【導(dǎo)讀】PH計(jì)是一種常用的儀器設(shè)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(yīng)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(huì)出現(xiàn)誤差,那么要如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(duì)基于電極法原理的ADI PH 計(jì)應(yīng)用方案展開了詳細(xì)介紹。
PH計(jì)是一種常用的儀器設(shè)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(yīng)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(huì)出現(xiàn)誤差,那么要如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(duì)基于電極法原理的ADI PH 計(jì)應(yīng)用方案展開了詳細(xì)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(duì)量的一項(xiàng)指標(biāo)。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:
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(xué)傳感器,對(duì)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(gè)玻璃測量電極和一個(gè)參考電極構(gòu)成,類似于一塊電池。當(dāng)把電極置于溶液中時(shí),測量電極產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)行比較。隨著溶液酸性的增強(qiáng)(PH值變低),玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陽性增強(qiáng)(+mV);隨著溶液堿性的增強(qiáng)(PH值變高),玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陰性增強(qiáng)(-mV)。這兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生59.154 mV/PH單位,用能斯特方程表示為:
其中:
E = 氫電極電壓,活性未知
α= ±30 mV,零點(diǎn)容差
T = 環(huán)境溫度(單位:°C)
n = 1(25 °C),價(jià)(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(huì)改變其氫離子的活性。當(dāng)溶液被加熱時(shí),氫離子運(yùn)動(dòng)速度加快,結(jié)果導(dǎo)致兩個(gè)電極間電位差的增加。另外,當(dāng)溶液冷卻時(shí),氫活性降低,導(dǎo)致電位差下降。根據(jù)設(shè)計(jì),在理想情況下,當(dāng)置于PH值為7的緩沖溶液中時(shí),電極會(huì)產(chǎn)生零伏特電位。
PH校準(zhǔn)
由于電極涂層和老化原因,PH電極的特性會(huì)隨時(shí)間而變化。因此,需要使用校準(zhǔn)程序來獲得最高精度。校準(zhǔn)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:
確定PH傳感器傳遞函數(shù)的實(shí)際斜率,測量實(shí)際失調(diào)電壓。為了計(jì)算斜率,需求解下式:
其中:
y1為第一點(diǎn)的測量電壓。
y2為第二點(diǎn)的測量電壓。
x1為第一點(diǎn)的已知PH值。
x2為第二點(diǎn)的已知PH值。
進(jìn)行上述測量并將一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)代入等式2,便可根據(jù)以下最終等式確定未知PH值:
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(bǔ)償
當(dāng)測量溶液的PH值時(shí),須考慮的最重要參數(shù)之一是溫度變化。當(dāng)溶液的溫度改變時(shí),溶液的PH值也會(huì)發(fā)生可觀的變化。這個(gè)改變的值不是PH讀數(shù)的誤差,而是新溫度下溶液的真實(shí)PH值。溫度變化可能導(dǎo)致測量電極的靈敏度發(fā)生變化,進(jìn)而引起測量誤差。該誤差是可預(yù)測的,并且可通過全溫度范圍內(nèi)的電極校準(zhǔn)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(shí),溫度對(duì)電極靈敏度的影響可以忽略不計(jì)。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(dǎo)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(zhǔn)PH計(jì)以應(yīng)用此0.003的校正因子。 用校準(zhǔn)好的溫度傳感器,即可實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)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(jì)將能顯示經(jīng)過校正且更準(zhǔn)確的讀數(shù)。該機(jī)制能夠很好地補(bǔ)償由于溫度變化引起的PH值誤差。
PH測量方案
圖1.ADI PH計(jì)方案框圖
方案描述
PH測量
在ADI PH計(jì)方案中,系統(tǒng)分為兩個(gè)獨(dú)立測量前端:PH值、溫度。在信號(hào)調(diào)理之后,2個(gè)通道共用一個(gè)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(yīng)用的低功耗、低噪聲、全集成式模擬前端。該器件內(nèi)置一個(gè)低噪聲24位Σ-Δ型ADC,可配置為提供4個(gè)差分輸入或7個(gè)單端或偽差分輸入。片內(nèi)增益級(jí)確保ADC中可直接輸入小信號(hào)。當(dāng)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(jìn)行定制。該器件還提供多個(gè)濾波器選項(xiàng),確保為用戶帶來更大的靈活性。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為25 SPS(單周期建立)時(shí),AD7124-4可實(shí)現(xiàn)50 Hz和60 Hz同時(shí)抑制,且在較低輸出數(shù)據(jù)速率下,可實(shí)現(xiàn)超過80 dB的抑制性能。
AD7124-4提供高的信號(hào)鏈集成度。該器件內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源,也可采用內(nèi)部緩沖的外部差分基準(zhǔn)電壓。其他主要集成特性包括可編程低漂移激勵(lì)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(shè)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(shí)鐘或外部時(shí)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(yīng)用。完全集成的模擬前端(AFE)包括可用于多達(dá) 16 個(gè)單端或 8 個(gè)差分輸入的多路復(fù)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(zhǔn)電壓和振蕩器、可選濾波器選項(xiàng)、智能時(shí)序控制器、傳感器偏置和激發(fā)選項(xiàng)、診斷以及新添加的功能,可改善使用電池運(yùn)行的壽命(一顆紐扣電池可使用 5 年多),即先進(jìn)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(hào),當(dāng)使用占空比選項(xiàng)之一時(shí),甚至可以在使用更低的平均電流時(shí)進(jìn)行測量。AD4130-8 可配置為具有8個(gè)差分輸入或 16個(gè)單端或偽差分輸入,它們連接到交叉點(diǎn)多路復(fù)用器,其中任何輸入對(duì)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(fù)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(duì)于廣泛變化的輸入共模,為設(shè)計(jì)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(biāo)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(xiàng)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??苫诿總€(gè)通道在時(shí)序控制器內(nèi)控制 PDSW,從而讓整體系統(tǒng)達(dá)到最佳時(shí)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(shè)置為 AVDD/2)。
