帶溫度補(bǔ)償?shù)母綦x式pH監(jiān)測(cè)儀

了解液體的pH值在許多行業(yè)中都是必不可少的。幾乎每個(gè)處理液體的行業(yè)都需要pH測(cè)量系統(tǒng)。顯然，它對(duì)廢水系統(tǒng)和廢水廠(chǎng)很重要，但是您知道啤酒廠(chǎng)的水在到達(dá)污水處理系統(tǒng)之前需要具有特殊的pH值嗎？此設(shè)計(jì)技巧旨在幫助為水處理系統(tǒng)添加高精度隔離。

本文討論如何在系統(tǒng)中增加高精度隔離。這對(duì)于監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)離系統(tǒng)的水pH值、監(jiān)測(cè)不同的地面水平或在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受高壓影響至關(guān)重要。

pH值是水溶液酸度或堿度的量度。它是一個(gè)無(wú)單位數(shù)，根據(jù)以下等式定義為氫離子活性的負(fù)公對(duì)數(shù)：

純水的pH值定義為7，而酸的值小于7，堿的值高于7。根據(jù)pH值改變顏色的所謂指示劑通常用于測(cè)量pH值。但是，此測(cè)量?jī)H提供粗略估計(jì)。圖1所示電路用于評(píng)估組合玻璃電極。它在 0 至 14 的 pH 范圍內(nèi)具有 0.5% 的準(zhǔn)確度，并具有溫度補(bǔ)償功能。該電路支持大范圍的pH傳感器，這些傳感器可以具有從1 MΩ到幾GΩ的高阻抗值。

圖1.帶組合電極的pH傳感器電路（簡(jiǎn)化）。

pH 電極

pH探頭由測(cè)量電極和參比電極組成，與電池相當(dāng)。如果將探頭浸入測(cè)試溶液中，則測(cè)量電極會(huì)根據(jù)氫離子活性產(chǎn)生電壓。25°C 時(shí)的典型輸出值為 59.14 mV/pH 值。 由于溫度依賴(lài)性，該值可以上升到70 mV/pH。將該電壓與參比電極進(jìn)行比較。如果測(cè)試溶液為酸性（低pH值），則探頭輸出處的電位大于0;對(duì)于基本解決方案，它小于 0。輸出值可以使用以下公式計(jì)算：

其中：

E是探頭的輸出電壓。

E0是標(biāo)準(zhǔn)電極電位（通常為 0 V），取決于探頭。

R 是通用氣體常數(shù)。R = 8.31447 J mol?1K?1.

T 是以開(kāi)爾文為單位的溫度。

n 是轉(zhuǎn)移電子的數(shù)量（或等效數(shù)）。

F 是法拉第常數(shù)。F = 96485.34 C mol?1.

pH值是未知溶液的氫離子濃度。

酸堿度裁判=7，參比電極的參考值。

巡回賽

該電路的三個(gè)主要元件是探頭的緩沖器、ADC和帶電壓傳輸?shù)母綦x器。之所以選擇緩沖運(yùn)算放大器AD8603，是因?yàn)樗哂械凸?、低噪聲和極低的輸入偏置電流。典型值為200 fA的低輸入偏置電流可確保將電流流過(guò)探頭內(nèi)部電阻引起的壓降降至最低。另一個(gè)重要元件是ADC，以AD7793為代表，AD7793是一款24位Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器，集成了電源和可編程放大器。集成電流源產(chǎn)生流經(jīng) Pt1000 的電流。這樣，就可以執(zhí)行處理器中補(bǔ)償所需的溫度測(cè)量。相同的電流也流過(guò)5 kΩ電阻（0.1%容差），從而產(chǎn)生1.05 V的基準(zhǔn)電壓。作為第二種功能，電阻器可提升共模電壓。通過(guò)選擇基準(zhǔn)電壓，ADC的輸入范圍得以充分利用：探頭輸出±414 mV—最大±490 mV。隔離器是隔離器ADuM5411，這是一款隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)提供ADC的SPI接口隔離。

電路特性

為實(shí)現(xiàn)高精度，選擇的典型輸入偏置電流為200 fA的運(yùn)算放大器，在探頭阻抗為1 GΩ時(shí)，最大電壓失調(diào)為0.2 mV。這相當(dāng)于 25°C 時(shí) pH 值為 0.0037 單位的誤差。 即使最大輸入偏置電流為1 pA，最大失調(diào)誤差也非常低，為1 mV。為了不放棄這個(gè)良好的起始位置，建議使用保護(hù)環(huán)、屏蔽和其他不受極低電流影響的技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟季譁y(cè)量。在所選數(shù)據(jù)速率為16.7 Hz、增益為1時(shí)，ADC產(chǎn)生的噪聲約為2 μV rms。如果在峰峰值噪聲為13 μV的情況下進(jìn)行計(jì)算，則pH值的精度為0.00022單位pH。如果將放大器的噪聲和ADC的噪聲加在一起，則會(huì)產(chǎn)生0.00053單位的pH值，因此失調(diào)誤差要大得多。

結(jié)論

此處所示的電路是用于pH傳感器讀數(shù)的簡(jiǎn)單、非常精確且省電的變體。校準(zhǔn)電路后，可實(shí)現(xiàn)0.5%的精度，相當(dāng)于0.005個(gè)pH單位。由于隔離，它適用于多種應(yīng)用。

審核編輯：郭婷