Excelpoint - ADI PH计应用方案实现精准高效的水质测量

　PH计是一种经常使用的仪器设置装备摆设，普通用于丈量液体中的氢离子浓度，可得出酸性、中性仍是碱性的数值。首要应用在环保、污水处置、医药、化工等畛域。但在PH丈量过程当中往往会涌现偏差，那末要若何完成精准高效的PH丈量呢？手艺型受权代理商Excelpoint世健的工程师Galen Zhang针对基于电极法道理的ADI PH 计使用计划展开了细致先容。 　PH丈量道理

　PH值是权衡水溶液中氢离子和氢氧化物离子相对于量的一项目标。就摩尔浓度来讲，25°C的水含有1×10^?7mol/L氢离子，氢氧化物离子浓度与此沟通。中性溶液指氢离子浓度恰好即是氢氧化物离子浓度的溶液。PH值是暗示氢离子浓度的另一种体式格局，界说以下：

　是以，假如氢离子浓度为1×10^?2mol/L，则PH值为2.00。PH电极是许多工业所应用的电化学，对水处理和污水工业拥有分外首要的意思。PH电极是由一个玻璃丈量电极和一个参考电极组成，类似于一块电池。当把电极置于溶液中时，丈量电极发生一个电压，详细取决于溶液中氢离子的活性，而后将该电压与参考电极的电位举行比拟。跟着溶液酸性的加强（PH值变低），玻璃电极电位相对参比电极阴性加强（+mV）；跟着溶液碱性的加强（PH值变高），玻璃电极电位相对参比电极阳性加强（-mV）。这两个电极之差即为测得电位。在现实情况下，典范的PH电极在25°C下会发生59.154 mV/PH单元，用能斯特方程暗示为：

　此中： 　E = 氢电极电压，活性未知 　α= ±30 mV，零点容差 　T = 环境温度（单元：°C） 　n = 1（25 °C），价（离子上的电荷数） 　F = 96485库仑/摩尔，法拉第常数 　R = 8.314 伏特-库仑/°K摩尔，阿伏加德罗氏数 　PH = 未知溶液的氢离子浓度 　PHISO = 7，参比氢离子浓度 　方程注解，发生的电压取决于溶液的酸度和碱度，并以已知的体式格局随氢离子活性而变迁。溶液温度的变迁会转变其氢离子的活性。当溶液被加热时，氢离子活动速率加速，效果致使两个电极间电位差的增添。此外，当溶液冷却时，氢活性下降，致使电位差降低。依据设想，在现实情况下，当置于PH值为7的缓冲溶液中时，电极会发生零伏特电位。 　PH校准

　因为电极涂层和老化缘故原由，PH电极的特点会随时候而变迁。是以，需求应用校准步伐来取得精度。校准经由过程丈量两种缓冲溶液的PH值来实现，各缓冲溶液的PH值已知。软件包孕分歧PH值缓冲溶液的NIST查找表，以及0℃至95℃温度校订的PH值。溶液温度应用电阻温度检测器（RTD）测得。应用如下线性等式：

　肯定PH传感器通报函数的实践斜率，丈量实践平衡电压。为了计较斜率，需要解下式：

　此中： 　y1为点的丈量电压。 　y2为第二点的丈量电压。 　x1为点的已知PH值。 　x2为第二点的已知PH值。

　举行上述丈量并将一个校准点代入等式2，就可依据如下终等式肯定未知PH值：

　此中： 　x为未知PH值。 　y为丈量电压。 　b为丈量平衡电压。 　m为斜率。 　而后能够应用等式3来调解先前所述能斯特方程给出的值。 　PH值丈量中的温度赔偿 　当丈量溶液的PH值时，须思量的首要参数之一是温度变迁。当溶液的温度转变时，溶液的PH值也会产生可观的变迁。这个转变的值不是PH读数的偏差，而是新温度下溶液的实在PH值。温度变迁大概致使丈量电极的灵敏度产生变迁，进而惹起丈量偏差。该偏差是可展望的，而且可通过全温度范围内的电极校准和后续丈量时期的温度校正来解决。现实电极是在PH=7下归零的电极。在PH=7时，温度对电极灵敏度的影响能够疏忽不计。然而，大多数PH电极不是现实电极，存在因为温度变迁而致使的电极灵敏度题目。普通温度偏差异常靠近0.003 PH/℃/偏离PH=7的PH单位数。在这类情况下，必需校准PH计以使用此0.003的校订因子。 用校准好的温度传感器，即可完成这类赔偿。而后，该温度传感器便能告诉温度的变迁（若有）。假如存在变迁，则将“0.003 PH/℃/偏离PH=7的PH单位数”的校订因子读数输出终PH读数，PH计将能表现经由校订且更正确的读数。该机制可以或许很好地赔偿因为温度变迁惹起的PH值偏差。

