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變送器在功能或結構上的主要區別在于是否需要信號隔離與遠傳作用。工業在線檢測用的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，使測量誤差增大。下面主要討論工業在線pH測量儀表。

1 pH測量儀表的基本要求

根據聲電極的特點，滴水計數水表對工業在線pH側量儀表有下列墓本要求:計量特性，高輸人阻抗，低輸人電流，高穩定性，低漂移，低顯示誤差；調節特性:要求有零點（定位）調節，斜率（靈敏度）調節，溫度補償調節和等電位點調節；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指標

2.1 儀表的輸入阻抗

玻璃pH電極內阻約幾百兆歐，標準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%。儀表輸入阻抗應大于測量電池內阻（也即pH電極內阻）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生額外電壓，從而造成測量誤差，例如當儀表輸人電流為lxl。一”A時，將在電阻為1000M。的pH電阻敏感膜上產生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阻會隨時間、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 儀表的穩定性

儀表的穩定性是一項綜合性指標，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定性。儀表的不穩定，將直影響到讀數的準確度和重現性，特別是用于連續或自動測量的pH測量儀表，對穩定性要求更高，性能良好的儀表當電源電壓變化10%或連續使24個小時后，顯示漂移在t2mV在以內，同時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儀表側量范圍基本上都設計成0-14pH單位，有些設計成分檔可調式。對實驗室使用的高精度pH儀表分辨率可達0.001pH；工業現場中使用的在線pH變送器，分辨率大都為0.01pH；因為工業現場影響測量pH準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

工業現場中使用的pH測量儀表，必須具有信號隔離功能及信號輸出遠傳的能力，標準信號輸出電壓為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值的變化而發生改變。他們之間的關系符合相應專業方程中電極電位E與粒子獲毒之間的相互關系。而第三電極作用于共模電壓干擾以地電流所造成的干擾。儀器通過設置了穩定了定位調節器以及斜率的調節器，定位調節器主要用于抵消所測量電池的開始電位，從而使相應儀器所顯示的值等于溶液的PH值。而斜率調節器是通過調節放大器的靈敏程度從而實現了pH值的整量化，并且通過溫度傳感器進行溫度的自動補償。

pH變送器以銀-氯化銀電極作為了參比電極，實際上也是基準電極，而使用玻璃電極作為了指示電極也就是基準的電極，玻璃電極在一定的寬度范圍內，也就是pH值在2-9范圍內時具有穩定的線性刮泥，同時也能在較強的酸堿溶液中穩定工作。實際上，玻璃電極內部為銀-氯化銀電極，也被稱之為內電極，外部具有敏感玻璃泡所制成的玻璃外電極，內電極和外電極共同構成了總體的玻璃指示電極，內部充有氫離子的濃度為[H+]的緩沖溶液，實現了與外部電極相互來聯系，緩沖溶液是弱酸與弱酸鹽所構成的溶液，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變送器應用過程中出現的問題

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H形的互感器通過轉換壓差、壓力信號為頻率信號，而后將相應的信號送到脈沖計數器，再將所轉換的評論傳遞到CPU進行信號的處理，通過D/A轉換器轉換為了與輸入信號所對應的4mA～20mA DC輸出信號，同時在模擬信號上疊加一個BRAIN/HART的數字信號開展通信。膜盒組件中的內置特性修正存儲器存儲傳感器的環境溫度和靜壓，而輸入和輸出特性修正經CPU運算的數據。通過外部設備或者I/O接口，保證了數字方式傳遞數據，使所需要傳輸的數字信號疊加在4mA～20mA的信號線上，同時不對4mA～20mA的信號產生任何的擾動影響。

實際的PH變送器的應用過程中，儀表供電以及阻抗匹配的問題是較常遇到的。除了相應的pH變送器的最大負載電阻以及供電的電壓需要滿足一定的對應關系外，還對直流電源的波紋具有一定的要求，而對于經過CSA認證的變送器，其標準的電壓不允許超過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載電阻有著嚴格的要求，由此在實際的使用過程中應尤其注重。

4 pH值變送器的電路輸入

由于PH值變送器適用于工業生產領域，同時由于工業生產領域中的條件有限，由此往往只有24V的電源能供應使用，由此在實際的PH值變送器電路使用中，往往考慮24V集中供電。同時由于PH值的傳感器電極的輸出信號為-407～+407mV。其所對應的PH值范圍在0-14區間內。

差動輸入電路是通過兩個放大器7650所構成的差動放大電路，其所輸入的電阻一般可達到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，同時差動電路的抗共模干擾能力和抗噪聲的能力，由此能適應于工業生產產地較為復雜的環境中，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變送器在工業生產的現場應用，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，在實際的電路設計過程中應綜合考慮以下因素:

5.1 屏蔽線選擇雙絞線

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

5.2 屏蔽線應接地

pH變送器的屏蔽線若是懸浮，將提供了一個耦合的路徑，由此無法屏蔽電磁干擾以及射頻干擾。為達到較好的屏蔽效果，屏蔽線應接地。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實現電路的轉換

V/F的轉換過程實際上也是積分的過程，同時在使用V/F轉換器的過程實際上也是實現A/D轉換的頻率計數過程，也就是在計數的時間內實現對頻率信號的積分，從而使相應的線路具有較強的抗干擾的能力。只有相應的PH變送器具有了一定的抗干擾能力，才能更好地實現對實際PH值的測量和有效反映。

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