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(cè)量系統(tǒng)。顯然,，這對(duì)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(dá)污水系統(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(duì)于監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)離系統(tǒng)的水pH值、監(jiān)測(cè)不同的接地電平或在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)保護(hù)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(gè)無單位數(shù)字，并根據(jù)下式定義為氫離子活性的負(fù)常用對(duì)數(shù)：
pH = –log10 a(H+)(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(cè)量pH值,。但是,，此測(cè)量值只是粗略估計(jì)值。圖1中所示的電路旨在用于評(píng)估復(fù)合玻璃電極,。0至14的pH值范圍具有0.5%的精度,，并且進(jìn)行了溫度補(bǔ)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(fù)合電極的pH傳感器電路（簡(jiǎn)化）,。
pH電極
pH探針由一個(gè)測(cè)量電極和一個(gè)參考電極構(gòu)成，類似于一塊電池,。如果將探針浸入測(cè)試溶液,，則測(cè)量電極根據(jù)氫離子活性產(chǎn)生電壓。25°C時(shí),，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(jìn)行比較,。如果測(cè)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(jì)算：
(2)
其中：
E為探針的輸出電壓,。
E0為標(biāo)準(zhǔn)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 mol1 K1,。
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(zhǔn)值。
電路
電路的三個(gè)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(yùn)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(gè)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(jìn)行在處理器中進(jìn)行補(bǔ)償所需的溫度測(cè)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(zhǔn)電壓。作為第二個(gè)功能，電阻提升了共模電壓,。通過這種方式及通過選擇基準(zhǔn)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(shí)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(shí)現(xiàn)高精度,，選擇了典型輸入偏置電流為200 fA的運(yùn)算放大器,，這樣，在探針阻抗為1 GΩ時(shí),，最大失調(diào)電壓達(dá)0.2 mV,。這相當(dāng)于25°C時(shí)pH值的誤差為0.0037個(gè)單位。即使最大輸入偏置電流為1 pA,，在1 mV時(shí),，最大偏置誤差也很小。為了不放棄這個(gè)好的開始,，建議通過使用保護(hù)環(huán),、屏蔽及其他不受低電流影響的技術(shù)進(jìn)行合適的布局測(cè)量。在選定數(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。如果使用13 μV峰峰值噪聲進(jìn)行計(jì)算,，則pH值的精度為0.00022個(gè)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(gè)單位的pH值,，因此,，偏置誤差更大?！?/p>
結(jié)論
此處所示的電路是pH傳感器讀數(shù)的簡(jiǎn)單、精密和省電轉(zhuǎn)換電路,。電路經(jīng)過校準(zhǔn)后,，可以實(shí)現(xiàn)0.5%的精度，相當(dāng)于0.005個(gè)單位的pH值,。由于采用了隔離,，它適合多種應(yīng)用。
作者簡(jiǎn)介
Thomas Tzscheetzsch于2010年加入ADI公司,，擔(dān)任高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師,。2010年至2012年，他負(fù)責(zé)支持德國(guó)中部地區(qū)的客戶群，自2012年以來,，他任職于關(guān)鍵客戶團(tuán)隊(duì),，為關(guān)鍵客戶提供支持服務(wù)。2017年重組后,，他負(fù)責(zé)中歐國(guó)家IHC市場(chǎng)的FAE團(tuán)隊(duì),，擔(dān)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(jī)械制造公司任電子工程師,，擔(dān)任部門負(fù)責(zé)人。在哥廷根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)完成電氣工程學(xué)習(xí)后,，他任職于Max Planck研究院從事太陽能系統(tǒng)研究工作,，擔(dān)任硬件設(shè)計(jì)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(chǎng)應(yīng)用工程師,。