●  物理：溫度和濁度

●  化學：pH值
、氧化還原電位(ORP)、電導率和溶解氧

●  生物學：藻類和細菌

 

本(ben)文(wen)重(zhong)點(dian)討(tao)論(lun)曆(li)來(lai)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)但(dan)不(bu)可(ke)靠(kao)而(er)造(zao)成(cheng)實(shi)施(shi)負(fu)擔(dan)的(de)化(hua)學(xue)測(ce)量(liang)參(can)數(shu)。電(dian)化(hua)學(xue)是(shi)化(hua)學(xue)的(de)一(yi)個(ge)分(fen)支(zhi)，通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)電(dian)子(zi)從(cong)一(yi)種(zhong)反(fan)應(ying)物(wu)到(dao)另(ling)一(yi)種(zhong)反(fan)應(ying)物(wu)的(de)轉(zhuan)移(yi)來(lai)表(biao)征(zheng)還(hai)原(yuan)-氧化反應的行為。電化學技術可以直接或間接用於檢測和測量上述水質指標。電化學測量係統主要由兩個模塊組成：

 

●  傳感器：一種用於測量水質指標並產生相應電信號的器件。

●  測量和處理單元：測量和處理電信號的電路。

 

通常整個加工廠中部署單獨的有線傳感器。現場傳感器需要經常清洗
、校準和更換。無線網絡可減少一些這樣的負擔，但通常被認為不夠可靠，不能部署在這些應用的惡劣環境中。

 

隨著科技的發展
，現在采用新的測量和網絡技術可以實現高可靠性無線傳感網絡。本文介紹一款演示平台，它將ADuCM355 的通用傳感器接口功能與ADI公司的SmartMesh®IP 技術線狀可靠性相結合，構成穩健的低功耗無線水質監測係統，專用於水質指標pH值測量。將該原理輕鬆擴展到其他電化學參數，可以針對每個無線傳感節點形成一係列水質測量。

 

圖1.典型電化學測量係統。

 

pH值測量和pH探針

 

pH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對量的一項指標。中性溶液指氫離子濃度正好等於氫氧化物離子濃度的溶液。pH值是表示氫離子濃度
、衡量溶液酸堿度的另一種方式
，定義如下：

 

 

其中H+是氫離子濃度（單位：摩爾/升）。

 

溶液的pH值為0至14，中性溶液的pH值為7，酸性溶液的pH值小於7，堿性溶液的pH值大於7。

 

pH探針是由玻璃電極和參考電極組成的電化學傳感器。

 

圖2. pH探針

 

將pH探(tan)針(zhen)插(cha)入(ru)溶(rong)液(ye)中(zhong)時(shi)，測(ce)量(liang)電(dian)極(ji)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)電(dian)壓(ya)，該(gai)電(dian)壓(ya)取(qu)決(jue)於(yu)溶(rong)液(ye)的(de)氫(qing)離(li)子(zi)活(huo)性(xing)，然(ran)後(hou)該(gai)電(dian)壓(ya)與(yu)內(nei)部(bu)參(can)比(bi)電(dian)極(ji)的(de)電(dian)位(wei)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)。測(ce)量(liang)電(dian)極(ji)和(he)參(can)比(bi)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)位(wei)差(cha)就(jiu)是(shi)測(ce)得(de)的(de)電(dian)位(wei)
，用(yong)能(neng)斯(si)特(te)方(fang)程(cheng)表(biao)示(shi)為(wei)：

 

 

其中：

 

E是電極電壓
，活性未知 a = ±30 mV，零點容差

T為環境溫度(°C)

n = 1 at 25°C, valence (number of charges on ion) F = 96485 coulombs/mol, Faraday constant

n = 1(25°C)，價（離子上的電荷數）F = 96485庫侖/摩爾
，法拉第常數

R = 8.314伏特-庫侖/°K摩爾，理想氣體常數

pH = 未知溶液的氫離子濃度

pH_ISO = 參比電解質的氫離子濃度；請參閱探頭文檔；典型pH_ISO = 7

 

此方程表明產生的電壓以已知方式隨pH值變化。還表明產生的電壓與溶液溫度成正比。隨著溶液溫度上升
，兩個電極之間的電位差增大
，反之亦然。理想的pH探針在25°C下會產生±59.154 mV/pH單位。

