了解液體的pH值在許多行業中都是必不可少的。幾乎每個處理液體的行業都需要pH測量系統。顯然，它對廢水系統和廢水廠很重要，但是您知道啤酒廠的水在到達污水處理系統之前需要具有特殊的pH值嗎？此設計技巧旨在幫助為水處理系統添加高精度隔離。

本文討論如何在系統中增加高精度隔離。這對于監測遠離系統的水pH值、監測不同的地面水平或在發生錯誤時保護系統免受高壓影響至關重要。

pH值是水溶液酸度或堿度的量度。它是一個無單位數，根據以下等式定義為氫離子活性的負公對數：

純水的pH值定義為7，而酸的值小于7，堿的值高于7。根據pH值改變顏色的所謂指示劑通常用于測量pH值。但是，此測量僅提供粗略估計。圖1所示電路用于評估組合玻璃電極。它在 0 至 14 的 pH 范圍內具有 0.5% 的準確度，并具有溫度補償功能。該電路支持大范圍的pH傳感器，這些傳感器可以具有從1 MΩ到幾GΩ的高阻抗值。

圖1.帶組合電極的pH傳感器電路（簡化）。

pH 電極

pH探頭由測量電極和參比電極組成，與電池相當。如果將探頭浸入測試溶液中，則測量電極會根據氫離子活性產生電壓。25°C 時的典型輸出值為 59.14 mV/pH 值。 由于溫度依賴性，該值可以上升到70 mV/pH。將該電壓與參比電極進行比較。如果測試溶液為酸性（低pH值），則探頭輸出處的電位大于0;對于基本解決方案，它小于 0。輸出值可以使用以下公式計算：

其中：

E是探頭的輸出電壓。

E0是標準電極電位（通常為 0 V），取決于探頭。

R 是通用氣體常數。R = 8.31447 J mol?1K?1.

T 是以開爾文為單位的溫度。

n 是轉移電子的數量（或等效數）。

F 是法拉第常數。F = 96485.34 C mol?1.

pH值是未知溶液的氫離子濃度。

酸堿度裁判=7，參比電極的參考值。

巡回賽

該電路的三個主要元件是探頭的緩沖器、ADC和帶電壓傳輸的隔離器。之所以選擇緩沖運算放大器AD8603，是因為它具有低功耗、低噪聲和極低的輸入偏置電流。典型值為200 fA的低輸入偏置電流可確保將電流流過探頭內部電阻引起的壓降降至最低。另一個重要元件是ADC，以AD7793為代表，AD7793是一款24位Σ-Δ型轉換器，集成了電源和可編程放大器。集成電流源產生流經 Pt1000 的電流。這樣，就可以執行處理器中補償所需的溫度測量。相同的電流也流過5 kΩ電阻（0.1%容差），從而產生1.05 V的基準電壓。作為第二種功能，電阻器可提升共模電壓。通過選擇基準電壓，ADC的輸入范圍得以充分利用：探頭輸出±414 mV—最大±490 mV。隔離器是隔離器ADuM5411，這是一款隔離式DC-DC轉換器，可同時提供ADC的SPI接口隔離。

電路特性

為實現高精度，選擇的典型輸入偏置電流為200 fA的運算放大器，在探頭阻抗為1 GΩ時，最大電壓失調為0.2 mV。這相當于 25°C 時 pH 值為 0.0037 單位的誤差。 即使最大輸入偏置電流為1 pA，最大失調誤差也非常低，為1 mV。為了不放棄這個良好的起始位置，建議使用保護環、屏蔽和其他不受極低電流影響的技術進行適當的布局測量。在所選數據速率為16.7 Hz、增益為1時，ADC產生的噪聲約為2 μV rms。如果在峰峰值噪聲為13 μV的情況下進行計算，則pH值的精度為0.00022單位pH。如果將放大器的噪聲和ADC的噪聲加在一起，則會產生0.00053單位的pH值，因此失調誤差要大得多。

結論

此處所示的電路是用于pH傳感器讀數的簡單、非常精確且省電的變體。校準電路后，可實現0.5%的精度，相當于0.005個pH單位。由于隔離，它適用于多種應用。

審核編輯：郭婷