小白白曾经帮朋友修复过一台进口的pH测试仪，研究过设备内部的电路和测量原理，今天就把它分享给大家。

这台pH测试仪，是利用电化学原理来测量pH值的。

它需要使用一种pH电极，像下图这种：

pH电极的特性是：电极浸泡在溶液中后，可以产生微弱的电压，采集到这个电压后，就能换算成实际的pH值。

pH电极在溶液中，构成的是一个极高内阻的电压源。内阻小的在10^6 Ω，大的可达10^12 Ω。电压的变化量与pH的变化量成比例关系，大约是每50mV~1pH；当然这个值并不精确，需要使用标准溶液来标定；另外，这个比例值和温度相关，要想获得较高的精度，要在不同温度下标定。

1）硬件部分

咱们先看看硬件系统是如何设计的。前级的信号放大部分的电路简化后如下：

pH电极放大的前级运放，选型是及其重要的，因为电极的信号很微弱，电极的阻抗又及其大，这要求选用输入阻抗比电极还要大的运放；同时，极大的输入阻抗容易耦合较多的噪声，后级需要滤波处理。

这里选用了ADI的精密运放AD645，最大失调电压250uV，最大失调电流1.5pA，1uV/℃的温漂，可以采集到pH探头产生的极微弱信号。

运放接成同向比例放大电路，放大20倍，可以使得输出电压对应于1V/pH。

RP用于调整运放的零位，可以在pH等于7时调整到0。

由于一般pH值对温度敏感，RT使用了一个+3500ppm/℃正温度系数的电阻，用于抵消pH探头的温度系数。

对于PCB的设计，要特别注意电极输入的信号非常微弱，输入信号要用跟随的输出信号包围起来作保护；同时电极的线要使用屏蔽线。

前级放大之后，会经过一个滤波电路，以滤除噪声干扰，这部分可以用无源、也可以用有源滤波，常规的低通滤波电路就可以满足要求，要注意滤除50Hz的工频干扰。

至于后端的采集电路，这台仪器是使用的摩托罗拉的68HC08系列单片机，外围挂载的是16位的AD采集芯片。这部分也是常规设计。

2）软件部分

如果精度要求不是太高，可以直接用原始的50mV~1pH换算为pH值即可。

如果精度要求高，就不能简单地用这个系数去乘了；另外用RT电阻的温漂去补偿电极pH温漂的方法也不是特别可靠的。精度要求高时，需要使用标准的pH溶液去校准。

一般来说，测量出来的电极电压变化ΔE = K(T) * ΔpH，其中T是温度，K是需要确定的系数，它是一个与T相关的变量。

可以表示为K(T) = K1+（T-T1）*0.1984073，（其中K1为T1温度下的系数K）。

取两种已知pH值的溶液，测得两个电压值E1和E2，再测出当前的温度T1，由公式：

E1-E2 = K(T) * (pH1-pH2)

可以计算出当前温度T1下的K1，也就是说能获取到一组参数K1和T1，这样我们以后只要测到温度T，就可以通过T、T1和K1算出K。

计算pH值时，我们测量当前的温度T、当前电极电压E，再利用之前测到的标准溶液pH1的电压值E1，联立上述几个公式，就可以得到待测的pHx的值：

pHx = pH1 + (E-E1)/K(T) = pH1 + (E-E1)/( K1+(T-T1)*0.1984073)

这样处理过后的pH测量值，经过了温度补偿，一般能达到0.01pH的精度。

好了，本节某pH测试仪的原理就讲到这里。

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