Расчет элементов схемы рН-метра. Расчет источника питания, пропорционального крутизне электрод-ной системы S1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Гомельский государственный технический университет

им. П.О.Сухого

Кафедра “Промышленная электроника”

Расчетно-графическая работа

по дисциплине:

“Методы и техника научного эксперимента”

на тему:

“Расчет элементов схемы рН-метра”

Выполнил студент гр. ПЭ-51:

Проверил преподаватель:

Гомель 1998г.

СОДЕРЖАНИЕ

1.  Исходные данные.

2.  Расчет элементов схемы.

2.1 Расчет источника питания, пропорционального крутизне электрод-ной системы S1.

2.2 Расчет параллельного сумматора.

2.3 Расчет резистора R.

2.4 Расчет фильтра.

2.5 Расчет повторителя.

3.  Расчет требования к элементам.

3.1 Расчет точности элементов.

3.2 Расчет температурной стабильности элементов.

3.3 Требования к потенциометрам.

3.4 Требования к конденсатору Сф.

4.  Выбор элементов.

5.  Используемая литература.

Приложения:

1.  Перечень элементов.

2.  Схема электрическая принципиальная.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Схема для расчета приведена на рис.1.

Тип измерительного электрода: ЭС-71-11.

Пределы измерения рН: при 25^°С — 0,5 ... 12рН, при max — 0 ... 9рН.

Температура анализируемой среды — 20 ... 60^°С.

Сопротивление электрода при 20^°С — 50±40МОм.

Координаты потенциальной точки:

рНи=20рН,

Еп=-75мВ.

Отличие реальной крутизны от теоретической — 0,96.

Тип применяемого термокомпенсатора — ТКА-4.

Таблица №1.

Номинальные значения сопротивления термокомпенсатора ТКА-2 от температуры.

Точность прибора — 0,2рН.

Дополнительная погрешность от температуры — 0,01.

Диапазон рабочих температур -10 ... 50^°С.

Питание прибора осуществляется от гальванического элемента.

Рис.1. Принципиальная схема рН-метра.

2. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

2.1. Расчет источника питания, пропорционального крутизне электродной характеристики St.

Сопротивление измерительного электрода определяется уравнением:

Rt=Ro×(1+a_tt), где Ro — номинальное значение сопротивления чувствительного элемента при температуре 0^°С.

Теоретическая крутизна идеального электрода имеет вид:

St=54,198×(1+0,00365t).

Для уравнивания a_t и a_st последовательно с Rt включаем сопротивление R’, тогда:

a_t можно определить из таблицы нормированных значений сопротивления термокомпенсатора.

R_40°C=R_0°C×(1+a_t×40)

2.2. Расчет параллельного сумматора.

Сумматор собран на резисторах R1 и R2. Выбираем их равными, тогда напряжение на неинвертируемом входе АЦП можно записать как:

Uзо=0,5Еv+0,5Еоu×aЕou.

Необходимо учитывать, что ток, протекающий через R1 и R2 должен превышать в 10 ... 50 раз ток, протекающий через потенциометр П1 и П2.

Сопротивление потенциометров выбираем из условия ограничения тока, втекающего по входу 32 АЦП:

Im1+Im2£20мА

С целью уменьшения потребляемого тока выбираем потенциометры П1 и П2 по 10кОм, тогда сопротивления R1 и R2 можно принять равными по 1МОм.

2.3. Расчет резистора R

Выходной код АЦП имеет вид:

При Ех=Еu значение рН равно рНu, т.е. можно записать:

N=(0+apHu)×1000=425

apHu=0.425

По уравнению электродного потенциала можно записать:

Ех=Еu-St×(pH-pHu)=-25-54×198(12-4,25)=-445мВ

При этом же условии можно записать:

Максимальное напряжение на входе равно:

В

Оно удовлетворяет техническим требованиям микросхемы АЦП типа К572ПВ2.

