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ADI PH計應用方案 實現(xiàn)精準高效的水質(zhì)測量


是一種常用的儀器設備，一般用于測量液體中的氫離子濃度，可得出酸性、中性還是堿性的數(shù)值。主要應用在環(huán)保、污水處理、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。但在PH測量過程中往往會出現(xiàn)誤差，那么要如何實現(xiàn)精準高效的PH測量呢？技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang針對基于電極法原理的ADI PH 計應用方案展開了詳細介紹。


PH測量原理


PH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對量的一項指標。就摩爾濃度來說，25°C的水含有1×10^?7mol/L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：


公式1.png


因此，如果氫離子濃度為1×10^?2mol/L，則PH值為2.00。PH電極是許多工業(yè)所使用的電化學傳感器，對水處理和污水工業(yè)具有特別重要的意義。PH電極是由一個玻璃測量電極和一個參考電極構(gòu)成，類似于一塊電池。當把電極置于溶液中時，測量電極產(chǎn)生一個電壓，具體取決于溶液中氫離子的活性，然后將該電壓與參考電極的電位進行比較。隨著溶液酸性的增強（PH值變低），玻璃電極電位相對于參比電極陽性增強（+mV）；隨著溶液堿性的增強（PH值變高），玻璃電極電位相對于參比電極陰性增強（-mV）。這兩個電極之差即為測得電位。在理想情況下，典型的PH電極在25°C下會產(chǎn)生59.154 mV/PH單位，用能斯特方程表示為：


公式2.png


其中：


E = 氫電極電壓，活性未知


α= ±30 mV，零點容差


T = 環(huán)境溫度（單位：°C）


n = 1（25 °C），價（離子上的電荷數(shù)）


F = 96485庫侖/摩爾，法拉第常數(shù)


R = 8.314 伏特-庫侖/°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，并以已知的方式隨氫離子活性而變化。溶液溫度的變化會改變其氫離子的活性。當溶液被加熱時，氫離子運動速度加快，結(jié)果導致兩個電極間電位差的增加。另外，當溶液冷卻時，氫活性降低，導致電位差下降。根據(jù)設計，在理想情況下，當置于PH值為7的緩沖溶液中時，電極會產(chǎn)生零伏特電位。


PH校準


由于電極涂層和老化原因，PH電極的特性會隨時間而變化。因此，需要使用校準程序來獲得最高精度。校準通過測量兩種緩沖溶液的PH值來完成，各緩沖溶液的PH值已知。軟件包括不同PH值緩沖溶液的NIST查找表，以及0℃至95℃溫度校正的PH值。溶液溫度利用電阻溫度檢測器（RTD）測得。使用以下線性等式：


