糖廠(chǎng)澄清工段pH值測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

宋春寧，宋云鵬，林小峰，宋紹劍，李榮軍

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

0 引言

在糖廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中，中和與澄清過(guò)程pH值控制的穩(wěn)定與否，對(duì)白糖質(zhì)量的好壞有著至關(guān)重要的影響。目前，糖廠(chǎng)普遍采用玻璃電極作為pH值測(cè)量的傳感元件，它將被測(cè)液體的pH值轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號(hào)。pH玻璃電極和其他pH傳感器相比，具有響應(yīng)速度快，精度高和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。但玻璃電極內(nèi)阻高，輸出信號(hào)很微弱，另一方面，糖廠(chǎng)工作環(huán)境惡劣，各種電磁干擾嚴(yán)重，影響pH值測(cè)量精度［1］。目前，糖廠(chǎng)一般采用儀表放大電路調(diào)理信號(hào)。儀表放大電路采用差動(dòng)放大電路，該電路精度較差，且調(diào)節(jié)增益時(shí)比較麻煩。也有部分糖廠(chǎng)采用INA116設(shè)計(jì)放大電路，但也僅解決玻璃電極阻抗大的問(wèn)題，并沒(méi)有對(duì)在糖廠(chǎng)復(fù)雜工作環(huán)境下，如何排除電磁干擾給出答案。本文結(jié)合INA116前置放大電路的優(yōu)點(diǎn)，首次把HCNR201光耦隔離器運(yùn)用到糖廠(chǎng)pH值測(cè)量電路，解決在pH值測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的阻抗匹配、工業(yè)電源電壓信號(hào)干擾以及數(shù)模干擾等問(wèn)題，為糖廠(chǎng)pH值自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)建立硬件基礎(chǔ)。

1 硬件設(shè)計(jì)

pH值測(cè)量使用梅特勒公司的405—60型玻璃電極，其精度達(dá)到0.01 pH值，以電壓信號(hào)作為輸出信號(hào)，當(dāng)被測(cè)量的液體pH值為7時(shí)，此型號(hào)的玻璃電極輸出電壓為零，每變化一個(gè)pH值，輸出電壓增加或減小57 mV。梅特勒公司的405—60型玻璃電極的內(nèi)阻大約有600 MΩ，如果不采用高輸入阻抗前置放大電路對(duì)其進(jìn)行放大，將會(huì)因?yàn)樽杩共黄ヅ鋵?dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確獲得pH電極的電壓信號(hào)。同時(shí)，由于糖廠(chǎng)工作環(huán)境比較惡劣，電源波動(dòng)和電磁干擾較為嚴(yán)重，玻璃電極輸出的電壓信號(hào)為57 mV/pH，該信號(hào)相當(dāng)微弱，電磁干擾很容易侵入測(cè)量電路，造成測(cè)量誤差［2］。因此，必須濾除信號(hào)干擾，才能得到準(zhǔn)確的pH值信號(hào)。另外，還必須防止模擬部分的干擾信號(hào)傳入數(shù)字電路部分而影響電路的穩(wěn)定性。

使用INA116芯片設(shè)計(jì)pH值前置放大電路，可以提高pH值采集電路的輸入阻抗。在前置放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路之間加入光耦隔離模塊，能夠防止干擾信號(hào)傳到數(shù)字電路部分，從而確保測(cè)量電路的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)送到S3C44B0X核心控制板，核心控制板根據(jù)測(cè)量到的pH值進(jìn)行計(jì)算得到相應(yīng)的控制信號(hào)，并通過(guò)液晶屏來(lái)顯示［3］。整個(gè)pH值控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 糖廠(chǎng)pH值控制器硬件框圖Fig 1 Hardware block diagram of pH controller in sugar factory

玻璃電極將檢測(cè)到的pH值信號(hào)輸出給INA116前置放大電路，前置放大電路對(duì)pH值測(cè)量信號(hào)進(jìn)行放大后，傳送到線(xiàn)性光耦隔離器HCNR201進(jìn)行電氣隔離，以消除外部信號(hào)的干擾對(duì)數(shù)字電路的影響。最后由A/D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后發(fā)送到ARM核心控制電路板之中。控制器根據(jù)pH值來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制閥門(mén)開(kāi)度，達(dá)到調(diào)節(jié)pH值的目的［3］。本文將主要介紹INA116前置放大電路和線(xiàn)性光耦HCNR201設(shè)計(jì)的pH值測(cè)量電路。

1.1 INA116前置放大電路

梅特勒公司的405—60型玻璃電極的阻抗≤600 MΩ，普通的運(yùn)算放大電路的輸入阻抗無(wú)法匹配，因此，需要使用高輸入阻抗的前置放大器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理。本文選擇的INA116芯片是Burr-Brown公司開(kāi)發(fā)的超低輸入偏置電流儀表放大器，其輸入阻抗在1015Ω以上，完全滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)的要求［4］。其電路圖如圖2所示。

