圖1. pH傳感器電路圖(簡(jiǎn)化原理圖： 未顯示所有連接和去耦)

 

該電路支持眾多內(nèi)部電阻超高(范圍從1 MΩ至數(shù)GΩ)的pH傳感器，其數(shù)字信號(hào)和電源隔離設(shè)計(jì)使其免受惡劣工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的噪聲和瞬變電壓的影響。

 

電路描述

 

pH測(cè)量的基本原理

 

pH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對(duì)量的一項(xiàng)指標(biāo)。就摩爾濃度來(lái)說(shuō)，25°C的水含有1 × 10−7摩爾/升氫離子，氫氧化物離子濃度與此相同。中性溶液指氫離子濃度正好等于氫氧化物離子濃度的溶液。pH值是表示氫離子濃度的另一種方式，定義如下：

 

 

因此，如果氫離子濃度為1.0 × 10−2摩爾/升，則pH值為2.00。

 

pH電極是許多工業(yè)所使用的電化學(xué)傳感器，但對(duì)水處理和污水工業(yè)具有特別重要的意義。pH探針由一個(gè)玻璃測(cè)量電極和一個(gè)參考電極構(gòu)成，類似于一塊電池。當(dāng)把探針置于溶液中時(shí)，測(cè)量電極產(chǎn)生一個(gè)電壓，具體取決于溶液中氫的活性，然后將該電壓與參考電極的電位進(jìn)行比較。隨著溶液酸性的增強(qiáng)(pH值變低)，玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陽(yáng)性增強(qiáng)(+mV)；隨著溶液堿性的增強(qiáng)(pH值變高)，玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陰性增強(qiáng)(-mV)。這兩個(gè)電極之差即為測(cè)得電位。在理想情況下，典型的pH探針在25°C下會(huì)產(chǎn)生59.154 mV/pH單位，用能斯脫方程表示為：

 

 

其中：

 

E = 氫電極電壓，活性未知

α = ±30 mV，零點(diǎn)容差

T = 環(huán)境溫度(單位：°C)

n = 1(25 °C)，價(jià)(離子上的電荷數(shù))

F = 96485庫(kù)侖/摩爾，法拉第常數(shù)

R = 8.314 伏特-庫(kù)侖/°K摩爾，阿伏加德羅氏數(shù)

pH = 未知溶液的氫離子濃度

pHISO = 7，參比氫離子濃度

 

方程表明，產(chǎn)生的電壓取決于溶液的酸度和堿度，并以已知方式隨氫離子活性而變化。溶液溫度的變化會(huì)改變其氫離子的活性。當(dāng)溶液被加熱時(shí)，氫離子運(yùn)動(dòng)速度加快，結(jié)果導(dǎo)致兩個(gè)電極間電位差的增加。另外，當(dāng)溶液冷卻時(shí)，氫活性降低，導(dǎo)致電位差下降。根據(jù)設(shè)計(jì)，在理想情況下，當(dāng)置于pH值為7的緩沖溶液中時(shí)，電極會(huì)產(chǎn)生零伏特電位。

 

關(guān)于pH理論的一本不錯(cuò)的參考書是《pH理論與實(shí)踐》(出版社：Radiometer Analytical SAS；出版地點(diǎn)：VilleurbanneCedex，法國(guó))。

 

電路細(xì)節(jié)

 

該設(shè)計(jì)為帶溫度補(bǔ)償?shù)膒H傳感器提供了一種整體解決方案。有三個(gè)重要的電路級(jí)：pH探針緩沖器、ADC和數(shù)字及電源隔離器，如圖1所示。

 

AD8603，是一款精密微功耗(最大值50 μA)及低噪聲(22 nV/√Hz)CMOS運(yùn)算放大器，配置為連接AD7793通道之一輸入的緩沖器。AD8603的典型輸入偏置電流為200 fA，為高內(nèi)部電阻pH探針提供了一種有效的解決方案。

 

pH檢測(cè)和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)基于AD7793，24位(Σ-Δ)ADC。它有三個(gè)差分模擬輸入和一個(gè)片內(nèi)低噪聲、可編程增益放大器(PGA)，其范圍為單位增益至128。AD7793的最大功耗僅為500 μA，適用于任何低功耗應(yīng)用。有一個(gè)低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且也可采用一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓。輸出數(shù)據(jù)速率可通過(guò)軟件編程設(shè)置，可在4.17 Hz至470 Hz的范圍內(nèi)變化。

