溶解氧变送器的设计要点探析.docx
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、.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
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