公式3.png


確定PH傳感器傳遞函數(shù)的實際斜率，測量實際失調(diào)電壓。為了計算斜率，需求解下式：


其中：


公式4.png


y1為第一點的測量電壓。


y2為第二點的測量電壓。


x1為第一點的已知PH值。


x2為第二點的已知PH值。


進行上述測量并將一個校準點代入等式2，便可根據(jù)以下最終等式確定未知PH值：


公式5.png


其中：


x為未知PH值。


y為測量電壓。


b為測量失調(diào)電壓。


m為斜率。


然后可以使用等式3來調(diào)整先前所述能斯特方程給出的值。


PH值測量中的溫度補償


當測量溶液的PH值時，須考慮的最重要參數(shù)之一是溫度變化。當溶液的溫度改變時，溶液的PH值也會發(fā)生可觀的變化。這個改變的值不是PH讀數(shù)的誤差，而是新溫度下溶液的真實PH值。溫度變化可能導致測量電極的靈敏度發(fā)生變化，進而引起測量誤差。該誤差是可預測的，并且可通過全溫度范圍內(nèi)的電極校準和后續(xù)測量期間的溫度校正來解決。理想電極是在PH=7下精確歸零的電極。在PH=7時，溫度對電極靈敏度的影響可以忽略不計。然而，大多數(shù)PH電極不是理想電極，存在由于溫度變化而導致的電極靈敏度問題。一般溫度誤差非常接近0.003 PH/℃/偏離PH=7的PH單位數(shù)。在這種情況下，必須校準PH計以應用此0.003的校正因子。 用校準好的溫度傳感器，即可實現(xiàn)這種補償。然后，該溫度傳感器便能告知溫度的變化（如有）。如果存在變化，則將“0.003 PH/℃/偏離PH=7的PH單位數(shù)”的校正因子讀數(shù)輸入最終PH讀數(shù)，PH計將能顯示經(jīng)過校正且更準確的讀數(shù)。該機制能夠很好地補償由于溫度變化引起的PH值誤差。


PH測量方案


圖片1.png


圖1.ADI PH計方案框圖


方案描述


PH測量


在ADI PH計方案中，系統(tǒng)分為兩個獨立測量前端：PH值、溫度。在信號調(diào)理之后，2個通道共用一個24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） AD7124-4或AD4130-8。


AD7124-4是一款適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、全集成式模擬前端。該器件內(nèi)置一個低噪聲24位Σ-Δ型ADC，可配置為提供4個差分輸入或7個單端或偽差分輸入。片內(nèi)增益級確保ADC中可直接輸入小信號。當前的功耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲均可通過所選功率模式進行定制。該器件還提供多個濾波器選項，確保為用戶帶來更大的靈活性。當輸出數(shù)據(jù)速率為25 SPS（單周期建立）時，AD7124-4可實現(xiàn)50 Hz和60 Hz同時抑制，且在較低輸出數(shù)據(jù)速率下，可實現(xiàn)超過80 dB的抑制性能。


AD7124-4提供高的信號鏈集成度。該器件內(nèi)置一個精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準電壓源，也可采用內(nèi)部緩沖的外部差分基準電壓。其他主要集成特性包括可編程低漂移激勵電流源、開路測試電流控制和偏置電壓發(fā)生器，后者可將某一通道的共模電壓設置為AVDD/2。低端功率開關(guān)支持用戶在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷橋式傳感器，確保系統(tǒng)功耗較低。該器件還允許用戶采用內(nèi)部時鐘或外部時鐘工作。


AD4130-8 是一款超低功耗的高精度測量解決方案，適用于使用低帶寬電池工作的應用。完全集成的模擬前端（AFE）包括可用于多達 16 個單端或 8 個差分輸入的多路復用器、可編程增益放大器（PGA）、24位Σ-Δ（Σ-Δ）模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、片內(nèi)基準電壓和振蕩器、可選濾波器選項、智能時序控制器、傳感器偏置和激發(fā)選項、診斷以及新添加的功能，可改善使用電池運行的壽命（一顆紐扣電池可使用 5 年多），即先進先出 （FIFO） 緩沖區(qū)和占空比。


利用 AD4130-8，用戶可以在連續(xù)轉(zhuǎn)換過程中測量電流消耗為 28.5μA（增益= 1）和32.5μA（增益=128）的低頻信號，當使用占空比選項之一時，甚至可以在使用更低的平均電流時進行測量。AD4130-8 可配置為具有8個差分輸入或 16個單端或偽差分輸入，它們連接到交叉點多路復用器，其中任何輸入對都可以成為 PGA 和 ADC 的測量通道輸入。


AD4130-8 提供了以下關(guān)鍵模擬功能，從而支持簡單有效地連接到用于測量溫度、負載和壓力的傳感器：


·  PGA。由于可編程增益（從1到128）和低輸入電流的高輸入阻抗，PGA 允許直接與低輸出振幅的傳感器連接，例如電阻橋、熱電偶和電阻溫度檢測（RTD）。


·  電容式 PGA 支持全共模輸入范圍，對于廣泛變化的輸入共模，為設計人員提供了更多余地。更寬的共模輸入范圍提高了整體分辨率，在比率指標測量中非常有效。


·  低漂移精度電流源。IEXC0 和 IEXC1 電流源可用于激發(fā) 2 線、3 線和 4 線 RTD。激發(fā)電流輸出選項包括100nA、10μA、20μA、50μA、100μA、150μA和200μA。