 

ADuM5401(四通道數(shù)字隔離器，集成DC-DC轉(zhuǎn)換器)提供微控制器與AD7793數(shù)字線路之間的數(shù)字信號(hào)和電源隔離功能。利用iCoupler芯片級(jí)變壓器技術(shù)，能夠隔離邏輯信號(hào)和DC/DC轉(zhuǎn)換器中的電源反饋路徑。

 

pH傳感器接口緩沖器

 

典型的pH探針電極由玻璃制成，可形成極高的電阻，范圍從1 MΩ到1 GΩ不等，充當(dāng)與pH電壓源串聯(lián)的電阻，如圖2所示。

 

圖2. 連接ADC的pH傳感器和緩沖器接口(簡(jiǎn)化原理圖： 未顯示所有連接、RTD和去耦。)

 

流過(guò)該串聯(lián)電阻的緩沖放大器偏置電流會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)失調(diào)誤差。為使電路與該高源電阻隔離開來(lái)，在這種應(yīng)用中，需要一個(gè)高輸入阻抗、超低輸入偏置電流的緩沖放大器。AD8603用作該應(yīng)用的緩沖放大器，如圖2所示。AD8603的低輸入電流可以最大限度地減少流過(guò)電極電阻的偏置電流所產(chǎn)生的電壓誤差。

 

就25°C下串聯(lián)電阻為1 GΩ的pH探針來(lái)說(shuō)，對(duì)于200 fA典型輸入偏置電流，失調(diào)誤差為0.2 mV (0.0037 pH)。即使在1 pA的最大輸入偏置電流下，誤差也只有1 mV。

 

10 kΩ/1 µF低通噪聲濾波器針對(duì)緩沖放大器輸出的截止頻率為f= 1/2πRC，即16 Hz。

 

必須利用防護(hù)、屏蔽、高絕緣電阻支柱以及其他此類標(biāo)準(zhǔn)皮安方法，以最大限度地減少AD8603緩沖器高阻抗輸入端的泄漏。

 

ADC通道1配置，pH傳感器

 

該級(jí)涉及測(cè)量pH電極產(chǎn)生的小電壓。表1展示了一個(gè)典型pH探針的技術(shù)規(guī)格?；谀芩姑摲匠?，來(lái)自探針的滿量程電壓范圍為±414 mV (±59.14 mV/pH) (25°C)至±490 mV (±70mV/pH)(80°C)。

 

表1. 典型pH探針的技術(shù)規(guī)格

 

在讀取pH探針輸出電壓時(shí)，ADC采用外部1.05 V基準(zhǔn)電壓源，增益配置為1。滿量程輸入范圍為±VREF/G = ±1.05 V，來(lái)自pH探針的最大信號(hào)為±490 mV (80°C)。

 

由于傳感器的輸出是雙極性的，并且AD7793采用單電源供電，因此，pH探針產(chǎn)生的信號(hào)應(yīng)偏置到地以上，以使其處于ADC的可接受共模范圍之內(nèi)。該偏置電壓產(chǎn)生的方式是，將210 µA IOUT2電流注入5 kΩ 0.1%電阻，如圖2所示。結(jié)果產(chǎn)生1.05 V共模偏置電壓，這同時(shí)充當(dāng)ADC基準(zhǔn)電壓。

 

ADC通道2配置，RTD

 

ADC的第二通道監(jiān)控在RTD上產(chǎn)生的電壓，該RTD由AD7793的IOUT2電流輸出引腳驅(qū)動(dòng)。210 μA激勵(lì)電流驅(qū)動(dòng)由RTD和精密電阻(5 kΩ, 0.1%)構(gòu)成的串聯(lián)組合。(參見(jiàn)圖1)。

 

純鉑的溫度系數(shù)為0.003926 Ω/Ω/°C。根據(jù)DIN Std. 43760-1980和IEC 751-1983標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)RTD的正常系數(shù)為0.00385 Ω/Ω/°C。RTD的精度通常以0°C為基準(zhǔn)。DIN 43760標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可兩個(gè)類，如表2所示，ASTM E–1137標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可兩個(gè)級(jí)，如表3所示。

 

表2. DIN-43760的標(biāo)準(zhǔn)RTD精度

 

表3. ASTM E-1137的標(biāo)準(zhǔn)RTD精度

 

