一種離子選擇電極前置放大器的設(shè)計(jì)

李東亮，楊慧中

（江南大學(xué) 教育部輕工過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122）

一種離子選擇電極前置放大器的設(shè)計(jì)

李東亮，楊慧中

（江南大學(xué) 教育部輕工過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122）

采用離子選擇電極法測量溶液中某種離子的離子濃度時(shí)，離子選擇電極與參比電極間產(chǎn)生一個(gè)電勢差。基于電勢差信號(hào)的低頻率、低幅值和輸入高阻抗的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種用于離子選擇電極信號(hào)采集的前置放大器。該放大器主要由傳感器電極、低通濾波電路、超高輸入阻抗放大電路、差分式放大電路和50 Hz陷波電路等組成。該前置放大器提供了高達(dá)1012Ω的輸入阻抗，并且很好的降低了共模信號(hào)的干擾以及工頻干擾，可以較好的采集到離子選擇電極的微弱信號(hào)。

離子選擇電極法；超高輸入阻抗；前置放大器；工頻干擾

電位型離子選擇電極具有價(jià)格低廉、攜帶方便、適用濃度寬廣、操作簡單快捷、不受樣品顏色、混濁度、懸浮物或粘度的影響等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療保健、生化分析、食品安全和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在測量低濃度離子溶液時(shí)，電極產(chǎn)生的信號(hào)一般比較微弱，幅度為毫伏級(jí)，頻率較低且呈現(xiàn)的內(nèi)阻要高達(dá)幾百兆歐，即使用高輸入阻抗的測量放大器也很難實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，仍然會(huì)出現(xiàn)很大的電壓耦合損失，這就直接影響到離子選擇電極的使用效果和應(yīng)用范圍。在信號(hào)采集、放大和檢測過程中通常會(huì)受到外界的各種干擾，其中以50 Hz交流電以及其多次諧波引起的工頻干擾最為普遍。因此，如何把干擾濾除并且實(shí)現(xiàn)阻抗匹配是整個(gè)信號(hào)采集電路的核心[2]。文中設(shè)計(jì)了一種適合離子選擇電極使用的前置放大器，該放大器具有超高輸入阻抗（1012Ω）的特點(diǎn)，并且能很好的抑制50 Hz工頻干擾，還可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同時(shí)采集，特別適合于傳感器在水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測和現(xiàn)場分析中的應(yīng)用。

1 離子選擇電極法原理

離子選擇電極法測量溶液的離子濃度是一種基于電位分析的方法，可用于直接電位法，也可用于電位滴定[3]。圖1為離子選擇電極應(yīng)用于直接電位法的測量原理。離子選擇電極包含由特殊的電活性物質(zhì)組成的敏感膜，對溶液中某種特定離子具有較高選擇性，從而產(chǎn)生一定的電勢，其電勢大小與溶液中特定離子的濃度成對數(shù)線性關(guān)系。用設(shè)計(jì)出的前置放大器采集離子選擇電極與參比電極組成電池的電動(dòng)勢，即可計(jì)算出被測溶液中某種離子的濃度。

測量出的電動(dòng)勢為：

式（1）說明了離子選擇電極與參比電極之間的電動(dòng)勢E的組成，其中：EM為離子選擇電極的外膜電位；ER為參比電極的電位；EJ為液接界電位。

在外界環(huán)境穩(wěn)定的情況下，EM為與溶液中某種特定離子濃度相關(guān)的電位，其余均為固定量。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

離子選擇電極信號(hào)采集電路如圖2所示。先通過離子選擇電極提取信號(hào)，然后通過低通濾波電路把一些干擾信號(hào)濾除，放大器第一級(jí)接超高輸入阻抗放大電路將有用的信號(hào)提取并放大，第二級(jí)接差分放大電路對輸入的工作電極信號(hào)和參比電極信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，第三級(jí)接50 Hz帶阻濾波電路，濾除信號(hào)調(diào)理過程中產(chǎn)生的工頻干擾。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of system

2.1 超高輸入阻抗離子放大電路設(shè)計(jì)

由于前置放大器的阻抗為兆歐級(jí)以上，普通的焊接工藝會(huì)使電路板的絕緣電阻和電路形成并聯(lián)關(guān)系，降低前置電路的有效輸入阻抗，為了抑制電路板絕緣電阻對放大電路輸入阻抗的影響，可以在電路板上電極信號(hào)輸入端至運(yùn)算放大器的同相輸入端加絕緣環(huán)或者做鏤空處理。超高輸入阻抗離子放大電路如圖3所示。

圖3 超高輸入阻抗放大電路Fig.3 Ultra high input resistance amplifier circuit

2.2 差分式放大電路設(shè)計(jì)

根據(jù)離子選擇電極法的測量原理，需要對輸入的工作電極信號(hào)和參比電極信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和放大。本文采用差分式放大電路作為放大器的第二級(jí)，差分式放大電路具有抑制共模干擾的作用，可以很好的克服工作電極信號(hào)和參比電極信號(hào)阻抗匹配后產(chǎn)生的共模干擾。

設(shè)參比電極電位為VR，工作電極電位為VM，第二級(jí)差分式放大電路的輸出為：

式中，A1為差分放大倍數(shù)。差分式放大電路如圖4所示。

圖4 差分式放大電路Fig.4 Differential amplifier

2.3 工頻干擾抑制電路設(shè)計(jì)

