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具有温度补偿、适合多种工业应用的隔离式低功耗pH值测试系统电路设计

2021-06-24 ADI 阅读:
本文介绍一个完全隔离式低功耗pH传感器信号调理器和数字化仪,并且带有自动温度补偿以实现高精度。

pH是溶液中氢离子活度的一种标度,也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。而pH值指的是溶液氢离子活度倒数的对数值,pH值越接近于0表示溶液酸性越强,反之越接近于14则表示溶液碱性越强[1]。在常温下,pH=7的溶液被称为中性溶液。pH值是水质的重要指标,在检测过程中,有很多因素会影响检测结果的准确性。A9pednc

本文介绍一个完全隔离式低功耗pH传感器信号调理器和数字化仪,并且带有自动温度补偿以实现高精度。该电路可为0至14范围内的pH值提供精度为0.5%的读数,无噪声代码分辨率大于14位,适用于多种工业应用,如化工、食品加工、水处理、污水分析等。A9pednc

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1:基于三个电路级的pH传感器电路图(简化原理图A9pednc

pH测量的基本原理看测量参数要点A9pednc

pH值是衡量水溶液中氢离子和氢氧化物离子相对量的一项指标。就摩尔浓度来说,25°C的水含有1×107摩尔/升氢离子,氢氧化物离子浓度与此相同。中性溶液指氢离子浓度正好等于氢氧化物离子浓度的溶液。pH值是表示氢离子浓度的另一种方式,定义如下:A9pednc

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因此,如果氢离子浓度为1.0×102摩尔/升,则pH值为2.00。pH电极是许多工业所使用的电化学传感器,但对水处理和污水工业具有特别重要的意义。pH探针由一个玻璃测量电极和一个参考电极构成,类似于一块电池。当把探针置于溶液中时,测量电极产生一个电压,具体取决于溶液中氢的活性,然后将该电压与参考电极的电位进行比较。随着溶液酸性的增强(pH值变低),玻璃电极电位相对于参比电极阳性增强(+mV);随着溶液碱性的增强(pH值变高),玻璃电极电位相对于参比电极阴性增强(-mV)。这两个电极之差即为测得电位。在理想情况下,典型的pH探针在25°C下会产生59.154mV/pH单位。A9pednc

产生的电压取决于溶液的酸度和碱度,并以已知方式随氢离子活性而变化。溶液温度的变化会改变其氢离子的活性。当溶液被加热时,氢离子运动速度加快,结果导致两个电极间电位差的增加。另外,当溶液冷却时,氢活性降低,导致电位差下降。根据设计,在理想情况下,当置于pH值为7的缓冲溶液中时,电极会产生零伏特电位。A9pednc

基于三个高性能电路级的pH测量电路设计A9pednc

图1给出了基于三个高性能电路级的pH测量电路设计:pH探针缓冲器、ADC和数字及电源隔离器。该设计为带温度补偿的pH传感器提供了一种整体解决方案。A9pednc

其中的缓冲级采用的是一款精密微功耗(最大值50μA)及低噪声(22nV/√Hz)CMOS运算放大器AD8603,配置为连接AD7793通道之一输入的缓冲器。AD8603的典型输入偏置电流为200fA,为高内部电阻pH探针提供了一种有效的解决方案。A9pednc

pH检测和温度补偿系统基于AD7793,24位(∑-Δ)ADC。它有三个差分模拟输入和一个片内低噪声、可编程增益放大器(PGA),其范围为单位增益至128。AD7793的最大功耗仅为500μA,适用于任何低功耗应用。有一个低噪声、低漂移内部带隙基准电压源,而且也可采用一个外部差分基准电压。输出数据速率可通过软件编程设置,可在4.17Hz至470Hz的范围内变化。A9pednc

ADuM5401(四通道数字隔离器,集成DC-DC转换器)提供微控制器与AD7793数字线路之间的数字信号和电源隔离功能。利用iCoupler芯片级变压器技术,能够隔离逻辑信号和DC/DC转换器中的电源反馈路径。A9pednc

