接收到的光信号转换成TTL电平后经过max232转换为232电平传输给的RX引脚，实现了pH采样数据传输的光纤隔离。本文采用HFBR1414光纤发送器和HFBR2412光纤接收器，电路如图3所示。HFBR1414内部是一个LED发光二极管，LED是流控器件，需要驱动电路提供足够的驱动电流进行工作。Data_in输入信号输入高电平，使得驱动芯片内部的三极管导通，HFBR1414的LED不发光。反之，Data_in输入信号输入低电平，使得驱动芯片内部的三极管截止，HFBR1414的LED发光。

图3 光纤收发电路

3.3.3 AD输入保护

AD的输入过载一般发生在运放电轨远大于最大输入范围时，如图4所示，如果集成运放输出趋向+15 V电轨，则连接至RFIN的保护二极管将开启，运放将尝试上拉RFIN节点。如果RFIN节点未通过强驱动器电路驱动，则REF节点的输入电压将升高，一旦电压超过器件的击穿电压，AD可能受损。为了保护AD，引入肖特基二极管D1、D2，其正向导通电压低，能够在AD内部保护二极管作用前导通，将运放输出钳位在AD输入范围。如果内部二极管部分开启，肖特基二极管后的串联电阻也有助于将电流限制在AD内。需要注意的是，如果RFIN供电的基准电压源没有灌电流能力，可在RFIN端接入齐纳二极管D3，以保证基准电压不被过度拉高。我们也可以采用单电源电轨的方式解决过压的问题。

图4 AD输入保护电路

4 软件系统及可靠性设计

4.1 下位机设计

测量系统上电复位，下位机程序开始运行：首先初始化（晶振、IO端口、串行口、AD等），程序进入循环，等待接收到的命令：串口标志位表示有数据到来，在规定时间内接收数据，判断数据是否正确，判断数据接收正确后根据接收的标定命令做相应操作。AD采样采用多次求均值方式，进行温度补偿计算，最后将pH值发送给上位机显示输出，流程图如图5所示。pH电极电位与溶液中的氢离子浓度如公式（7）所示，带入各个常数项，得到公式（8）。公式（8）对温度T求导，得到公式（9）。公式（9）包括三个部分，第一项表达了电极本身的属性；第二项较为复杂，与被测溶液的温度，溶液中氢离子的浓度等有关；第三项是斜率项。为了简化问题，同时尽量提高测量的精度，采用分段测量法，在每个温度节点测量电极电压随着pH值的变化，得到相应温度节点下的数据，根据最小二乘法[11-12]对数据进行线性拟合，得到温度补偿pH值计算公式如公式（10）所示。

串口通信不是可靠的通信方式，传输距离有限，易受干扰。前面从硬件方面着手提高通信的可靠性，软件上应加入奇偶校验、超时等措施防止通信出错。程序流程如下，其中Do_Flag是数据接收成功标志位：

if串口接收到数据，定义超时时间；

while超时时间未到或者数据没有接收完毕，继续接收数据；

if数据接收错误，抛弃这部分数据；

else Do_Flag置位表明数据接收成功；

图5 下位机流程图

图6 基于Labview的pH测量上位机

4.2 上位机设计

基于Labview设计上位机应用程序，在Labview中利用VISA vis发送指令实现串口通信功能，上位机如图6所示。VISA是上位机程序与串口数据之间的通道，是应用于Labview编程的标准IO应用程序接口，使用时需要安装VISA驱动程序。主要包括VISA配置串口、VISA写入、VISA读取、VISA关闭等vis。程序步骤下：

（1）设定端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等，初始化端口。

（2）VISA读取来自串口的信息。

为了保证上位机程序的可靠性，需要注意如下事项：

（1）串口传送的一般是字符串型数据，如果要传输数值数据，需要先使用字符串/数值函数转换为字符串后再进行串口发送。

（2）嵌入式系统硬件资源有限，所以串口配置、缓冲区设置、串口关闭等操作应放置在循环结构外，降低内存开销，优化程序。

（3）串口接收可能会出现数据为空或者不完整的现象。由于串口是底层硬件，数据从发送端到串口，再由串口到接收端需要时间。在缓冲区没有完全接收到数据时进行读取就会发生错误，建议在VISA读取前设置延时，保证数据读取的完整性。除此之外，也可能是因为接收缓冲区满，但读取程序没有完成造成的帧丢失。可以通过设置流控制协调收发双方，配置串口流控制接线端选择XON/XOFF软件流控制方式。发送XON设置RTS有效，接收XON检测CTS有效；发送XOFF设置RTS无效，接收XOFF检测CTS无效。接收缓冲区满即发送XOFF说明接收方希望停止传输，停止发送。

5 测试与结论

pH探针、AD采样实现了带温度补偿的pH值测量，微处理器、串口光纤通信实现了上位机的显示，基于V/F/V变换将pH电压以光信号形式传输，保证了工业场合的可用性。为了提高系统的可靠性，引入了缓冲器网络、RTD四线制、数字隔离、光纤隔离等措施。实验测试表明，该系统安装维护简单，稳定可靠，既适用于理化检测实验室环境的需求，又能够满足工业场合的应用需求，具有一定的使用价值。