·  低端電源開關(guān)（PDSW）可用于在轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷橋傳感器。可基于每個通道在時序控制器內(nèi)控制 PDSW，從而讓整體系統(tǒng)達到最佳時序和節(jié)能效果。PDSW 還支持在低功耗系統(tǒng)中使用更高功率的模擬傳感器。


·  適用于熱電偶的電壓偏置（VBIAS 源將通道的共模電壓設置為 AVDD/2）。


·  智能時序控制器允許以預定順序轉(zhuǎn)換每個啟用的預配置通道，從而支持交錯混合傳感器、系統(tǒng)檢查和診斷測量。憑借時序控制器，無需再與套件重復串行接口通信。序列中可配置 16 個通道，每個通道可以從 8 個預定義的 ADC 設置中進行選擇，從而允許選擇增益、濾波器類型、輸出數(shù)據(jù)速率、緩沖、時序和基準電壓源。


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 M?到1 G?不等，充當與PH電壓源串聯(lián)的電阻，流過該串聯(lián)電阻的緩沖放大器偏置電流會給系統(tǒng)帶來失調(diào)誤差。為使電路與該高源電阻隔離開來，在這種應用中需要一個高輸入阻抗、超低輸入偏置電流的緩沖放大器。ADA4661-2或LTC6078為PH探針等高阻抗傳感器提供精密緩沖并驅(qū)動ADC。


ADA4661-2是一款雙通道、精密、軌到軌輸入/輸出放大器，針對低功耗、高帶寬和寬工作電源電壓范圍應用進行了優(yōu)化。為使流經(jīng)高輸出阻抗（約1 GΩ）PH傳感器的偏置電流引起的失調(diào)誤差最小，典型輸入偏置電流為0.15 pA。ADA4661-2的偏置誤差有150μV。這相當于25°C時PH值的誤差為0.0025 PH。在PCB布板中建議通過使用保護環(huán)、屏蔽及其他不受低電流影響的技術(shù)進行合適的布局測量。


預測PH通道的系統(tǒng)噪聲性能


輸出數(shù)據(jù)速率為25 SPS且增益為1時，AD7124-4在滿功率模式下的rms噪聲為570 nV（噪聲折合到輸入端，來自AD7124-4數(shù)據(jù)手冊）。此時峰峰值噪聲可用下式求得：


峰峰值噪聲 = 6.6×rms噪聲=6.6×570nV=3.76μV


通過和方根（rss）方式加上ADA4661-2貢獻的噪聲（3μVp-p），預測總系統(tǒng)噪聲為4.818μVp-p。如果PH計的靈敏度為59mV/PH，則PH計能測量的無噪聲分辨度PH水平為4.818μV/（59mV/PH）=0.0000816PH


滿量程ADC輸入范圍為6.6 V，因此，預測峰峰值分辨率為


公式6.png


溫度測量


如下為2線RTD溫度測量：


圖片2.png


圖2. 2線RTD溫度測量


AD7124-4/AD4130-8的三個模擬引腳用于實現(xiàn)2線配置：AIN0、AIN2和AIN3。AIN2和AIN3配置為全差分輸入通道，用于檢測RTD上的電壓。使用的基準輸入為REFIN+和REFIN1-。由于使用了低端基準電阻，因此需要基準裕量電阻。


兩線配置需要一個激勵電流源。用于激勵RTD電阻、基準電阻和裕量電阻的激勵電流源由AVDD產(chǎn)生，并流向AIN0（IOUT0）。相同的電流流經(jīng)RTD和精密基準電阻（其產(chǎn)生基準電壓），從而確保進行比例式測量。