RTD電阻值的計(jì)算公式為：

 

 RTD電阻 = RTD0

 

 (1 + T α)

 

其中：

 

RTD電阻 = T下的電阻值

RTD0= 0°C下的電阻值

T = 環(huán)境溫度

α = 0.00385 Ω/Ω/°C，DIN Std 43760-1980和IEC 751-1983定義的溫度系數(shù)

 

RTD電阻在0°C (1000 Ω)至100°C (1385 Ω)范圍內(nèi)變化，產(chǎn)生的電壓信號(hào)范圍為210 mV至290 mV，激勵(lì)電流為210 µA。

 

精密5 kΩ電阻產(chǎn)生作為外部基準(zhǔn)電壓源的1.05 V電壓。當(dāng)增益為1時(shí)，模擬輸入范圍為±1.05 V (±VREF/G)。該架構(gòu)形成一種比率式配置。 激勵(lì)電流值的變化不會(huì)影響系統(tǒng)精度。

 

盡管100 Ω Pt RTD十分常見(jiàn)，也可指定其他電阻(200 Ω、500 Ω、1000 Ω等)和材料(鎳、銅、鎳鐵)。本應(yīng)用使用一個(gè)1 kΩ DIN 43760 A類RTD，用于實(shí)現(xiàn)pH傳感器的溫度補(bǔ)償功能。 1000 Ω RTD對(duì)線路電阻誤差不如100 Ω RTD敏感度。

 

采用一條2線連接，如圖3所示。在RTD引腳上施加恒定電流，同時(shí)測(cè)量通過(guò)RTD本身的電壓。測(cè)量器件是AD7793，該器件表現(xiàn)出高輸入電阻和低輸入偏置電流。該方案的誤差源是引腳電阻、AD7793所產(chǎn)生恒定電流源的穩(wěn)定性以及輸入放大器中的輸入阻抗和/或偏置電流及相應(yīng)的漂移。

 

圖3. 2線鉑RTD連接(簡(jiǎn)化原理圖：未顯示所有連接和去耦)

 

消除線路電阻誤差的另一種可能性是3線RTD配置，詳見(jiàn)電流筆記CN-0287。

 

輸出編碼

 

任一通道上輸入電壓的輸出代碼為：

 

 

其中：

 

AIN為模擬輸入電壓。

GAIN為儀表放大器設(shè)置。

N = 24

 

EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)板和PC處理AD7793輸出的數(shù)據(jù)。

 

數(shù)字和電源隔離

 

ADuM5401隔離ADC數(shù)字信號(hào)，同時(shí)為電路提供經(jīng)隔離穩(wěn)壓的3.3 V電源。ADuM5401 (VDD1)的輸入應(yīng)在3.0 V和3.6 V之間。要注意ADuM5401的布局，以盡量減少EMI/RFI問(wèn)題。有關(guān)更多詳情，請(qǐng)參考AN-1109應(yīng)用筆記：iCoupler器件的輻射控制建議。

 

系統(tǒng)校準(zhǔn)

 

AD7793的AIN3(+)輸入用于測(cè)量精密5 kΩ 0.1%電阻上的電壓降。為了精確測(cè)量RTD電阻，必須考慮IOUT2電流的±5%變化范圍。在此基礎(chǔ)上，將該電壓除以5 kΩ，從而求得IOUT2確切電流值。RTD電阻則通過(guò)用RTD中的電壓除以IOUT2確切電流值來(lái)計(jì)算。

 

利用如圖4所示兩點(diǎn)校準(zhǔn)程序來(lái)校準(zhǔn)EVAL-CN0326-PMDZ評(píng)估軟件中的pH計(jì)。

 

圖4. 評(píng)估軟件校準(zhǔn)設(shè)置窗口

 

用戶需要至少使用兩種緩沖溶液，其中，用一種值為pH-7的中性pH緩沖溶液來(lái)消除pH探針和系統(tǒng)導(dǎo)致的失調(diào)。中性緩沖溶液可以用來(lái)設(shè)置第一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。第一種緩沖溶液的pH值取決于需要測(cè)量的溶液的pH值。在測(cè)量堿性基液時(shí)，可以使用pH-10緩沖溶液；在測(cè)量酸性溶液時(shí)，可使用pH-4緩沖溶液。為了提高測(cè)量的精度，可以實(shí)施三點(diǎn)校準(zhǔn)。其方法是在第2步和第3步使用兩組不同的緩沖溶液，如圖4所示，其中，pH-7溶液用來(lái)消除失調(diào)。