2.4. Расчет фильтра

Зададимся коэффициентом подавления помехи 40 Дб. Тогда:

Кu=100=1/wT

w=2pf=314.2c^-1

T=RC=3.183×10^-5c^-1

C=T/R1=3.183×10^-4Ф=31,83пФ

2.5. Расчет повторителя

Так как выхоное сопротивление электрода велико, то необходим входной высокоомный повторитель сигнала (рис.2), например с использованием ОУ.

Рис.2. Схема высокоомного повторителя.

3. РАСЧЕТ ТРЕБОВАНИЙ К ЭЛЕМЕНТАМ

3.1. Расчет точности элементов.

Приведенная погрешность прибора равна:

dпр=0,2/12=0,017

Погрешность отдельных элементов можно оценить по формуле:

где d_i — погрешность.

Кроме того, необходимо учитывать напряжение смещения ОУ. Таким образом, погрешность отдельного элемента не должна превышать величины:

Для R1 и R2: dR1=dR2£0,28%

Для R и R’: dR=dR’£0,39%

Для ОУ А2 напряжение смещения не должно вызывать отклонения в точности свыше 0,334. Для максимального сигнала: Ех=0,445В.

мВ

Входной ток, протекающий по цепи электрода не должен вызывать падение напряжения выше 0,6мВ, отсюда:

А

Для ОУ А1:

3.2. Расчет температурной стабильности элементов

Дополнительная погрешность составляет 0,01рН/^°С:

Аналогично пункту 3.1. можно оценить требования к элементам:

Для R1 и R2:

ТКС£1,4×10^-4 1/К

Для R’ и R, П1 и П2:

ТКС£2,4×10^-4 1/К

Для ОУ А1:

Для ОУ А2:

3.3. Требования к потенциометрам

Потенциометр П2 должен обеспечивать установку коэффициента деления 0,025/2В=0,009 с точностью 0,33%, т.е. для применяемого потенциометра количество витков должно быть не менее:

Аналогичной точностью должны обладать потенциометр П2 (N=1890) и резистор R’.

3.4. Требования к конденсатору Сф

К конденсатору Сф не предъявляются особые требования по точности. Необходимо, что бы он обладал малыми токами утечки, что характерно для фторопластовых, полистирольных и слюдяных конденсаторов.

4. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ

Конденсатор Сф в соответствии с [3]:

К70-6-35В-33пФ±10%

Резисторы R1 и R2 в соответствии с [2]:

С2-29В-0,125-1МОм±0,25% (ТКС=±75×10^-6)

Резистор R:

С2-29В-0,125-13,8кОм±0,25% (ТКС=75×10^-6)

Резистор R’:

РП1-61В-0,25-0,33кОм±10% (ТКС=10⁴)

Потенциометр П1:

РП1-61В-0,25-10кОм±10% (ТКС=10⁴)

Для повышения точности потенциометра П2, разделим его на два резистора: R’’=9,1кОм и подстроечный резистор на 1кОм, тогда из [2]:

R’’ — C2-50-0.25-9,1кОм±5% (ТКС=±50×10^-6)

П2 — РП1-61В-0,25-1кОм±10% (ТКС=±10^-4)

Операционный усилитель А1 — 140УД24

Uсм=±10мкВ

Iвх=10nА

Кu=3×10⁵

Коос=120Дб

f1=0,8МГц

Операционный усилитель А2 из [4].

Вследствие малого напряжения смещения допуск на входной ток можно увеличить, поэтому применяем операционный усилитель 140УД24.

Элементы являющиеся обязательными для нормального функционирования интегральной микросхемы К572ПВ5 не подлежат расчету и выбраны из [2], [3], [4], [5].

5. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. , Кирасиров А.Ф. “Измерительные цепи рН-метров”, - Гомель, Сож, 1997г.

2. Четвертов, Терехов, “Резисторы”, - Справочник, М: Радио и связь, 1991г.

3. Булычев А.А. “Аналоговые интегральные схемы”, - Справочник, Мн: Беларусь, 1993г.