溶解氧变送器的设计要点探析.docx

摘要：以溶解氧电极的工作原理为切入点，从前置放大器、第二级电压放大、V/I转换三方面，探讨了溶解氧变送器的设计要点。关键词：溶解氧；变送器；前置放大器；第二级电压放大；V/I转换O引言抗生素产生菌一般必须摄取培养液中的溶解氧，以满足菌体发育、生长、繁殖及合成抗生素的需要。菌体发酵过程中溶解氧浓度的大小与氧的传递速率及产生菌的摄氧率有关。通过测定溶解氧，可以了解产生菌对氧的利用规律，指示发酵的异常情况，作为发酵控制的参数及设备供氧能力的指标。溶解氧变送器是一种使用隔膜覆盖的电化学传感器，用来检测溶解氧量，其原理是氧通过扩散穿过隔膜，在电极上发生反应，并将电极上几微安的电流测试信号转换成标准的计算机能接收的模拟量输入信号，供DCS上位机在模型中进行分析运算。本文以溶解氧电极的工作原理为切入点，从前置放大器、第二级电压放大、V/I转换三方面，对溶解氧变送器的设计要点进行分析与探讨。1溶解氢电极的工作原理1956年，CIark发明了极谱式复膜溶氧电极，使得溶解氧在线检测成为可能。装有电解液的两个（原电池型Cal-vanic）或三个（极谱型Polarographic）金属电极，用酶膜封闭传感器，这两种电极结构相似，只是前者需要外加一个极化电压，而后者能自行产生电动势，其中阴极不参与化学反应，仅起传递电子和还原氧分子的作用，一般用金、银等金属制成。阴极反应:02+2H4e'=40Ho在原电池型电极中，阳极为消耗极，可用铅、镉、锌、锡、银等高纯度金属制作，其阳极反应为：Pb=Pl+2e,在极谱型电极中，阳极一般用银制作，其阳极反应为：4Ag+4C=4AgCl+4e从上述化学反应式可得，电极反应所产生的电流与溶氧中的氧分压成正比。水和可溶解物质离子不能透过这层薄膜，但氧和一定数量的其他气体及亲水性物质可透过这层薄膜，将电极浸入水中就可进行溶解氧的测定。原电池作用或外加电压使电极间产生电位差，这种电位差使金属离子在阳极进入溶液，而透过膜的氧在阴极还原，由此产生的电流直接与通过膜和电解液中的溶解氧的传递速度成正比。根据Fick定律：式中I电极电流；k一一常数；D一一膜中氧的扩散系数；3一氧在膜材料中的溶解度；A阴极表面积；PO2被测液中的。2分压；1透气膜的厚度。其中，膜中氧的扩散系数与温度有关，发酵过程由恒温控制，且溶氧是一个相对值，因此，一般的在线溶氧仪温度补偿可以省去。通过检测溶解氧电极的输出特性可以知道，溶解氧电极是一个微电流的恒流源，能有效地检测出电流的大小。运用溶解氧电极的工作原理，可设计出一个满足精度要求的溶解氧变送器。2溶解氧变送器的设计要点2.1 前置放大器2.1.1前置放大器的要求由于溶解氧电极是微小的恒流源，所以前置放大器要符合以下要求:(1)输入阻抗高；(2)开环增益高；(3)失调电流低；(4)输入噪声低；(5)温度漂移、时间漂移低；(6)共模抑制比高。2.1.2斩波稳零式高精度运算放大器前置放大器要求接近理想的运算放大器性能，即对于任何输出激励和任何共模输入激励具有零差模输入电压和零输入电流。否则，在微信号放大倍数高的闭环电路中，其放大器输出的噪声与信号比很大，无法满足信号放大的要求，信噪比远大于仪器要求的50:1。因此，我们选择带有自动斩波稳零的高精度IC1.7650运算放大器作为前置放大器。该放大器是Intersil公司利用动态校零技术和CMOSI艺制作的斩波稳零式高精度运算放大器，它具有输入偏置电流低、失调电流低、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定等优点，该器件利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移，从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚，克服了传统斩波稳零放大器的缺点。该放大器在输入信号为1InV时的相对误差为0.088%,输入失调电压和失调电流产生的误差很小，输入失调电压、温度漂移为1mV时的相对误差为0.055%,因此能放大ImV以下的信号。