帶有溫度補償功能的隔離式pH監(jiān)測儀

簡介

液體的pH值在很多行業(yè)都至關(guān)重要。幾乎所有處理液體的行業(yè)都需要pH測量系統(tǒng)。顯然，這對于廢水系統(tǒng)和廢水廠來說很重要，但是您知道啤酒廠的水在到達污水系統(tǒng)之前需要具有特殊的pH值嗎？此設(shè)計技巧旨在幫助向水處理系統(tǒng)添加高精度隔離。

本文討論向系統(tǒng)添加高精度隔離。這對于監(jiān)測遠離系統(tǒng)的水pH值、監(jiān)測不同的接地電平或在發(fā)生錯誤時保護系統(tǒng)不受高壓影響至關(guān)重要。

pH值衡量水溶液的酸堿度。它是一個無單位數(shù)字，并根據(jù)下式定義為氫離子活性的負常用對數(shù)：

(1)

純水的pH值定義為7，而酸的pH值小于7，堿的pH值大于7。根據(jù)pH值改變顏色的所謂的指示器通常用于測量pH值。但是，此測量值只是粗略估計值。圖1中所示的電路旨在用于評估復合玻璃電極。0至14的pH值范圍具有0.5%的精度，并且進行了溫度補償。該電路支持各種pH傳感器，可具有1 MΩ至幾GΩ的高阻抗值。

圖1. 具有復合電極的pH傳感器電路（簡化）。

pH電極

pH探針由一個測量電極和一個參考電極構(gòu)成，類似于一塊電池。如果將探針浸入測試溶液，則測量電極根據(jù)氫離子活性產(chǎn)生電壓。25°C時，單位pH值的典型輸出值為59.14 mV。由于與溫度具有相關(guān)性，此值可增加至70 mV/pH。將此電壓與參考電極進行比較。如果測試溶液為酸性（低pH值），則探針輸出端的電位大于0；如果是堿性溶液，則小于0。輸出值可使用下式計算：

 (2)

其中：

E為探針的輸出電壓。

E0為標準電極電位（通常為0 V），具體取決于探針。R為普適氣體常數(shù)。R = 8.31447 J mol?1 K?1。

T表示溫度(K)。

n為轉(zhuǎn)移電子數(shù)（或等效數(shù)）。F為法拉第常數(shù)。F = 96485.34 C mol?1。

pH為未知溶液的氫離子濃度。pHREF = 7，參考電極的基準值。

電路

電路的三個主要元件是探針的緩沖器、ADC和具有電壓傳輸功能的隔離器。選擇緩沖運算放大器AD8603的原因是它具有低功耗、低噪聲和極低輸入偏置電流。200 fA典型低輸入偏置電流可確保由于電流流過探頭的內(nèi)部電阻而產(chǎn)生的壓降被最小化。另一個重要元件是ADC，此處用AD7793表示，是具有集成電源和可編程放大器的24位∑-Δ轉(zhuǎn)換器。集成電流源產(chǎn)生流經(jīng)Pt1000的電流。借此進行在處理器中進行補償所需的溫度測量。此電流還流經(jīng)5 kΩ電阻（0.1%容差），由此產(chǎn)生1.05 V基準電壓。作為第二個功能，電阻提升了共模電壓。通過這種方式及通過選擇基準電壓，ADC的輸入范圍得到充分利用：探針輸出±414 mV——最大±490 mV。隔離器為ADuM5411，即同時提供ADC的SPI接口隔離的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

電路特性

為了實現(xiàn)高精度，選擇了典型輸入偏置電流為200 fA的運算放大器，這樣，在探針阻抗為1 GΩ時，最大失調(diào)電壓達0.2 mV。這相當于25°C時pH值的誤差為0.0037個單位。即使最大輸入偏置電流為1 pA，在1 mV時，最大偏置誤差也很小。為了不放棄這個好的開始，建議通過使用保護環(huán)、屏蔽及其他不受低電流影響的技術(shù)進行合適的布局測量。在選定數(shù)據(jù)速率為16.7 Hz，增益為1時，ADC產(chǎn)生的噪聲約為2 μV rms。如果使用13 μV峰峰值噪聲進行計算，則pH值的精度為0.00022個單位的pH值。如果將放大器的噪聲和ADC的噪聲加在一起，將產(chǎn)生0.00053個單位的pH值，因此，偏置誤差更大。

結(jié)論

此處所示的電路是pH傳感器讀數(shù)的簡單、精密和省電轉(zhuǎn)換電路。電路經(jīng)過校準后，可以實現(xiàn)0.5%的精度，相當于0.005個單位的pH值。由于采用了隔離，它適合多種應(yīng)用。

作者簡介

Thomas Tzscheetzsch于2010年加入ADI公司，擔任高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師。2010年至2012年，他負責支持德國中部地區(qū)的客戶群，自2012年以來，他任職于關(guān)鍵客戶團隊，為關(guān)鍵客戶提供支持服務(wù)。2017年重組后，他負責中歐國家IHC市場的FAE團隊，擔任FAE經(jīng)理。

在職業(yè)生涯的最初階段，他于1992年至1998年在一家機械制造公司任電子工程師，擔任部門負責人。在哥廷根應(yīng)用科學大學完成電氣工程學習后，他任職于Max Planck研究院從事太陽能系統(tǒng)研究工作，擔任硬件設(shè)計工程師。2004年至2010年，他任職于ADI公司產(chǎn)品經(jīng)銷商的現(xiàn)場應(yīng)用工程師。