 

溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)也(ye)可(ke)能(neng)改(gai)變(bian)測(ce)量(liang)電(dian)極(ji)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)，進(jin)而(er)引(yin)起(qi)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)。該(gai)誤(wu)差(cha)是(shi)可(ke)預(yu)測(ce)的(de)，並(bing)且(qie)可(ke)通(tong)過(guo)全(quan)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)探(tan)針(zhen)校(xiao)準(zhun)和(he)後(hou)續(xu)測(ce)量(liang)期(qi)間(jian)的(de)溫(wen)度(du)校(xiao)正(zheng)來(lai)解(jie)決(jue)。溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)集(ji)成(cheng)到(dao)pH探針中。溫度傳感器可以是負溫度係數(NTC)熱敏電阻或RTD
，如PT100或PT1000。圖3所示為帶有溫度傳感器的pH探針。

 

圖3.帶有溫度傳感器的pH探針。

 

如果溫度傳感器測量到溫度變化，則會向最終的pH讀數應用校正係數
，然後儀表將顯示校正後的更準確的讀數。該機製能夠很好地補償由於溫度變化引起的pH值誤差。

 

采用ADuCM355的pH測量單元

 

圖4.集成溫度傳感器連接到ADuCM355的pH探針。

 

這是業界高度集成的先進化學傳感器測量前端，它為pH值測量提供了一個平台解決方案，並且將所有必要的測量功能與低功耗微處理器相集成。ADuCM355是一款低功耗測量平台
，尺寸很小，足以集成在傳感器外殼內，而功能和性能堪比台式儀器。圖4顯示了ADuCM355的pH值測量板，其中的BNC和RCA連接器用於連接pH探針和溫度傳感器。該測量板來自CN-0428 參考設計
，更多相關詳情見圖5。

 

圖5.具有BNC和RCA連接器的ADuCM355 pH值測量PCB。

 

將pH值測量傳感器節點連接到SmartMesh

 

通過將ADuCM355和ADI SmartMesh收發器相結合，我們創建了一個小型低功耗pH值測量傳感器節點。ADuCM355將測得的pH數據作為數字輸出。然後
，該數字數據通過UART連接到ADI的LTP5902 SmartMesh IP無線收發器。 LTP5902 通過SmartMesh網絡將數字數據傳輸至SmartMesh IP管理器。

 

圖6.PH傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh無線傳感器節點。

 

SmartMesh是ADI基於IEEE 802.15.4e標準的專有2.4 GHz多跳無線Mesh網絡解決方案。其包括AES 128加密和身份驗證，從而提供可靠的端到端安全性。它具有超低功耗和高能效，使每個傳感器節點都可以通過電池供電運行。

 

SmartMesh網絡使用時隙信道跳頻(TSCH)鏈路層進行通信
，該鏈路層可提供三重播放冗餘。SmartMesh網絡管理器（網關的一部分）全天候協調計劃
，管理安全性，執行無線編程(OTAP)，並自動優化連接。該網絡管理器還通過API提供詳細的網絡運行狀況報告。對於小型網絡，一個嵌入式管理器可支持多達100個傳感器節點（也稱為終端）。而VManager支持多達50,000個節點的大型安裝。

 

圖7.傳感器節點和網絡IP管理器在網關內的SmartMesh網絡。

 

嚴格的網絡壓力測試可確保99.999%以上的數據可靠性
，使SmartMesh成為工業無線傳感器網絡的理想解決方案
，能夠保持高網絡可靠性，同時不丟包。

 

無線水質監測係統：

 

圖8.使用ADuCM355和SmartMesh的無線水質監測係統。

 

圖8所示的無線水質網絡演示包含：

 

●  四個傳感器節點：

 

■每個傳感器節點都包含一個現成的玻璃電極pH探針，並且集成溫度傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh IP終端，如圖6所示。

■pH探針檢測pH值，ADuCM355執行測量和計算，並以數字輸出提供測得的pH值
，然後通過無線SmartMesh網絡傳輸至SmartMesh IP管理器。

■SmartMesh IP管理器通過USB連接到PC。

 

