阅读说明：本技术 一种防干扰的数字pH传感器 (Anti-interference digital pH sensor ) 是由 唐宾国 熊志明 张鑫 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种防干扰的数字pH传感器,包括pH电极、电路板、以及外壳,其中,所述外壳中含有静电屏蔽层,所述静电屏蔽层与地线连接,用于保证测量电路不受场干扰源的影响；所述电路板包括由内部测量电路组成的变送器和与外部电路连接的接口,所述变送器将pH电极获得的电压信号转换成pH测量值；所述接口包括电源隔离模块以及通信隔离模块,保证测量电路不受直接接触的干扰源的影响。本发明的有益效果：能够有效避免在实际工程应用中所遇到的各种干扰源的影响,从而很大程度上提升了用户体验,为后续的数据分析与应用服务打下了良好基础。(the invention provides an anti-interference digital pH sensor which comprises a pH electrode, a circuit board and a shell, wherein the shell contains an electrostatic shielding layer, and the electrostatic shielding layer is connected with a ground wire and used for ensuring that a measuring circuit is not influenced by a field interference source; the circuit board comprises a transmitter consisting of an internal measuring circuit and an interface connected with an external circuit, and the transmitter converts a voltage signal obtained by the pH electrode into a pH measuring value; the interface comprises a power isolation module and a communication isolation module, and ensures that the measuring circuit is not influenced by a directly contacted interference source. The invention has the beneficial effects that: the influence of various interference sources in actual engineering application can be effectively avoided, so that the user experience is improved to a great extent, and a good foundation is laid for subsequent data analysis and application service.)

一种防干扰的数字pH传感器

技术领域

本发明涉及一种pH传感器，尤其涉及一种防干扰的数字pH传感器。

背景技术

pH传感器是测量水体或溶液酸碱度的传感器，而水体或溶液中的酸碱度是通过氢离子浓度来衡量的，所以pH传感器通常采用离子选择电极来实现pH值的测量。

数字pH传感器一般由pH电极、变送器和接口三部分组成，pH电极将水体或溶液中的氢离子浓度转换成电压信号，此电压信号经过变送器的信号调理电路进行处理后，送至微控制器单元进行运算并转化成对应的pH值，最后通过485模块与外界进行通信。温度补偿电路提供温度值的测量，用于微控制单元对pH测量值进行补偿；电源管理模块主要负责为系统中各单元提供工作电压。

因为pH电极输出的信号极其微弱，而在实际工程应用中，存在着各种干扰因素譬如供电电网的波动、大功率设备启停导致的冲击电压/电流、雷电、静电等，会通过直接或间接的方式进入到测量电路中，进而影响pH传感器的正常工作，导致pH测量值出现很明显的跳变，这些因干扰而产生的数据不仅影响用户体验，更会对数据的分析与解读带来障碍。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种防干扰的数字pH传感器方案，对于直接干扰因素，采用增加隔离模块的方式，将测量电路与外界完全隔离开来，对于非直接接触的场干扰源，在结构上通过增加一道屏蔽层，并将屏蔽层与系统地线连接，保证传感器不受干扰。

本发明提供一种防干扰的数字pH传感器，包括pH电极、电路板，其特征在于，所述电路板包括由内部测量电路组成的变送器和与外部电路连接的接口，其中：

所述变送器连接所述pH电极，用于将pH电极获得的电压信号转换成pH测量值；所述接口包括485通信模块以及电源管理模块，所述485通信模块用于所述接口与外部电路之间的通信，所述电源管理模块与外部电源连接，为所述变送器中的内部测量电路以及所述接口中的接口电路供电；所述接口还包括电源隔离模块以及通信隔离模块，所述电源隔离模块用于将内部测量电路的供电与外部电源隔离，所述通信隔离模块用于将所述接口与所述内部测量电路之间的通信和所述接口与外部电路之间的通信隔离，保证测量电路不受直接接触的干扰源的影响；

