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部電阻而產生的壓降被最小化。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轉換器。集成電流源產生流經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5 kΩ電阻（0.1%容差），由此產生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，將產生0.00053個單位的pH值，因此，偏置誤差更大。

結論

此處所示的電路是pH傳感器讀數(shù)的簡單、精密和省電轉換電路。電路經過校準后，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，它適合多種應用。

作者簡介

Thomas Tzscheetzsch于2010年加入ADI公司，擔任高級現(xiàn)場應用工程師。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，他任職于關鍵客戶團隊，為關鍵客戶提供支持服務。2017年重組后，他負責中歐國家IHC市場的FAE團隊，擔任FAE經理。

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，擔任硬件設計工程師。2004年至2010年，他任職于ADI公司產品經銷商的現(xiàn)場應用工程師。