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模拟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