用温度补偿测量土壤水分和pH值的简单方法

本文介绍了如何测量土壤水分和 pH 值，以及如何使用它，例如，实现有效的植物生长。

图 1 所示电路是一款单电源、低功耗、高精度完整的土壤湿度和 pH 测量解决方案，包括温度补偿。来自三个独立测量部分的每个interwetten与威廉的赔率体系 传感器的测量值被馈送到模数转换器 （ADC），然后以数字形式将它们转发到微控制器以进行进一步的信号处理。适合 ADC 的一个很好的例子是 Analog Devices， Inc. （ADI） 的 24 位 Σ-Δ ADC AD7124，它是一款用于高精度测量应用的完全集成的低噪声模拟前端。其输入可配置为差分或单端/伪差分输入。此外，AD7124 具有可编程放大器级，以确保可以直接连接小幅度信号。

图 1. 土壤湿度、pH 和温度测量的简化电路。

pH值的测量

由于 pH 传感器通常具有高阻抗输出（约 1 GΩ），因此无法驱动 ADC 输入，因此还需要一个高精度运算放大器来缓冲传感器输出。由于传感器的高输出阻抗，低运算放大器输入偏置电流对于最小化偏移误差很重要。在本电路设计中，使用了ADA4661-2轨到轨运算放大器。pH 传感器的输出是双极性的，最大信号为 ±414 mV。AD7124 的内部失调发生器可用于将其输入的共模电压设置为 AVDD/2，从而在传感器输出端产生 AVDD/2 ± 414 mV。

组件的噪声特性也会影响测量系统的分辨率。AD7124 的有效噪声（全功率模式，增益 = 1，输出数据速率 = 25 SPS）为 VNOISE，EFF = 570 nV，因此峰峰值为 VNOISE，PP = 3.76 μV （6.6 ×噪声，EFF）。ADA4661-2 的噪声分量 VNOISE， PP = 3 μV 被添加到其中，产生 VNOISE， PP， TOTAL = 4.8 μV 的总噪声。对于 6.6 V 的 ADC 最大输入电压范围，这会产生以下无噪声分辨率：

等式 1。

土壤水分测量

今天常用的土壤湿度传感器通常是电容式的，通过介电常数测量水分含量。由于水的介电常数比土壤中的其他元素高得多，因此传感器可以通过电容变化检测到水含量的变化。图 1 所示电路使用 3 线传感器（电源、接地和电压输出）。为了最大限度地降低功耗，传感器大部分时间处于睡眠模式，只有在需要测量时才通过 VSENSOR 激活。

关于噪声行为，与 pH 测量相比，无噪声分辨率略高，因为传感器直接连接到 ADC：

等式 2。

温度测量

由于电极涂层和老化过程，pH 传感器的行为随时间而变化。为了保持最大精度，定期校准是必不可少的。为此，通常测量已知液体并将其与 NIST 参考表中给出的相应温度的 pH 值进行比较，该参考表应包含在软件中。温度测量使用 3 线电阻温度检测器 （RTD） 执行，如图 2 所示。由于 AD7124 的可编程激励电流源，RTD 可以直接连接到 ADC （IOUT1、IOUT2）。

图 2. RTD 温度测量电路。

结论

使用所示电路，可以相对容易地测量土壤水分和 pH 值。由于 pH 传感器对温度的依赖性很强，因此需要通过额外的温度测量进行温度补偿。

审核编辑：郭婷