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一种利用射频收发器模块设计的pH无线传感器监控资料下载
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2021-04-09
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如果系统精度、效率和可靠性至关重要，那么设计传感器节点无线数据传输以用于远程监控就会是一个相当大的挑战。
而溶液的pH值是许多行业需要考虑的一种测量，今天我们分享的参考设计的目的是评估pH玻璃探针的特性，从而解决硬件和软件设计的不同挑战，并提出一种利用射频收发器模块从探针无线传输数据的解决方案。
第一部分：pH探针
pH值定义
水溶液可分为酸性、碱性和中性三类。在化学中，酸碱度通过一种数值尺度来衡量，称为pH值。依据嘉士伯基金会的定义，pH值代表氢离子浓度。此尺度是一个对数尺度，范围为1到14。pH值的数学表达式为：
pH = –log(H )
因此，如果氢离子浓度为1.0 × 10–2摩尔/升，则
pH = –log(1.0 × 10–2) = 2
蒸馏水等水溶液的pH值为7，这是一个中性值。pH值小于7的溶液为酸性溶液，大于7的溶液为碱性溶液。对数尺度反映了一种溶液相对于另一种溶液的酸性程度。
例如，pH值为5的溶液，其酸度是pH值为6的溶液的10倍，是pH值为8的溶液的1000倍。
pH指示器
有很多办法可测量水溶液的pH值，包括通过石蕊试纸指示器或使用玻璃探针。
石蕊试纸
石蕊试纸指示器通常由从地衣提取的染液制成，可用来指示pH水平。一旦与溶液接触，试纸就会发生化学反应，导致其颜色改变，由此指示pH水平。这一类大体上包括两种方法：
将已知pH值对应的标准颜色与利用缓冲溶液浸入测试液体的指示器颜色进行比对；
将pH试纸先浸没在指示器中，然后浸入测试液体中，将其颜色与标准颜色进行比对。虽然上述两种方法很容易实现，但是温度和测试溶液中的杂质很容易引起误差。
pH玻璃探针
最常用的pH指示器是pH探针。它由一个玻璃测量电极和一个参比电极构成。典型玻璃探针由玻璃薄膜及其中封入的盐酸(HCl) 溶液组成。外壳内部有一根镀AgCl的银线，其充当参比电极并与 HCL溶液接触。玻璃膜外部的氢离子扩散通过玻璃膜，置换相应数量的钠离子(Na )，多数玻璃中一般都存在钠离子。这种正离子很敏锐，大部分限定在玻璃表面上浓度较低的一侧薄膜上。Na 的多余电荷在传感器输出端产生一个电压。
探针类似于一块电池。当把探针置于溶液中时，测量电极产生一个电压，其大小取决于溶液中氢的活性，然后将该电压与参比电极的电位进行比较。随着溶液酸性的增强（pH值变低），玻璃电极电位相对于参比电极阳性增强( mV)；随着溶液碱性的增强（pH值变高），玻璃电极电位相对于参比电极阴性增强(-mV)。这两个电极之差即为测得电位。在理想情况下，典型的pH探针在 25°C下会产生59.154 mV/pH单位，通常用能斯脱方程表示如下：
其中：
E = 氢电极电压，活性未知
a = ±30 mV，零点容差
T = 环境温度(25°C) n = 1（25°C），价（离子上的电荷数）
F = 96485库仑/摩尔，法拉第常数
R = 8.314 伏特-库仑/°K摩尔，阿伏加德罗氏数
pH = 未知溶液的氢离子浓度
pHISO = 7，参比氢离子浓度
方程表明，产生的电压取决于溶液的酸度和碱度，并以已知方式随氢离子活性而变化。溶液温度的变化会改变其氢离子的活性。当溶液被加热时，氢离子运动速度加快，结果导致两个电极间电位差的增加。另外，当溶液冷却时，氢活性降低，导致电位差下降。根据设计，在理想情况下，当置于pH值为7的缓冲溶液中时，电极会产生零伏特电位。典型pH探针的规格如下表所示。
表1. pH玻璃探针的典型规格
pH探针在本研究中起着重要作用，因为数据可靠性取决于传感器的精度和可靠性。选择pH探针时，有两个重要因素需要考虑：
--缓冲溶液温度改变之后的稳定时间
--pH值改变之后的稳定时间
作为例子，下面的数据摘自Jenway的应用笔记“Jenway高性能pH电极评估”，显示了探针在给定测试条件下发生温度变化后的稳定性能。制备一种溶液，其缓冲液在20°C时的pH值为7，在60°C时的pH值为4。让各电极在以200 rpm转速搅拌的pH 7缓冲液中稳定。然后用去离子水清洗电极，并将其转移到pH 4缓冲液的等分试样中放置4分钟。再次用去离子水清洗电极，然后将其放回到pH 7缓冲液中。评估读数持续10秒保持稳定所需的时间。对每个探针重复测试三次。
表2. 缓冲溶液温度改变之后的稳定时间表3. 缓冲溶液pH值改变之后的稳定时间
在所示给定条件下，Jenway探针的性能与通用pH探针相比，响应时间要快最多50%。使用类似这样的仪表会非常有利，因为其样本吞吐速率很高，分析数据所需的时间会大大缩短。
传感器模拟信号调理电路
为了理解信号调理电路，必须知道传感器探针的等效电路图。如上一节所述，pH探针由玻璃制成，可形成极高的电阻，范围从1MΩ到1 GΩ不等，充当与pH电压源串联的电阻，如图1所示。
图1. pH探针等效电路配置
即使非常小的电路电流流经电路中各器件的高电阻（尤其是测量电极的玻璃膜），这些电阻上也会产生相对较大的压降，严重降低仪表测得的电压。更糟糕的是，测量电极产生的电压差非常小，处于毫伏范围（理想情况下，室温时每pH单位对应59.16 mV）。用于此任务的仪表必须非常灵敏，并且有超高输入电阻。
模数转换
对于此类应用，给定传感器的响应时间时，数据采样速率将是一个问题。假设传感器分辨率为0.001 V rms，ADC满量程电压范围 1 V，则实现9.96位的有效分辨率无需高分辨率ADC。无噪声分辨率单位为位，用下式定义：
无噪声分辨率 = log2 [满量程输入电范围/传感器峰峰值电压输出噪声]
ADC采样速率对低功耗应用可能是一个重要因素，因为ADC的采样速率与功耗直接相关。在传感器的响应时间一定时，典型ADC采样速率可设置为其最低吞吐速率。可采用集成ADC的微控制器以减少器件数量。
第二部分：收发器
传输pH和温度数据需要收发器，控制收发器需要微控制器。收发器和微控制器的选择涉及到一些重要考量。选择收发器必须考虑如下因素：
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