　PH丈量计划

　图1.ADI PH计计划框图 　计划描绘 　PH丈量 　在ADI PH计计划中，体系分为两个自力丈量前端：PH值、温度。在旌旗灯号疗养以后，2个通道共用一个24位Σ-Δ型模数转换器（ADC） AD7124-4或AD4130-8。 　AD7124-4是一款适宜高精度丈量使用的低功耗、低噪声、全集成式模仿前端。该器件内置一个低噪声24位Σ-Δ型ADC，可设置为供应4个差分输出或7个单端或伪差分输出。片内增益级确保ADC中可直接输出小旌旗灯号。以后的功耗、输入数据速度局限和均方根噪声都可经由过程所选功率模式举行定制。该器件还供应多个滤波器选项，确保为用户带来更大的灵活性。当输入数据速度为25 SPS（单周期创建）时，AD7124-4可完成50 Hz和60 Hz同时按捺，且在较低输入数据速度下，可完成跨越80 dB的按捺功能。 　AD7124-4供应高的旌旗灯号链集成度。该器件内置一个周详低噪声、低漂移外部带隙基准电压源，也可采用外部缓冲内部差分基准电压其余首要集成特点包孕可编程低漂移鼓励电流源、开路测试电流操纵和偏置电压发生器，后者可将某一通道的共模电压配置为AVDD/2。低端功率支撑用户在两次转换之间关断桥式传感器，确保体系功耗较低。该器件同意用户接纳外部时钟内部时钟事情。 　AD4130-8 是一款超低功耗的高精度丈量解决计划，适用于应用低带宽电池事情使用完整集成模仿前端（AFE包孕可用于多达 16输出的多路复用器、可编程增益放大器（PGA）、24位Σ-Δ（Σ-Δ）模数转换器 （ADC）、片内基准电压和振荡器、可选滤波器选项、智能时序控制器、传感器偏置激起选项、诊断以及增添性能改良应用电池运转的寿命（一颗钮扣电池应用进步前辈先出 （FIFO） 缓冲区和占空比。 　AD4130-8供应如下关头模仿性能，从而支撑简略有效地连接到用于丈量温度、负载和压力的传感器： 　lPGA因为可编程增益（从1到128输出电流输出阻抗，PGA同意间接输入振幅的传感器连贯比方电阻桥、热电偶和电阻温度检测（RTD）。 　l电容式 PGA支撑输出局限关于普遍变迁输出设想职员供应了更多余地。更宽输出局限提高了团体分辨率，在比率目标丈量中非无效。 　l低漂移精度电流源。IEXC0 和 IEXC1 电流源可用于激起 2 线、3 线和 4 线 RTD激起电流输入选项包孕100nA、10μA、20μA、50μA、100μA、150μA和200μA。 　l低端电源开关（PDSW）可用于在转换之间关断桥传感器。可基于每一个通道在时序控制器操纵 PDSW，从而团体体系达到时序和节能结果。PDSW支撑在低功耗体系应用更高功率模仿传感器。 　l适用于热电偶的电压偏置（VBIAS 源将通道的共模电压配置为 AVDD/2）。 　l智能时序控制器同意预约次第转换每一个启用设置通道，从而支撑交织混杂传感器体系查抄和诊断丈量凭仗时序控制器，无需再与套件重复串行接口通讯。序列设置 16 个通道每一个通道能够界说的 ADC配置举行抉择，从而同意抉择增益、滤波器范例输入数据速度、缓冲、时序和基准电压源。 　ADA4661-2是一款双通道周详输出输入放大器，针对低功耗、高带宽和事情电源电压局限使用进行了优化。为使流经输入阻抗（约1 GΩ）PH传感器的偏置电流惹起平衡偏差典范输出偏置电流为0.15 pA。ADA4661-2的偏置偏差有150μV。这相当于25°C时PH偏差为0.0025 PH。在PCB倡议经由过程应用保护环屏障及其他不受低电流影响手艺举行适宜结构丈量。 　峰峰值噪声 = 6.6×rms噪声=6.6×570nV=3.76μV