所述通信隔离模块包括集成电路U21，所述集成电路U21上设有与外部电路连接的多个外部通信引脚，所述外部通信引脚连接所述485通信模块，实现所述集成电路U21与外部电路之间的通信；所述集成电路U21上设有与内部测量电路连接的多个内部通信引脚，实现所述集成电路U21与内部测量电路之间的通信；所述集成电路U21上还设有内部电源接口引脚，保证在与内外部电路的通信过程中的电源隔离；

所述电源隔离模块包括集成电路U41，所述集成电路U41与外部电源连接，并将外部的12V工作电压转换成与外部电路隔离的5V工作电压，所述集成电路U41还与集成电路U42连接，所述集成电路U42将所述集成电路U41输出的5V工作电压转换成3.3V工作电压，所述集成电路U42连接所述集成电路U21上的所述内部电源接口引脚，为内部测量电路供电，实现电源隔离。

进一步地，所述传感器还包括带有静电屏蔽层的外壳，所述静电屏蔽层为一层铜膜，与地线连接，用于保证内部测量电路不受场干扰源的影响。

进一步地，所述集成电路U21上设有与外部电源连接的电源接口引脚，所述电源接口引脚用于连接集成电路U43，所述集成电路U43将外部12V的工作电压转换成5V的工作电压，为所述集成电路U21供电。

进一步地，所述变送器包括微控制器单元、以及与所述微控制器单元连接的信号调理电路、温度补偿电路、存储管理模块、基准电压电路，其中：

所述信号调理电路用于处理pH电极得到的电压信号，并将处理得到的电压信号传送至微控制器单元；所述微控制器单元利用所述存储管理模块对所述电压信号进行运算并转换成对应的pH测量值；所述存储管理模块对运算过程中的内存进行管理；所述温度补偿电路提供温度值的测量，用于对pH测量值进行补偿；所述基准电压电路为信号调理电路提供电压参考。

进一步地，所述集成电路U21上的所述内部通信引脚，连接所述微控制器单元。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：针对不同类型的干扰源分别采用不同的处理方式：对于直接接触的干扰源，比如电网波动、冲击电压/电流、雷电等，采用物理隔离的方式进行改进，物理隔离包括电源隔离以及通信隔离，确保内部测量系统与外界完全隔离；对于非直接接触的干扰源，比如静电等场干扰源，采用增加屏蔽层的方式。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的防干扰的数字pH传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的防干扰的数字pH传感器的静电屏蔽层示意图；

图3是本发明实施例1提供的防干扰的数字pH传感器的组成结构图；

图4是本发明实施例1提供的防干扰的数字pH传感器中的集成电路U21；

图5是本发明实施例1提供的防干扰的数字pH传感器中的集成电路U43；

图6是本发明实施例1提供的防干扰的数字pH传感器中的集成电路U41；

图7是本发明实施例1提供的防干扰的数字pH传感器中的集成电路U42；

图8是本发明应用例1提供的普通数字pH传感器的组成结构图；

图9是本发明应用例1提供的普通数字pH传感器的pH测量结果；

图10是本发明应用例1提供的防干扰的数字pH传感器的pH测量结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例1

请参考图1，本发明的实施例1提供了一种防干扰的数字pH传感器，包括pH电极1、电路板2、以及含有静电屏蔽层3的外壳4，其中，pH电极1将水体或溶液中的氢离子浓度转换成电压信号；电路板2连接pH电极1，用于将电压信号转换为对应的pH值，并实现与外界的通信；如图1、图2所示，静电屏蔽层3为铜膜，并与地线连接，用于保证测量电路不受静电等非直接接触的场干扰源的影响。

请参考图3，所述电路板2包括变送器21以及接口22，所述变送器21包括微控制器单元，以及与所述微控制器单元连接的信号调理电路、温度补偿电路、存储管理模块、基准电压电路；所述信号调理电路处理pH电极1得到的电压信号，并将处理得到的电压信号传送至微控制器单元；所述微控制器单元利用存储管理模块对所述电压信号进行运算并转换成对应的pH测量值，所述存储管理模块对运算过程中的内存进行管理；所述温度补偿电路提供温度值的测量，用于对pH测量值进行补偿；所述基准电压电路为信号调理电路提供电压参考。

