帶有溫度補償功能的隔離式pH監測儀

簡介

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201912/408310.htm

液體的pH值在很多行業都至關重要。幾乎所有處理液體的行業都需要pH測量系統。顯然，這對於廢水系統和廢水廠來說很重要，但是您知道啤酒廠的水在到達汙水系統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添加高精度隔離。

本文討論向系統添加高精度隔離。這對於監測遠離系統的水pH值、監測不同的接地電平或在發生錯誤時保護系統不受高壓影響至關重要。

pH值衡量水溶液的酸鹼度。它是一個無單位數字，並根據下式定義為氫離子活性的負常用對數：

(1)

純水的pH值定義為7，而酸的pH值小於7，鹼的pH值大於7。根據pH值改變顏色的所謂的指示器通常用於測量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於評估複合玻璃電極。0至14的pH值範圍具有0.5%的精度，並且進行了溫度補償。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. 具有複合電極的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，類似於一塊電池。如果將探針浸入測試溶液，則測量電極根據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。由於與溫度具有相關性，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於0；如果是鹼性溶液，則小於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），具體取決於探針。R為普適氣體常數。R = 8.31447 J mol−1 K−1。

T表示溫度(K)。

n為轉移電子數（或等效數）。F為法拉第常數。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衝器、ADC和具有電壓傳輸功能的隔離器。選擇緩衝運算放大器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於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。藉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的輸入範圍得到充分利用：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。這相當於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、屏蔽及其他不受低電流影響的技術進行合適的布局測量。在選定數據速率為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傳感器讀數的簡單、精密和省電轉換電路。電路經過校準後，可以實現0.5%的精度，相當於0.005個單位的pH值。由於採用了隔離，它適合多種應用。

作者簡介

Thomas Tzscheetzsch於2010年加入ADI公司，擔任高級現場應用工程師。2010年至2012年，他負責支持德國中部地區的客戶群，自2012年以來，他任職於關鍵客戶團隊，為關鍵客戶提供支持服務。2017年重組後，他負責中歐國家IHC市場的FAE團隊，擔任FAE經理。

在職業生涯的最初階段，他於1992年至1998年在一家機械製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後，他任職於Max Planck研究院從事太陽能系統研究工作，擔任硬體設計工程師。2004年至2010年，他任職於ADI公司產品經銷商的現場應用工程師。