　满量程ADC输出局限为6.6是以展望峰峰值分辨率为

　温度丈量

　如下为2线RTD温度丈量：

　图2. 2线RTD温度丈量 　AD7124-4/AD4130-8的三个模仿引脚用于完成设置：AIN0、AIN2和AIN3。AIN2和AIN3设置输出通道，用于检测RTD上的电压应用的基准输出为REFIN+和REFIN1-因为使用了低端基准电阻是以需求基准裕量电阻。 　ADI能够检索到测试考证过的实验室电路Circuit Note： 《CN-0381接纳低功耗周详、24位Σ-Δ型ADC的全集成式4线RTD丈量体系》；以及《CN0383接纳低功耗周详、24位Σ-Δ型ADC的全集成式3线RTD丈量体系》。 　电源 　MAX42402/ MAX42403是ADI新推出的一款基于P90新工艺的低成本，高性价比的开关 。为小型同步降压转换器成为了高侧和低侧开关，可提供高达2.5A/3.5A的电流。电压品质能够经由过程视察PGOOD旌旗灯号来监测。该IC能够在99%占空比高压差下运转异常适宜工业使用。 　MAX42402/ MAX42403接纳ADI特有Silent Switcher手艺应用对称输出和倒装芯片封装手艺拥有低噪声和低EMI特点，可用于低电磁滋扰解决计划需求卓着电磁滋扰功能使用。 　MAX42402/ MAX42403逼迫PWM和跳跃事情模式拥有很高服从动态电流。 　MAX42402/ MAX42403灵巧举行两个转换器并联操纵餍足更高的功率请求 　l多功能，小尺寸 　l集成高达2.5A/3.5A FET的同步DC-DC转换器 　l跳跃模式动态电流为27μA 　l开关频次：1.5MHz/400kHz扩频选项3.5Ms （1.5Mhz）/2.5ms （400kHz外部软启动 　l可编程输入电压局限：0.8V至12V 　l99%占空比事情模式完成高压差 　l高精度吻合平安关头使用请求 　l精密使能阈值实施完整可编程的UVLO阈值 　l过温、过压和短路维护 　l3mm x 3mm FC2QFN 　MAX38902A/B/C/D为低噪声、线性稳压器，可提供高达500mA输入电流输入噪声仅为12μVRMS频次局限为10Hz至100kHz。这些稳压器在较宽输出电压范围下维持输入精度，满载只要100mV输出输入电压裕量。空载电源电流为365有关。还具流动电压输入和电阻可调输入电压两种局限为0.6V至5.3V。MAX38902B包孕低电平无效POK输入。 　l1.7V至5.5V输出电压局限 　l0.6V至5.3V输入电压局限 　l12μVRMS输入噪声，10Hz至100kHz 　l365事情电源电流 　l70dB PSRR @ 10kHz 　l500mA输入电流 　l100mV （）压差 @ 500mA负载（3.6VIN） 　l关断电流小于0.1μA 　l可编程软启动缓变率 　l过流和过热维护 　l低电平无效POK输入 　l与MAX8902 （TDFN）引脚兼容 　l1.22mm x 0.82mm、2 x 3焊球、0.4mm焊距WLP封装，或2mm x 2mm、8引脚TDFN封装 　ADI PH使用计划能够赞助客户举行高效的PH值测试，是水质监测计划抉择，ADI供应灵巧厚实产物计划餍足客户个性化需要受权代理商Excelpoint世健能为客户供应手艺支撑，有助于客户收缩产物开辟周期加速产物使用安排。