带温度补偿的隔离式pH监测仪

了解液体的pH值在许多行业中都是必不可少的。几乎每个处理液体的行业都需要pH测量系统。显然，它对废水系统和废水厂很重要，但是您知道啤酒厂的水在到达污水处理系统之前需要具有特殊的pH值吗？此设计技巧旨在帮助为水处理系统添加高精度隔离。

本文讨论如何在系统中增加高精度隔离。这对于监测远离系统的水pH值、监测不同的地面水平或在发生错误时保护系统免受高压影响至关重要。

pH值是水溶液酸度或碱度的量度。它是一个无单位数，根据以下等式定义为氢离子活性的负公对数：

纯水的pH值定义为7，而酸的值小于7，碱的值高于7。根据pH值改变颜色的所谓指示剂通常用于测量pH值。但是，此测量仅提供粗略估计。图1所示电路用于评估组合玻璃电极。它在 0 至 14 的 pH 范围内具有 0.5% 的准确度，并具有温度补偿功能。该电路支持大范围的pH传感器，这些传感器可以具有从1 MΩ到几GΩ的高阻抗值。

图1.带组合电极的pH传感器电路（简化）。

pH 电极

pH探头由测量电极和参比电极组成，与电池相当。如果将探头浸入测试溶液中，则测量电极会根据氢离子活性产生电压。25°C 时的典型输出值为 59.14 mV/pH 值。 由于温度依赖性，该值可以上升到70 mV/pH。将该电压与参比电极进行比较。如果测试溶液为酸性（低pH值），则探头输出处的电位大于0;对于基本解决方案，它小于 0。输出值可以使用以下公式计算：

　　其中：

　　E是探头的输出电压。

　　E0是标准电极电位（通常为 0 V），取决于探头。

　　R 是通用气体常数。R = 8.31447 J mol−1K−1.

　　T 是以开尔文为单位的温度。

　　n 是转移电子的数量（或等效数）。

　　F 是法拉第常数。F = 96485.34 C mol−1.

　　pH值是未知溶液的氢离子浓度。

　　酸碱度裁判=7，参比电极的参考值。

巡回赛

该电路的三个主要元件是探头的缓冲器、ADC和带电压传输的隔离器。之所以选择缓冲运算放大器AD8603，是因为它具有低功耗、低噪声和极低的输入偏置电流。典型值为200 fA的低输入偏置电流可确保将电流流过探头内部电阻引起的压降降至最低。另一个重要元件是ADC，以AD7793为代表，AD7793是一款24位Σ-Δ型转换器，集成了电源和可编程放大器。集成电流源产生流经 Pt1000 的电流。这样，就可以执行处理器中补偿所需的温度测量。相同的电流也流过5 kΩ电阻（0.1%容差），从而产生1.05 V的基准电压。作为第二种功能，电阻器可提升共模电压。通过选择基准电压，ADC的输入范围得以充分利用：探头输出±414 mV—最大±490 mV。隔离器是隔离器ADuM5411，这是一款隔离式DC-DC转换器，可同时提供ADC的SPI接口隔离。

电路特性

为实现高精度，选择的典型输入偏置电流为200 fA的运算放大器，在探头阻抗为1 GΩ时，最大电压失调为0.2 mV。这相当于 25°C 时 pH 值为 0.0037 单位的误差。 即使最大输入偏置电流为1 pA，最大失调误差也非常低，为1 mV。为了不放弃这个良好的起始位置，建议使用保护环、屏蔽和其他不受极低电流影响的技术进行适当的布局测量。在所选数据速率为16.7 Hz、增益为1时，ADC产生的噪声约为2 μV rms。如果在峰峰值噪声为13 μV的情况下进行计算，则pH值的精度为0.00022单位pH。如果将放大器的噪声和ADC的噪声加在一起，则会产生0.00053单位的pH值，因此失调误差要大得多。

结论

此处所示的电路是用于pH传感器读数的简单、非常精确且省电的变体。校准电路后，可实现0.5%的精度，相当于0.005个pH单位。由于隔离，它适用于多种应用。

审核编辑：郭婷