Функциональная схема рН-метра.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 6Следующая ⇒

Основными функциями прибора является:

1. Преобразование параметров рН_Х, Е_h и Т в электрические сигналы U_рН, U_Е_h и U_Т.

2. Автоматическое вычисление значения рН_Х по уравнению, описывающему э.д.с. электродной системы рН-метра.

где Е_h, рН_U – координаты изопотенциалной точки используемого прибора;

S_T – крутизна характеристики электродной системы;

рН_Х – измеряемый показатель рН;

S₀ – постоянный коэффициент крутизны;

α – температурный коэффициент крутизны.

Разрешая уравнение электродной системы относительно измеряемого параметра рН_Х, получим

В зависимости от способа реализации градуировочной характеристики могут быть выполнены схемы рН-метров с аналоговым и цифровым (микропроцессорным или компьютерным) вычислителем измеряемого показателя рН. Схема с аналоговым вычислителем включает в себя следующие блоки:

– входной усилитель,

– аналоговый преобразователь температуры,

– блок аналогового вычисления на операционных усилителях (ОУ),

– блок опорного напряжения,

– АЦП двухтактного интегрирования,

– блок индикации.

Операции суммирования-вычитания аналоговых сигналов с помощью известных схем на ОУ.

Рисунок – Функциональная схема рН-метра с аналоговым вычислителем

Рисунок – Функциональная схема рН-метра с компьютерной обработкой информации

Функциональная схема прибора представляет собой совокупность функциональных блоков и элементов и связей между ними, обеспечивающая выполнение системных требований. При этом каждый выделяемый блок представляет собой устройство, обеспечивающее выполнение определенной функции (усиление, преобразование, генерация, переключение и т. д.). Степень детализации функциональных свойств устройств определяется разработчиком, исходя из простоты описания, а также существенности и малозначительности той или иной локальной функции для выполнения основной функции.

Рассмотрим построение и элементы расчета функциональных схем по блокам структурной схемы.

Входной усилитель.

При разработке входного усилителя необходимо иметь ввиду, что проектируемый усилитель должен быть прежде всего согласован с электродной системой, внутреннее сопротивление которой составляет порядка 1000 Мом. То есть входное сопротивление не должно быть меньше 1000 Мом.

Общий коэффициент усиления выбирается из следующего соотношения:

где U_max_.вх – максимальное значение выходного напряжения;

– выходное напряжение чувствительного элемента электродной системы.

Значение U_max_.вх определяется значением опорного напряжения выбранной микросхемы АЦП U_оп и выбирается разработчиком на уровне 2-5 В. Значение рассчитывается по формуле для максимального значения измеряемого по формуле для максимального значения измеряемого рН_max = 14 при максимальной температуре раствора t.

Из справочников для выбранного типа измерительного электрода определяем координаты изопотенциальной точки Е_U, рН_U. В частности, для стеклянных электродов типа ЭСЛ-15-11 и ЭСЛ-45-11 Е_U = -25 мВ; рН_U = 4, 25. Крутизна характеристики электродной системы определяется соотношением и для t = 100 º С равна

мВ/рН.

Подставляя полученные значения в выражение для получим

мВ.

Тогда требуемый общий коэффициент усиления входного усилителя составит (при выбранном U_max_.вх = 2 В)

Выбор схемы входного усилителя можно реализовать двумя путями:

1) использование в качестве усилителя серийной микросхемы прецизионных операционных усилителей (ОУ);

2) построение входного усилителя по схеме М-ДМ на операционных усилителях, имеющих малое потребление мощности, высокое входное сопротивление и низкие значения напряжения питания (не более ±5 В).

К числу прецизионных ОУ относятся в частности, предусилитель К140УД13, построенный по М-ДМ схеме на КМОП структуре усилителя К140УД17 и др. Предусилитель К140УД13 имеет входное сопротивление 100 МОм глубокой отрицательной обратной связи позволяет получить более высокие значения входного сопротивления при малых значениях смещения нуля (50 мкВ).

