帶有溫度補(bǔ)償功能的隔離式pH監(jiān)測(cè)儀

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(wú)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 mol−1 K−1。

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(guò)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(guò)這種方式及通過(guò)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(kāi)始，建議通過(guò)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。