传感器接口缓冲器级设计A9pednc

典型的pH探针电极由玻璃制成,可形成极高的电阻,范围从1MΩ到1GΩ不等,充当与pH电压源串联的电阻,如图2所示。A9pednc

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图2. 连接ADC的pH传感器和缓冲器接口A9pednc

流过该串联电阻的缓冲放大器偏置电流会给系统带来失调误差。为使电路与该高源电阻隔离开来,在这种应用中,需要一个高输入阻抗、超低输入偏置电流的缓冲放大器。AD8603用作该应用的缓冲放大器,其低输入电流可以最大限度地减少流过电极电阻的偏置电流所产生的电压误差。A9pednc

就25°C下串联电阻为1G的pH探针来说,对于200fA典型输入偏置电流,失调误差为0.2mV (0.0037pH)。即使在1pA的最大输入偏置电流下,误差也只有1mV。10k/1μF低通噪声滤波器针对缓冲放大器输出的截止频率为f=1/2ΠRC,即16Hz。必须利用防护、屏蔽、高绝缘电阻支柱以及其他此类标准皮安方法,以最大限度地减少AD8603缓冲器高阻抗输入端的泄漏。A9pednc

pH传感器ADC通道配置A9pednc

该级涉及测量pH电极产生的小电压。表1展示了一个典型pH探针的技术规格。基于能斯脱方程,来自探针的满量程电压范围为±414mV (±59.14mV/pH) (25°C)至±490mV (±70mV/pH) (80°C)。A9pednc

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表1. 典型pH探针的技术规格A9pednc

在读取pH探针输出电压时,ADC采用外部1.05V基准电压源,增益配置为1。满量程输入范围为±VREF/G=±1.05V,来自pH探针的最大信号为±490mV (80°C)。A9pednc

由于传感器的输出是双极性的,并且AD7793采用单电源供电,因此,pH探针产生的信号应偏置到地以上,以使其处于ADC的可接受共模范围之内。该偏置电压产生的方式是,将210μA IOUT2电流注入5kΩ0.1%电阻,如图2所示。结果产生1.05V共模偏置电压,这同时充当ADC基准电压。A9pednc

ADC的第二通道监控在RTD上产生的电压,该RTD由AD7793的IOUT2电流输出引脚驱动。210A激励电流驱动由RTD和精密电阻(5kΩ, 0.1%)构成的串联组合。(参见图1)。纯铂的温度系数为0.003926Ω/Ω/°C。根据DIN Std. 43760-1980和IEC 751-1983标准,工业RTD的正常系数为0.00385Ω/Ω/°C。RTD的精度通常以0°C为基准。DIN 43760标准认可两个类,如表2所示,ASTM E–1137标准认可两个级,如表3所示。A9pednc

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表2. DIN-43760的标准RTD精度A9pednc

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表3. ASTM E-1137的标准RTD精度A9pednc

RTD电阻在0°C (1000Ω)至100°C (1385Ω)范围内变化,产生的电压信号范围为210mV至290mV,激励电流为210μA。精密5k电阻产生作为外部基准电压源的1.05V电压。当增益为1时,模拟输入范围为±1.05V (±VREF/G)。该架构形成一种比率式配置。激励电流值的变化不会影响系统精度。尽管100Ω Pt RTD十分常见,也可指定其他电阻(200Ω、500Ω、1000Ω等)和材料(镍、铜、镍铁)。本应用使用一个1k DIN 43760 A类RTD,用于实现pH传感器的温度补偿功能。1000Ω RTD对线路电阻误差不如100Ω RTD敏感度。A9pednc

采用一条2线连接,如图3所示。在RTD引脚上施加恒定电流,同时测量通过RTD本身的电压。测量器件是AD7793,该器件表现出高输入电阻和低输入偏置电流。该方案的误差源是引脚电阻、AD7793所产生恒定电流源的稳定性以及输入放大器中的输入阻抗和/或偏置电流及相应的漂移。A9pednc

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3. 2线铂RTD连接示意图A9pednc

数字和电源隔离级电路设计A9pednc

ADuM5401隔离ADC数字信号,同时为电路提供经隔离稳压的3.3V电源。ADuM5401 (VDD1)的输入应在3.0V和3.6V之间。要注意ADuM5401的布局,以尽量减少EMI/RFI问题。A9pednc

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