ADI官網(wǎng)可以檢索到測試驗證過的實驗室電路Circuit Note： 《CN-0381, 采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式4線RTD測量系統(tǒng)》；以及《CN0383, 采用低功耗、精密、24位Σ-Δ型ADC的全集成式3線RTD測量系統(tǒng)》。


電源


MAX42402/ MAX42403是ADI新推出的一款基于P90新工藝的低成本，高性價比的開關(guān)電源芯片。為小型同步降壓轉(zhuǎn)換器，集成了高側(cè)和低側(cè)開關(guān)，可提供高達2.5A/3.5A的電流。電壓質(zhì)量可以通過觀察PGOOD信號來監(jiān)測。該IC可以在99%占空比低壓差下運行，非常適合工業(yè)應用。


主要優(yōu)勢


MAX42402/ MAX42403采用ADI特有Silent Switcher技術(shù)，使用對稱輸入和倒裝芯片封裝技術(shù)，具有低噪聲和低EMI特性，可用于低電磁干擾解決方案和需要卓越電磁干擾性能的應用。


MAX42402/ MAX42403在強制PWM和跳躍工作模式下具有很高效率和低靜態(tài)電流。


MAX42402/ MAX42403可靈活地進行兩個轉(zhuǎn)換器并聯(lián)操作，以滿足更高的功率要求


特點：


·  多功能，小尺寸


·  工作輸入電壓范圍：4.5V至36V


·  集成高達2.5A/3.5A FET的同步DC-DC轉(zhuǎn)換器


·  跳躍模式下的靜態(tài)電流為27μA


·  開關(guān)頻率：1.5MHz/400kHz擴頻選項3.5Ms （1.5Mhz）/2.5ms （400kHz）內(nèi)部軟啟動


·  可編程輸出電壓范圍：0.8V至12V


·  99%占空比工作模式以實現(xiàn)低壓差


·  高精度符合安全關(guān)鍵應用要求


·  精密使能閾值實行完全可編程的UVLO閾值


·  準確的窗口式PGOOD


·  強制PWM和跳躍工作模式


·  過溫、過壓和短路保護


·  3mm x 3mm FC2QFN


·  工作溫度范圍：–40℃至+125℃


MAX38902A/B/C/D為低噪聲、線性穩(wěn)壓器，可提供高達500mA輸出電流，輸出噪聲僅為12μVRMS，頻率范圍為10Hz至100kHz。這些穩(wěn)壓器在較寬輸入電壓范圍下維持±1%輸出精度，滿載時只需100mV的輸入至輸出電壓裕量。空載電源電流為365μA，與壓差無關(guān)。還具有固定電壓輸出和電阻可調(diào)輸出電壓兩種，范圍為0.6V至5.3V。MAX38902B還包括低電平有效POK輸出。


·  1.7V至5.5V輸入電壓范圍


·  0.6V至5.3V輸出電壓范圍


·  12μVRMS輸出噪聲，10Hz至100kHz


·  365μA工作電源電流


·  70dB PSRR @ 10kHz


·  500mA最大輸出電流


·  在整個負載、電源和溫度范圍內(nèi)的DC精度為±1%


·  100mV （最大）壓差 @ 500mA負載（3.6VIN）


·  關(guān)斷電流小于0.1μA


·  采用2μF （最小值）輸出電容，非常穩(wěn)定


·  可編程軟啟動緩變率


·  過流和過熱保護


·  輸出至輸入反灌電流保護


·  低電平有效POK輸出


·  與MAX8902 （TDFN）引腳兼容


·  1.22mm x 0.82mm、2 x 3焊球、0.4mm焊距WLP封裝，或2mm x 2mm、8引腳TDFN封裝


ADI PH計應用方案可以幫助客戶進行高效的PH值測試，是水質(zhì)監(jiān)測方案的極佳選擇，ADI還提供靈活豐富的產(chǎn)品方案滿足客戶個性化需求，其授權(quán)代理商Excelpoint世健能為客戶提供技術(shù)支持，有助于客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，加快產(chǎn)品應用部署。