智能時(shí)序控制器允許以預(yù)定順序轉(zhuǎn)換每個(gè)啟用的預(yù)配置通道,從而支持交錯(cuò)混合傳感器、系統(tǒng)檢查和診斷測量。憑借時(shí)序控制器,無需再與套件重復(fù)串行接口通信。序列中可配置 16 個(gè)通道,每個(gè)通道可以從 8 個(gè)預(yù)定義的 ADC 設(shè)置中進(jìn)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(shí)序和基準(zhǔn)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(dāng)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(huì)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(yīng)用中需要一個(gè)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(dòng)ADC。
ADA4661-2是一款雙通道、精密、軌到軌輸入/輸出放大器,針對(duì)低功耗、高帶寬和寬工作電源電壓范圍應(yīng)用進(jìn)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(dāng)于25°C時(shí)PH值的誤差為0.0025 PH。在PCB布板中建議通過使用保護(hù)環(huán)、屏蔽及其他不受低電流影響的技術(shù)進(jìn)行合適的布局測量。
預(yù)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(shí),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(cè))。此時(shí)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(xiàn)的噪聲(3μVp-p),預(yù)測總系統(tǒng)噪聲為4.818μVp-p。如果PH計(jì)的靈敏度為59mV/PH,則PH計(jì)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(yù)測峰峰值分辨率為
溫度測量
如下為2線RTD溫度測量:
圖2. 2線RTD溫度測量
AD7124-4/AD4130-8的三個(gè)模擬引腳用于實(shí)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(zhǔn)輸入為REFIN+和REFIN1-。由于使用了低端基準(zhǔn)電阻,因此需要基準(zhǔn)裕量電阻。
兩線配置需要一個(gè)激勵(lì)電流源。用于激勵(lì)RTD電阻、基準(zhǔn)電阻和裕量電阻的激勵(lì)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(zhǔn)電阻(其產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓),從而確保進(jìn)行比例式測量。
ADI官網(wǎng)可以檢索到測試驗(yàn)證過的實(shí)驗(yàn)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(jià)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(dá)2.5A/3.5A的電流。電壓質(zhì)量可以通過觀察PGOOD信號(hào)來監(jiān)測。該IC可以在99%占空比低壓差下運(yùn)行,非常適合工業(yè)應(yīng)用。
主要優(yōu)勢(shì)
MAX42402/ MAX42403采用ADI特有Silent Switcher技術(shù),使用對(duì)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(yīng)用。
MAX42402/ MAX42403在強(qiáng)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(jìn)行兩個(gè)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)操作,以滿足更高的功率要求
特點(diǎn):
多功能,小尺寸
工作輸入電壓范圍:4.5V至36V
集成高達(dá)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(kuò)頻選項(xiàng)3.5Ms (1.5Mhz)/2.5ms (400kHz)內(nèi)部軟啟動(dòng)
可編程輸出電壓范圍:0.8V至12V
99%占空比工作模式以實(shí)現(xiàn)低壓差
高精度符合安全關(guān)鍵應(yīng)用要求
精密使能閾值實(shí)行完全可編程的UVLO閾值
準(zhǔn)確的窗口式PGOOD
強(qiáng)制PWM和跳躍工作模式
過溫、過壓和短路保護(hù)
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(dá)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(shí)只需100mV的輸入至輸出電壓裕量??蛰d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(gè)負(fù)載、電源和溫度范圍內(nèi)的DC精度為±1%
100mV (最大)壓差 @ 500mA負(fù)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(dòng)緩變率
過流和過熱保護(hù)
輸出至輸入反灌電流保護(hù)
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(jì)應(yīng)用方案可以幫助客戶進(jìn)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(gè)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(yīng)用部署。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商,為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。多次被權(quán)威雜志和行業(yè)機(jī)構(gòu)列入全球領(lǐng)先分銷商榜單。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,為新的科技與趨勢(shì)作出定位,并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。世健分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心,專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健擁有超過35年歷史、逾700名員工,業(yè)務(wù)擴(kuò)展至亞太區(qū)的49個(gè)城市和地區(qū),遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家。1993年,世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)(香港)有限公司,正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。目前,世健在中國擁有十多家分公司和辦事處,遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗(yàn),世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。
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