Недостатком этого усилителя является достаточно высокое потребление тока (10 мА) и высокие значения напряжения питания (±15 В).

Усилитель К140УД17 имеет имеет меньшее значения тока потребления (4 мА), а напряжение питания может изменяться в диапазоне ±3…±18 В.

Представляет интерес использование входного усилителя по схеме М-ДМ, примененная в рН-метре рН-150.

Блок аналогового измерения выполняется на операционных усилителях (например, типа К140УД12) и реализует следующие функции:

1) согласование характеристик электродной системы (в частности, координаты изопотенциальной крутизны точки) с параметрами преобразователя;

2) коррекцию показаний рН-метра при изменении температуры;

3) переключение режимов измерения прибора;

4) преобразование сопротивления термокомпенсатора в напряжение, пропорциональное температуре анализируемой среды.

Блок измерения реализует аналоговым способом вычислительные операции в соответствии с выражениями. Он может быть выполнен на операционных усилителях и переменных резисторах, предназначен для установки значений выходных напряжений ОУ (например, при калибровке по буферным растворам) и регулировки коэффициентов усиления (например, при установке требуемой крутизны).

Преобразование сопротивления термокомпенсатора в напряжение, пропорциональное температуре анализируемой среды, осуществляется операционным усилителем, в цепи обратной связи которого включается термокомпенсатор (при автоматической). Номиналы частотозадающих цепей тактового генератора рассчитываются по формуле

Для повышения стабильности частоты между выводами 39 и 40 можно включить кварцевый резонатор (при этом элементы R_Г и С_Г не подключают). При работе микросхемы от внешнего генератора тактовые импульсы подают на вывод 40 (выводы 38 и 39 при этом оставляют свободным).

Диапазон входных напряжений микросхемы зависит от образцового напряжения U_обр и определяется соотношением

U_вх._max = ±1, 999 U_обр.

Текущие показания цифровых импедансов выражаются числом равным

При использовании микросхемы необходимо чтобы выходное напряжение интегратора внутри микросхемы не превышал граничного напряжения линейного участка, равного 2 В. Это накладывает ограничение на соотношение между образцовым напряжением, частотой генератора, сопротивлением R_ИНТ и емкостью С_ИНТ.

При частоте f = 50 кГц рекомендуются следующие соотношения:

Вариант 1 – R_инт = 47 кОм; C_инт = 0, 1 мкФ; C_обр = 1 мкФ; U_обр = 0, 1 В; C_АК = 0, 47 мкФ.

Вариант 2 – R_инт = 470 кОм; C_инт = 0, 1 мкФ; C_обр = 0, 1 мкФ; U_обр = 1 В; C_АК = 0, 047 мкФ.

Для указанной частоты 50 кГц С_Г = 91 пФ и R_Г = 100 кОм. Допускаемое отклонение от номинала указанных элементов не более ±5%.

Для выполнения функции аналого-цифрового преобразования целесообразно выбрать микросхему АЦП типа КР572ПВ2А, выполненную по схеме двойного интегрирования.

АЦП данного типа обладает достаточно высокой помехоустойчивостью, малым потреблением тока, большим входным сопротивлением (более 100 МОм).

В состав микросхемы входит тактовой генератор. Частота следования его импульсов определяется внешними элементами R_Г и С_Г. Для подавления сетевых помех с частотами, кратными 50 Гц, частота повторения импульсов должна быть выбрана такой, чтобы в интервале интегрирования, равная 4000 периодов тактового генератора Т, укладывалось целое число К периодов сетевого напряжения, равных 20 мс.

мс, где К = 1, 2, 3.

Отсюда кГц, т. е. 200, 100, 67, 50, 40 кГц и т. д.

Рисунок – Схема включения АЦП типа КР572ПА2 со светодиодным индикатором

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 Следующая ⇒