水是世界上最珍贵的原生资源,净水和水过滤技术是我们生活中不可或缺的部分。近年来,国家对水质方面的监测持续加码,国务院先后发布了《水污染防治行动计划》、《生态环境监测网络建设方案》和《国家生态环境质量监测事权上收实施方案》等相关文件,指导各地加强水质监测。得益于政策的推动,水质监测仪器也朝着多样化的方向发展。

 

水质分析(如pH值)依赖于电化学技术。电化学是化学的一个分支,通过测量电子从一种反应物到另一种反应物的转移来表征还原-氧化反应的行为。电化学技术可以直接或间接用于检测影响水质的几个重要参数,包括化学指标、生物和细菌指标,甚至一些低含量污染物,如重金属。许多此类指示性测量与确定被测分析物的重要质量参数有关。ADI公司针对水质监测仪提供的多参数测量解决方案,采用能够控制和测量电化学传感器和生物传感器的强大的片内系统,通过单个平台就可实现五个参数的监控测量,例如 TEM(温度)、DO(溶解氧)、EC(电导率)、pH和浊度。

 

ADI多参数水质监测仪设计的系统框图

 

多参数分析对水质监测的重要性
多参数水质监测系统可以实现环境状况—水质的实时动态检测,分布式多点检测数据可以准确实现对环境状况的评估,同时,连续的检测数据可以实现对环境的建模,从而实现对环境治理方案的仿真和智能决策。这里简单说下PH值、温度以及电导率衡三个参数。

 

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 × 10−7 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电极是许多工业所使用的电化学传感器,对水处理和污水工业具有特别重要的意义。

 

当测量溶液的pH值时,须考虑的最重要参数之一是温度变化。当溶液的温度改变时,溶液的pH值也会发生可观的变化。这个改变的值不是pH读数的误差,而是新温度下溶液的真实pH值。温度变化可能导致测量电极的灵敏度发生变化,进而引起测量误差。该误差是可预测的,并且可通过全温度范围内的探针校准和后续测量期间的温度校正来解决。

 

电导率衡量物质传导电流的能力高低。物质允许电流流动的程度是其电导率的量度。金属和半导体的导电性随着带电粒子的移动而发生。在有外加电位差的情况下,原子外壳中的价电子移动,从而引起电子的流动,产生电流。电导率在很大程度上取决于溶液的多种因素,包括迁移率、化合价、离子浓度以及溶液温度。而且,电导率与溶液的纯度高度相关。例如,超纯水样不含许多离子成分,因此电导率低,约为5 μS/cm。而含有金属盐和离子化合物的水样则包含许多可导电的阳离子和阴离子,因此电导率值较大。盐水大致为5 S/cm。这种差异使得电导率测量的动态范围很宽。

 

水质卫士拿什么实现多参数监测?
与传统的分立器件解决方案相比,ADI这款集成了超低功耗ARM®Cortex®-M3处理器和多通道模拟前端的多参数水质监测仪方案基于功能强大的单芯片平台,可以最大限度地减少所需的芯片数,有效的降低成本、功耗和体积,同时提供良好的噪声性能和高精度测量结果。所以特别适合水质监测领域中的多参数监测仪开发、探头数字化以及pH探头使用寿命诊断研究。如此出色的水质卫士方案,核心元器件都有哪些呢?

 

采用ADuCM355的pH测量单元:ADuCM355是业界高度集成的先进化学传感器测量前端,它为pH值测量提供了一个平台解决方案,并且将所有必要的测量功能与低功耗微处理器相集成。ADuCM355是一款低功耗测量平台,尺寸很小,足以集成在传感器外壳内,而功能和性能堪比台式仪器。下图显示了ADuCM355的pH值测量板,其中的BNC和RCA连接器用于连接pH探针和温度传感器。

 

有BNC和RCA连接器的ADuCM355 pH值测量PCB

 

高精度、阻抗和电化学前端AD5940:AD5940是一款高精度、低功耗模拟前端(AFE),专为需要高精度、电化学测量技术的便携式应用而设计,如电流、伏安或阻抗测量。AD5940包括两个高精度激励环路和一个通用测量通道,能够在测试下对传感器进行各种测量。第一个激励环路包括一个超低功耗、双通道输出串、数模转换器(DAC)和一个低功耗、低噪声恒电势器。该DAC的一个输出可控制恒电势器的同相输入,另一个输出控制跨阻放大器(TIA)的同相输入。该低功耗激励环路能够生成DC至200 Hz的信号。第二个激励环路包括一个12位DAC,称为高速DAC。该DAC能够生成最高200 kHz的高频激励信号。

 

AD594x水质测量系统

 

微功耗精密放大器LTC6078:LTC6078能够为pH探针等高阻抗传感器提供精密缓冲。其精密性能和低偏置电流(输入偏置电流最大值为1pA)是此设计的关键因素,其中pH探针的阻抗可能有数千兆欧(GΩ)。LTC6078的低1/f噪声系数(1μVp-p)是低速测量系统实现高测量精度的另一个重要特性。LTC6078在低电源电压下保持精密性能,具有高输入阻抗和宽增益带宽,以超低功耗(54μA)工作,并具有关断功能。

 

小结
随着社会经济不断进步,还有我国生态文明建设的推进,水质监测的内涵和外延也在渐渐的发生变化,水利事业也成为了我们社会问题和经济发展的支柱。多年来,ADI公司一直为分析仪器提供有针对性的集成解决方案,并不断推陈出新,为客户提供从构想、选料、设计到生产的水质分析监测完整解决方案。最重要的是,ADI针对水质分析监测仪器的信号链,提供完整多样的高性价比产品,客户可依据自身需求设计出优化产品。