由于離子選擇電極輸出的電壓信號(hào)頻率較低，在采集，處理和放大的過程中很容易受到其它信號(hào)的干擾，主要的干擾為50 Hz工頻干擾，而且50 Hz整數(shù)倍諧波頻率的干擾也不能忽視[6]。另外，50 Hz工頻干擾漂移的存在也應(yīng)視為工頻干擾。對于諧波的干擾可通過低通濾波器抑制，而要抑制48.5～51.5 Hz的干擾則需要設(shè)計(jì)性能良好的帶阻濾波器。本文設(shè)計(jì)的帶阻濾波電路如圖5所示。

圖5 550Hz帶阻濾波電路Fig.5 550Hz band-stop filter circuit

圖5中，R1、R2、C3和 C1、C2、R3構(gòu)成雙T選頻網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)算放大器U1具有放大和反饋的作用。在雙T選頻網(wǎng)絡(luò)中，電阻R1，R2阻值相同，均為R，電容C1，C2容值相同，均為C，R3阻值為R/2，C3容值為2C。該電路在有源帶阻濾波電路的基礎(chǔ)上，又增加了具有反饋功能的運(yùn)算放大器U2和具有調(diào)節(jié)功能的電位器RW。其中，電位器RW具有調(diào)節(jié)電路品質(zhì)因數(shù)Q的作用，Q值越大，阻帶寬度越窄，選頻特性越好。由節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納方程導(dǎo)出電路的傳遞函數(shù)為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的前置放大器的效果，將前置放大器和實(shí)驗(yàn)室使用的電化學(xué)工作站和電極測量儀進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)比較，驗(yàn)證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.1 硝酸根離子選擇電極實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將實(shí)驗(yàn)室所使用的鄭州世瑞思儀器科技有限公司生產(chǎn)的RST5200型電化學(xué)工作站和本前置放大器做測量結(jié)果的對比，室溫下采用本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的硝酸根離子選擇電極分別測量去離子水、10-6mol/L、10-5mol/L、10-4mol/L、10-3mol/L、10-2mol/L、10-1mol/L的硝酸鈉溶液，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Tab.1 Comparison of experimental results

在系統(tǒng)測試時(shí)，考慮到外界溫度可能對電極的性能的影響。本次測量在同一時(shí)間段內(nèi)對7組溶液進(jìn)行測量。通過以上測量數(shù)據(jù)的對比，本前置放大器采集到的數(shù)據(jù)與電化學(xué)工作站檢測的結(jié)果基本一致，檢測精度符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 氨氣敏電極實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將雷磁科技有限公司生產(chǎn)的PHS-2F型電極測量儀和本前置放大器作測量結(jié)果對比，室溫下采用氨氣敏電極分別測量去離子水、0.1 mg/L、1 mg/L、10 mg/L、100 mg/L氯化氨堿化后的溶液，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

在系統(tǒng)測試時(shí)，考慮到外界溫度可能對電極的性能的影響。本次測量在同一時(shí)間段內(nèi)對5組溶液進(jìn)行測量。通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，PHS-2F型電極測量儀只能采集到個(gè)位的數(shù)據(jù)值，而本文設(shè)計(jì)的前置放大器可以采集到小數(shù)點(diǎn)后一位的數(shù)據(jù)值。實(shí)驗(yàn)表明氨離子在0.1 mg/L～100 mg/L濃度范圍內(nèi)，電極響應(yīng)級(jí)差符合能斯特關(guān)系，氨氣敏電極輸出電壓值和氨離子濃度的對數(shù)成線性關(guān)系[7]。將測量結(jié)果代入標(biāo)準(zhǔn)曲線換算成氨離子濃度值時(shí)，0.1 mV的電位差都會(huì)對濃度值造成很大的誤差。所以，本文設(shè)計(jì)的前置放大器的應(yīng)用性能優(yōu)于PHS-2F型電極測量儀。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Tab.2 Comparison of experimental results

4 結(jié) 論

文中主要針對離子選擇電極的信號(hào)特點(diǎn)，采用運(yùn)算放大器和儀用放大器設(shè)計(jì)了一種離子選擇電極的前置放大器。該前置放大器在能夠獲取離子電極信號(hào)的基礎(chǔ)上，還考慮了使用濾波電路來抑制共模信號(hào)和工頻干擾，以便為上位機(jī)提供高靈敏的離子電極信號(hào)。該前置放大器穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)精確，使用范圍廣，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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A design of prime ampli fi er forion-selective electrode

LI Dong-liang，YANG Hui-zhong
（Key laboratory of Advanced Process Control for Light Industry Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

When use anion-selective electrode method to measure a certain ion-concentration，an electrical potential difference is generated in between the ion-selective electrode and thereference electrode.A prime amplifier forthe electrical potential difference is designed based on the signal characteristics of low frequency，small amplitude and high resistance.The amplifierincludesan electrode，low pass filter circuit，ultra high input resistance amplifier circuit ，differential amplifier and 50 Hz rejector circuit.This prime amplifier provides 1012Ω high input impedance，and can well remove the interference of common mode signal and interference of power frequency.Therefore，itcan be very goodto collect the weaksignal from the ion-selective electrode.

ion-selective electrode method；ultra highinput resistance；prime amplifier；disturbance of industry frequency

TN722.7

A

1674-6236（2014）11-0012-03

2014-02-26 稿件編號(hào)：201402192

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2012070）；江蘇省環(huán)保科研課題（2012051）

李東亮（1989—），男，江蘇徐州人，碩士。研究方向：水質(zhì)在線監(jiān)測裝置的開發(fā)。