 

軟件包括NIST推薦的緩沖溶液清單。清單中描述的每種緩沖溶液都有自己的溫度系數(shù)，范圍在0°C至95°C之間，可以在Radiometer Analytical出版的《pH理論與實(shí)踐》一書中找到。軟件利用該表將來(lái)自pH探針的mV輸入關(guān)聯(lián)至與讀取自RTD傳感器的溫度讀數(shù)相對(duì)應(yīng)的正確pH值，并利用線性插值法來(lái)填充表中空白。用戶可以選擇通過(guò)單擊如圖4

所示綠色按鈕，使能/禁用連續(xù)溫度補(bǔ)償選項(xiàng)。

 

用于pH傳感器校準(zhǔn)的緩沖溶液在市場(chǎng)中很常見(jiàn)。也可使用NIST認(rèn)證的其他pH參比溶液來(lái)校準(zhǔn)。由于市場(chǎng)上有多種緩沖溶液可供選擇，因此，軟件同時(shí)為用戶提供了一個(gè)選項(xiàng)，可以使用所需要的NIST認(rèn)證pH參比溶液進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖4所示。

 

軟件同時(shí)還為用戶提供了一個(gè)使用其他RTD電阻值的選項(xiàng)，但其默認(rèn)值設(shè)為1000 Ω。

 

系統(tǒng)噪聲考慮因素

 

如果輸出數(shù)據(jù)速率為16.7 Hz且增益為1，則AD7793的rms噪聲等于1.96 μV(噪聲折合到輸入端，來(lái)自AD7793數(shù)據(jù)手冊(cè))。峰峰值噪聲等于：

 

 6.6 × RMS 噪聲 = 6.6 × 1.96 µV = 12.936 µV

 

如果pH計(jì)的靈敏度為59 mV/pH，則pH計(jì)能測(cè)量的無(wú)噪聲分辨度pH水平為

 

12.936 μV / (59 mV/pH) = 0.000219 pH

 

其中只包括AD7793的噪聲貢獻(xiàn)。實(shí)際系統(tǒng)結(jié)果見(jiàn)下一節(jié)。

 

測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果

 

全部數(shù)據(jù)捕獲操作都通過(guò)CN0326 LabVIEW評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)。用一個(gè)Yokogawa GS200精密電壓源來(lái)模擬pH傳感器的輸入。通過(guò)以1 mV增量在−420 mV至+420 mV范圍內(nèi)掃描精密電壓，EVAL-CN0326-PMDZ能根據(jù)用戶自定義的校準(zhǔn)選項(xiàng)捕獲數(shù)據(jù)。

 

AD8603緩沖器和AD7793在實(shí)際系統(tǒng)中的峰峰值噪聲的確定方法是，短接pH探針BNC連接器，并采集1000個(gè)采樣。如圖5中所直方圖所示，代碼分布約為500個(gè)代碼，相當(dāng)于峰峰值噪聲為31.3 µV，等效pH讀數(shù)分布為0.00053 pH峰峰值。

 

圖5. 輸出代碼分布直方圖(AD7793輸入引腳短接在一起)

 

測(cè)試系統(tǒng)時(shí)將三個(gè)不同電阻與ADC輸入串聯(lián)，以仿真高阻抗玻璃電極的不同阻抗。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，結(jié)果得到60 mV/pH。據(jù)圖6，線性誤差隨仿真玻璃電極阻抗的增加而增加。圖6同時(shí)顯示，在整個(gè)仿真pH輸出電壓范圍內(nèi)，對(duì)于200 MΩ的pH探針阻抗，線性誤差小于0.5%。

 

圖6. pH傳感器仿真輸出電壓(及關(guān)聯(lián)線性誤差圖)與ADC輸出pH讀數(shù)的關(guān)系(所示探針電阻為1 MΩ、100 MΩ和200 MΩ)

 

測(cè)試數(shù)據(jù)以圖7所示評(píng)估板采集。針對(duì)該系統(tǒng)的完整文檔可以在CN-0326設(shè)計(jì)支持包中找到。

 

圖 7. EVAL-CN0326-PMDZ板的照片

 

常見(jiàn)變化

 

其他合適的ADC有AD7792和AD7785，這兩款器件具有與AD7793相同的特性組合， 但AD7792為16位ADC，AD7785為20位ADC。

 