圖2 INA116前置放大電路圖Fig 2 INA116 preamplification circuit

通過(guò)資料可以得到INA116芯片輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系是

其中，Vin+接輸入電壓正極，Vin－接輸入電壓負(fù)極，Vref接參考電壓，RG為調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的電阻，INA116芯片的電壓放大倍數(shù)可以在1～1000調(diào)節(jié)［6］。本文中取RG=10 kΩ，放大增益是6。玻璃電極的輸入電壓范圍為－400～+400 mV，因此，INA116的輸出電壓范圍為0～+5 V。INA116能夠放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)，能夠抑制輸入信號(hào)中含有的共模噪聲。輸入電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大之后由第11管腳輸入到HCNR201線(xiàn)性光耦隔離電路，消除掉模擬電路部分對(duì)數(shù)字電路部分的電壓干擾。

1.2 HCNR201的基本工作原理與電路設(shè)計(jì)

HCNR201是一種高線(xiàn)性模擬光電隔離元件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理Fig 3 Principle diagram of HCNR201 internal structure

其中，LED為AlGaAs發(fā)光二極管，其發(fā)光強(qiáng)度與流過(guò)它的電流If呈近似正比關(guān)系。PD1，PD2是2只相鄰匹配的光敏二極管，當(dāng)接反向偏置電壓時(shí)，經(jīng)過(guò)PD1和PD2的電流大小與LED發(fā)出的光的強(qiáng)度有關(guān)［5］。當(dāng)發(fā)光二極管受到正向電壓時(shí)，產(chǎn)生電流If，LED發(fā)光。由于PD1，PD2兩只光敏二極管與LED的距離近似相等且固定，經(jīng)過(guò)2只光敏二極管PD1和PD2的電流Ipd1，Ipd2成恒定的比例，且二者的阻值接近，一般有

根據(jù)Ipd1與Ipd2的關(guān)系，設(shè)計(jì)出光耦隔離電路［9］，如圖4所示。

圖4 光耦隔離電路原理圖Fig 4 Principle diagram of optocoupler isolation circuit

2 測(cè)量結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下（溫度為25℃），使用上海智光儀器儀表有限公司生產(chǎn)的pHS—3C型pH值測(cè)量?jī)x器對(duì)三份蔗汁樣汁進(jìn)行標(biāo)定，并測(cè)量INA116輸出電壓Vo1和HCNR201輸出電壓Vo，使用本文設(shè)計(jì)的pH值測(cè)量電路對(duì)已經(jīng)標(biāo)定好的蔗汁進(jìn)行測(cè)量。pH值測(cè)量電路的輸出電壓與相應(yīng)的樣汁pH值分別為如表1所示。

表1 pH值測(cè)量電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 1 Experimental result of pH test circuit

表中，pH是pHS—3C型pH值測(cè)量?jī)x器測(cè)量到的pH值，Vo1是本文設(shè)計(jì)的pH值測(cè)量電路中INA116的輸出電壓，Vo是 HCHR201光耦隔離電路的輸出電壓，pH2是HCHR201輸出電壓Vo轉(zhuǎn)換的 pH 值（pH2=14.2～2.8Vo）。由表1可以看出:HCHR201進(jìn)行線(xiàn)性隔離放大，線(xiàn)性度很好。整個(gè)測(cè)量電路的pH值測(cè)量誤差在±0.05以?xún)?nèi)，精度完全滿(mǎn)足糖廠(chǎng)澄清工段pH值控制精度要求。

為測(cè)試pH值測(cè)量電路的響應(yīng)速度，本文將玻璃電極從pH值為4.7的酸性樣汁中換到pH值為8.6的堿性樣汁中進(jìn)行測(cè)試，再放回pH值為4.7的酸性樣汁中進(jìn)行測(cè)試，pH值測(cè)量電路的測(cè)量響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5。

圖5 pH值測(cè)量電路的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 5 Response experimental result of pH measuring circuit

根據(jù)圖5可知，pH采集電路響應(yīng)速度非常快，能夠在十幾秒左右達(dá)到被測(cè)值的98%，在30s內(nèi)達(dá)到被測(cè)值，完全滿(mǎn)足糖廠(chǎng)pH值控制的要求。

根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的pH值采集電路的響應(yīng)速度和測(cè)量精度都達(dá)到了糖廠(chǎng)澄清工段的要求，能夠應(yīng)用到糖廠(chǎng)pH值控制系統(tǒng)中去。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將INA116前置放大器與HCNR201光耦隔離電路應(yīng)用于糖廠(chǎng)pH值檢測(cè)電路，成功解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)干擾和玻璃電極阻抗匹配問(wèn)題，提高了糖廠(chǎng)pH值控制器測(cè)量的可靠性和精確性，為實(shí)現(xiàn)糖廠(chǎng)澄清工段pH值計(jì)算機(jī)控制奠定了基礎(chǔ)。

［1］陳維鈞，許斯欣，沈參秋，等.甘蔗制糖原理與技術(shù)（2冊(cè)）［M］.蔗汁清凈，北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2001.

［2］邱志安.計(jì)算機(jī)控制的在線(xiàn)智能酸度測(cè)量信號(hào)采集問(wèn)題研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006（10）:28 －29.

［3］林小峰，宋春寧，宋紹劍，等.基于IEC 61131—3標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:222－226.

［4］INA116 datasheet［Z］BURR-BROWN Inc，1995.

［5］張寶生，王念春.基于高線(xiàn)性模擬光耦器件HCNR200的模擬量隔離板［J］.儀表技術(shù)，2005（5）:59－60.