●  此係統中的網關由PC執行。該PC安裝了Node-Red和SmartMesh SDK。  SmartMesh SDK用於創建JavaScript object notation (JSON)服務器以存儲該數據，JSON服務器連接到Node-RED。Node-RED用於顯示從每個傳感器節點測得的pH數據

，並允許連接到IBM Watson
、Amazon AWS等雲服務。

 

硬件設置

 

圖9.無線水質網絡。

 

出於演示目的，我們使用的是錯列三格魚缸，水從頂格流到後麵每格。每格中都插入一個pH傳感器探針。我們在遠處參考溶液中放置了第四個探針（圖9未顯示），以表示SmartMesh遠程無線通信。當我們改變頂格中溶液的pH值時，Node-RED上的數據隨之更新
，顯示新的pH值。由於新的pH溶液從頂格流到後麵每格，其他兩個pH傳感器也會更新其測量值
，屏幕上顯示其數據。由於第四個傳感器位於pH值沒有變化的參考溶液中
，因此該傳感器的讀數不變。以下各節提供了有關Node-RED和測得數據的更多信息。您也可以在此處查看演示記錄。

 

圖10.傳感器節點。

 

測量數據：

 

4個傳感器節點的pH測量值通過Node-RED顯示在PC上。

 

Node-RED是一個具有Web瀏覽器的編程工具，允許連接硬件設備、API和其他在線服務。演示的JSON流如圖11所示。

 

圖11.JSON流。

 

圖12.無線水質演示儀表板。

 

圖13. IBM Watson上顯示的pH測量數據。

 

圖14. pH測量數據推文。

 

結論

 

本文介紹使用ADI的ADuCM355和SmartMesh IP技(ji)術(shu)的(de)無(wu)線(xian)水(shui)質(zhi)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)。這(zhe)些(xie)產(chan)品(pin)具(ju)有(you)小(xiao)尺(chi)寸(cun)和(he)低(di)功(gong)耗(hao)特(te)性(xing)，因(yin)此(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)可(ke)以(yi)由(you)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)。即(ji)使(shi)在(zai)惡(e)劣(lie)的(de)外(wai)部(bu)環(huan)境(jing)中(zhong)，采(cai)用(yong)穩(wen)健(jian)的(de)SmartMeshjishuyenengkekaodichuanshushuju。gaiyanshishuomingleyigegaodukekaodewuxianjiancexitongyijiyunlianjie。duiyubutongdezuizhongyingyong，doujijuyingyongqianjing，liyonggaijishu
，bujinnenggouzainanyijiejindeweizhijianceshuizhi，weibutongdeshuizhiyuzhichuangjianjingbaohejinggao，hainenggouliyongceliangshujuchixuhuodegengduokekaodeshuizhixinxi。

 

參考文獻

 

●  CN-0398：帶溫度補償功能的土壤濕度和pH值測量係統。ADI公司
，2020年1月。

●  CN-0409：低至高水平水濁度測量係統。ADI公司，2020年1月。

●  IBM Watson物聯網平台。IBM Corporation，2019年。

●  Kämmerer, Christoph。液體測量——從水到血液。ADI公司

，2019年10月。

●  Node-RED：事件驅動型應用的低代碼編程。Node-RED

，2020年1月。

●  Tzscheetzsch, Thomas。“帶有溫度補償功能的隔離式pH監測儀。”ADI公司
，2019年7月。

●  水質。Fondriest Environmental, Inc.，2020年1月。

●  @Pd2019S。“傳感器4的pH值為6.877，時間戳2026-04-21 07:40:48.593000。”

●  Twitter
，2019年11月，下午6:13。

 

致謝

 

在此感謝Scott Hunt和Bill Lindsay在演示開發期間提供的幫助，以及撥冗審閱本文。同時感謝Dan Braunworth和Dan Burton幫助審閱和校對本文，並提出了寶貴的意見和建議。

 

作者簡介

 

Piyu Dhaker是ADI公司北美中心應用部的一名應用工程師。2007年畢業於聖何塞大學，獲電氣工程碩士學位。2017年6月加入北美核心應用部門。她還曾在ADI的汽車動力總成部和電源管理部工作。聯係方式：piyu.dhaker@analog.com。

 

 

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