AD8607緩沖放大器采用8引腳MSOP封裝。這是一款雙通道微功耗軌到軌輸入/輸出放大器，與AD8603屬于同一系列。ADuM5401的其他系列包括多種通道配置，如ADuM5402/ADuM5403 /ADuM5404，同時(shí)提供4個(gè)獨(dú)立隔離通道。

 

電路評(píng)估與測(cè)試

 

本電路采用EVAL-CN0326-PMDZ電路板、EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板和SDP-PMD-IB1Z(一款針對(duì)EVAL-SDP-CB1Z的PMOD轉(zhuǎn)接板)。SDP和SDP-PMD-IB1Z板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。為了使用SDP-PMD-IB1Z和SDP評(píng)估EVALCN0326-PMDZ板，通過(guò)一個(gè)間距為100密爾、面積為25平方密爾的標(biāo)準(zhǔn)直角引腳-接頭連接器把EVAL-CN0326-PMDZ連接至SDP-PMD-IB1Z。

 

設(shè)備要求

 

需要以下設(shè)備：

 

 • 帶USB端口的Windows® XP、Windows® Vista(32位)或Windows® 7(32位)PC

 • EVAL-CN0326-PMDZ電路評(píng)估板

 • EVAL-SDP-CB1Z電路評(píng)估板

 • SDP-PMD-IB1Z SDP轉(zhuǎn)接板

 • CN-0326評(píng)估軟件

 • 電源： 6 V壁式或同等電源適配器

 • Yokogawa 2000精密直流電源或等效電源

 

開始使用

 

將CN-0326評(píng)估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說(shuō)明安裝和使用評(píng)估軟件。

 

設(shè)置

 

CN0326評(píng)估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows® XP (SP2)和Vista(32位和64位)。如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，您可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。請(qǐng)先安裝評(píng)估軟件，再將評(píng)估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評(píng)估系統(tǒng)。

 

1. 光盤文件安裝完畢后，按照“電源配置”部分所述為SDP-PMD-IB1Z評(píng)估板接通電源。把SDP板(通過(guò)連接器A)接至SDP-PMD-IB1Z評(píng)估板，然后用隨附電纜將其接至用于評(píng)估的PC的USB端口。

 

2. 將EVAL-CN0326-PMDZ的12引腳直角公引腳接頭連接至SDP-PMD-IB1Z的12引腳直角母引腳接頭。

 

3. 在運(yùn)行圖9所示程序之前，將pH探針的BNC端子和RTD傳感器連接至EVAL-CN0326-PMDZ的端子插孔中。

 

4. 在接好并打開所有外設(shè)和電源之后，在圖9所示圖形用戶界面上單擊Connect(連接)。當(dāng)PC成功檢測(cè)到評(píng)估系統(tǒng)時(shí)，即可使用圖9所示軟件對(duì)EVAL-CN0326-PMDZ電路板進(jìn)行評(píng)估。

 

功能框圖

 

測(cè)試設(shè)置的功能框圖如圖8所示。該測(cè)試設(shè)置應(yīng)按圖中所示方式連接。主軟件窗口的屏幕截圖如圖9所示。

 

圖8. pH傳感器測(cè)試設(shè)置功能框圖

 

圖9. 評(píng)估軟件主窗口

 

電源配置

 

SDP-PMD-IB1Z必須采用6 V直流電源，其跳線JP1應(yīng)設(shè)為3.3 V，用于驅(qū)動(dòng)EVAL-CN0326-PMDZ。

 

測(cè)試

 

用Agilent E3631A和Yokogawa GS200精密電壓來(lái)仿真?zhèn)鞲衅鬏敵?。Yokogawa的負(fù)端子連接至pH傳感器所用ADC的負(fù)端子。正端子與電阻串聯(lián)，接至ADC的正端子，如圖8所示。Yokogawa產(chǎn)生±420 mV電壓，然后仿真pH傳感器輸出，隨后改變串聯(lián)電阻值，以仿真pH探針的玻璃電極的阻抗，如圖8所示。

 

用CN-0326評(píng)估軟件來(lái)捕獲來(lái)自EVAL-CN0326-PMDZ電路板的數(shù)據(jù)，所用設(shè)置如圖8所示。有關(guān)軟件使用方法的詳細(xì)信息可在CN-0326軟件用戶指南中找到。

 

 

推薦閱讀：