所述接口22包括485通信模块、电源管理模块、电源隔离模块、通信隔离模块，其中，所述通信隔离模块、所述电源隔离模块与微控制单元连接，用于将变送器21中的内部测量电路与外界完全隔离开来，所述电源管理模块与外部电源连接，为变送器21中的内部测量电路以及接口22中的接口电路供电；所述485通信模块实现接口22与外部电路之间的通信；所述通信隔离模块以及485通信模块主要通过集成电路U21来实现，集成电路U21分别与内部测量电路、外部电路进行通信，将内外部通信分隔开来，实现通信隔离。

具体地，请参阅图4，U21中的引脚9、10、15、16为电源接口引脚，其中引脚9和引脚15接地，引脚10和引脚16与图5中的集成电路U43的引脚5连接；U43中的引脚1连接外部电源，将外部12V的工作电压转化为5V，由引脚5输出，为U21提供工作电压；U21中的引脚12、13为外部通信引脚，通过两个限流电阻R26、R25分别与485通信电路的总线连接，通过485通信模块实现U21与外部电路之间的通信；U21中的引脚3、4、5、6为内部通信引脚，与微控制器单元连接，实现U21与内部测量电路之间的通信；需要说明的是，将内外部通信分隔并不能做到完全的通信隔离，还需要保证内部测量电路的供电与外部电路分离，因此U21中还具有引脚1、2、8，为内部电源接口引脚，与图6、图7中的集成电路U41、U42连接，其中引脚1连接U42，引脚2和引脚8接地，集成电路U41、U42为内部测量电路供电，而U43直接连接外部电源为U21供电，保证了U21在与内外部电路的通信过程中的电源隔离。

另一方面，U41、U42也是实现电源隔离模块的主要电路，请参考图6，U41中引脚2通过电感线圈L41、电容C41、电容C42组成的滤波器与外部电源连接，引脚1接地，引脚6和引脚8分别输出±5V的工作电压，将外部的12V工作电压转换成与外部电压隔离的5V工作电压，再通过图7中的U42将U41输出的5V工作电压转换成3.3V工作电压，其中，U42的引脚1通过电感线圈L42、电容C45、电容C46组成的滤波器与U41的引脚6和引脚8连接，U42的引脚5输出3.3V的工作电压，U42的引脚5与U21中的引脚1连接，通过U21与微控制器单元连接，为内部测量电路供电，实现了内部测量电路与外部电路之间的电源隔离。

应用例1

利用实施例1提供的一种防干扰的数字pH传感器，对一水溶液进行pH值测量，并与普通型数字pH传感器的测量结果进行对比。所述普通型数字pH传感器的组成如图8所示，测量结果如图9所示，实际应用中存在各种干扰因素，比如供电电网的波动、大功率设备启停导致的冲击电压/电流、雷电等，通过直接接触的方式进入到测量电路中，而该普通型pH传感器不具备隔离功能，导致测量值出现了明显的跳变。

利用实施例1中的防干扰的数字pH传感器测量同一水溶液，测量结果见图10，并未出现跳变，说明实施例1提供的防干扰的数字pH传感器对直接接触的干扰源的改善效果明显。

应用例2

表1显示了静电屏蔽层的防干扰效果，分别对防干扰的数字pH传感器以及去除静电屏蔽层的防干扰的数字pH传感器增加额定静电干扰。表中结果显示，增加静电屏蔽层后，pH传感器受静电干扰的情况明显减弱。

表1

加额定静电干扰后的pH变化量	去除静电屏蔽层	防干扰的数字pH传感器
			实验1	1.42	0.04
实验2	1.79	0.03
			实验3	2.93	0.08

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。