2.1.3反相的电压放大前置放大器采用反相的电压放大，通过实验测得信号电极内阻，在保证电极输出线性的前提下选择取样电阻，使其远小于输入阻抗，同时又远大于噪声信号，并保证同、反相输入电路的对称性，利用其高共模抑制比来最大程度地降低输入失调和温度漂移及时间漂移。从生化参数变化速度慢于噪声信号传递速度的特点出发，在电路的前端设置了时间常数较大的低通滤波器，即单极点RC低通滤波器，以滤去来自工业现场，特别是由很多电机变频控制的信号。反向输入放大器的计算方程为：(V-VJIR+(V-VJ/F2=OVo=-Aq(三)Vn式中匕电极输出信号；Vn运放输入信号;Rl输入电阻;A反馈电阻；V0本级放大的输出电压，Vo=-Aq(三)VntAq(三)为运算放大器的传递函数。根据虚断的概念，前置放大器的输出为：U0(t)=-兄，(t)IR=kU(t)经过拉氏变换，可得：V0(三)=A匕(三)G(三)=匕(三)/匕(三)=k式中G(三)一放大器的传递函数；K(三)一放大器的输出传递函数；匕(三)一放大器的输入传递函数；k一一放大器放大倍数。G(三)=-RjR,为理想运算放大器的反相输入放大器的电压放大倍数。2.1.4其他选择图1为溶解氧变送器电路组成。在电路中，除了放大器的固有噪声外，还有来自电源的纹波、变压器、电子器件、印刷线路板的漏电、接地环等其他因素的干扰。因此，传感器输入端信号的获取(电流转换成电压在运算放大器输入端得到信号)采用噪声小、不存在电流噪声、非线性、温度系数小、稳定性好、精度可达到0.1%的精密线绕电阻，并留有足够的功耗，以减少温度影响，而其高频特性差的缺点对直流电源来讲并没有影响。图1溶解氧变送器电路组成在电路设计上，由于输入的信号是微安级，所以输入端用高频绝缘子悬浮，以防止其他信号的串入、耦合和泄漏产生误差。由于运放自身带有调制解调器，其斩波信号的存在，放大器内部已不再是直流信号。因此，在输入端周围的微信号极易产生耦合信号，同时电源电压相对于输入信号也是强信号。除高频绝缘子外，从原理图到印刷线路板的设计中，信号输入端到放大器的输入端之间的距离应尽可能短，印刷线路尽可能粗，并远离强信号，尽可能缩短平行布线的距离，最大程度地减小信号干扰（强弱信号间）、耦合（平行距离间）和损失（印刷线路板中，要选择体积电阻率大的青壳板），并且该级采用负反馈方式，使小信号得到有效放大。由于输入是微弱的小信号，所以输入端的过压保护，用来避免输入端损坏或阻塞的电路可以省去。在元器件的选择上，除上述电阻外，反馈电容也要选择损耗较小的聚苯乙烯电容，以减少损耗，用于防止自激。2.1.5电源由于运算放大器对电源的精度要求不高，所以采用三端稳压电源就足够了，采用大的电解电容滤去直流纹波，采用01F或以下CBB电容滤去电源毛刺，±15V的双电源变压器可调整避免干扰的方向，并进行有效的屏蔽接地。同时在电路中设置退耦电路。2 .2第二级电压放大变送器的第二级为电压放大，为了调整相位，中间的电压放大采用反相放大，并且在这一级调整了整个放大器的放大倍数，进行增益调整，以适应数显的量程，显示出合适的溶氧值。由于这里的输入信号相对于电源等已经比较大，对干扰和信噪比要求不高，所以选用普通的运算放大器就足够了。2.3V/I转换最后，变送器进行V/I转换，在V/I转换后，送至控制系统的模拟量输入端，这部分电路还要考虑变送器与计算机之间因距离引起的信号损失，其计算方程为：Io=VJR.式中Io电压电流转换的输出；匕上一级的电压输出；R一一取样电阻。其中，R要用功率大的精密线绕电阻，这样输出电流与输入电压呈线性关系，这里尽量采用精密电阻抽头的方式，而不要图方便采用多圈电位器，使得输出更精准和稳定。在V/I转换中还需考虑以下因素:(1)取样电阻要达到一定的精度与功耗；(2)信号输出最大值(在计算机输入端中为电压值)要在电源电压范围内，并在放大器输出的线性范围内；(3)输入端与输出端及其他许多模拟量输入端在计算机输入端中共地，会造成电流输出在非地(V/I转换中的取样电阻接地)的情况下产生局部短路的现象，使得计算机电流输入端电压比正常小。3 结语经过上述设计制作的溶解氧变送器，其精度、性能的稳定性均可达到设计要求，同时通过对印刷线路板进行封闭处理，可避免后期环境对其性能造成影响。目前，有许多PCB设计软件，对电路功能的设计非常全面，如双面及多层电路板设计，布局合理、高效，是人所不能替代的。但是，对电路特殊方面的处理还需要人进行调整。