原標題：帶有溫度補償(chang) 功能的隔離式pH監測儀(yi)

液體(ti) 的pH值在很多行業(ye) 都至關(guan) 重要。幾乎所有處理液體(ti) 的行業(ye) 都需要pH測量係統。顯然，這對於(yu) 廢水係統和廢水廠來說很重要，但是您知道啤酒廠的水在到達汙水係統之前需要具有特殊的pH值嗎？此設計技巧旨在幫助向水處理係統添加高精度隔離。

本文討論向係統添加高精度隔離。這對於(yu) 監測遠離係統的水pH值、監測不同的接地電平或在發生錯誤時保護係統不受高壓影響至關(guan) 重要。

pH值衡量水溶液的酸堿度。它是一個(ge) 無單位數字，並根據下式定義(yi) 為(wei) 氫離子活性的負常用對數：

pH = –log₁₀ a(H+) (1)

純水的pH值定義(yi) 為(wei) 7，而酸的pH值小於(yu) 7，堿的pH值大於(yu) 7。根據pH值改變顏色的所謂的指示器通常用於(yu) 測量pH值。但是，此測量值隻是粗略估計值。圖1中所示的電路旨在用於(yu) 評估複合玻璃電極。0至14的pH值範圍具有0.5%的精度，並且進行了溫度補償(chang) 。該電路支持各種pH傳(chuan) 感器，可具有1 MΩ至幾GΩ的高阻抗值。

圖1. 具有複合電極的pH傳(chuan) 感器電路（簡化）。

pH電極

pH探針由一個(ge) 測量電極和一個(ge) 參考電極構成，類似於(yu) 一塊電池。如果將探針浸入測試溶液，則測量電極根據氫離子活性產(chan) 生電壓。25°C時，單位pH值的典型輸出值為(wei) 59.14 mV。由於(yu) 與(yu) 溫度具有相關(guan) 性，此值可增加至70 mV/pH。將此電壓與(yu) 參考電極進行比較。如果測試溶液為(wei) 酸性（低pH值），則探針輸出端的電位大於(yu) 0；如果是堿性溶液，則小於(yu) 0。輸出值可使用下式計算：

        (2)

其中：

E為(wei) 探針的輸出電壓。

E0為(wei) 標準電極電位（通常為(wei) 0 V），具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 探針。R為(wei) 普適氣體(ti) 常數。R = 8.31447 J mol−1 K−1。

T表示溫度(K)。

n為(wei) 轉移電子數（或等效數）。F為(wei) 法拉第常數。F = 96485.34 C mol−1。

pH為(wei) 未知溶液的氫離子濃度。pHREF = 7，參考電極的基準值。

 電路

電路的三個(ge) 主要元件是探針的緩衝(chong) 器、ADC和具有電壓傳(chuan) 輸功能的隔離器。選擇緩衝(chong) 運算放大器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於(yu) 電流流過探頭的內(nei) 部電阻而產(chan) 生的壓降被最小化。另一個(ge) 重要元件是ADC，此處用表示，是具有集成電源和可編程放大器的24位∑-Δ轉換器。集成電流源產(chan) 生流經Pt1000的電流。借此進行在處理器中進行補償(chang) 所需的溫度測量。此電流還流經5 kΩ電阻（0.1%容差），由此產(chan) 生1.05 V基準電壓。作為(wei) 第二個(ge) 功能，電阻提升了共模電壓。通過這種方式及通過選擇基準電壓，ADC的輸入範圍得到充分利用：探針輸出±414 mV——最大±490 mV。隔離器為(wei) ，即同時提供ADC的SPI接口隔離的隔離式DC-DC轉換器。

電路特性

為(wei) 了實現高精度，選擇了典型輸入偏置電流為(wei) 200 fA的運算放大器，這樣，在探針阻抗為(wei) 1 GΩ時，最大失調電壓達0.2 mV。這相當於(yu) 25°C時pH值的誤差為(wei) 0.0037個(ge) 單位。即使最大輸入偏置電流為(wei) 1 pA，在1 mV時，最大偏置誤差也很小。為(wei) 了不放棄這個(ge) 好的開始，建議通過使用保護環、屏蔽及其他不受低電流影響的技術進行合適的布局測量。在選定數據速率為(wei) 16.7 Hz，增益為(wei) 1時，ADC產(chan) 生的噪聲約為(wei) 2 µV rms。如果使用13 µV峰峰值噪聲進行計算，則pH值的精度為(wei) 0.00022個(ge) 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(chan) 生0.00053個(ge) 單位的pH值，因此，偏置誤差更大。

結論

此處所示的電路是pH傳(chuan) 感器讀數的簡單、精密和省電轉換電路。電路經過校準後，可以實現0.5%的精度，相當於(yu) 0.005個(ge) 單位的pH值。由於(yu) 采用了隔離，它適合多種應用。

作者簡介

Thomas Tzscheetzsch於(yu) 2010年加入ADI公司，擔任高級現場應用工程師。2010年至2012年，他負責支持德國中部地區的客戶群，自2012年以來，他任職於(yu) 關(guan) 鍵客戶團隊，為(wei) 關(guan) 鍵客戶提供支持服務。2017年重組後，他負責中歐國家IHC市場的FAE團隊，擔任FAE經理。

在職業(ye) 生涯的最初階段，他於(yu) 1992年至1998年在一家機械製造公司任電子工程師，擔任部門負責人。在哥廷根應用科學大學完成電氣工程學習(xi) 後，他任職於(yu) Max Planck研究院從(cong) 事太陽能係統研究工作，擔任硬件設計工程師。2004年至2010年，他任職於(yu) ADI公司產(chan) 品經銷商的現場應用工程師。