全自動(dòng)自校準(zhǔn)電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)

作者：Robert Lee and Walt Kester

監(jiān)測(cè)水質(zhì)的重要性日益增加，導(dǎo)致許多相關(guān)傳感器和信號(hào)調(diào)理電路的發(fā)展。水質(zhì)是根據(jù)細(xì)菌計(jì)數(shù)、pH 值、化學(xué)含量、濁度和電導(dǎo)率來(lái)衡量的。所有水溶液都在一定程度上導(dǎo)電。在純水中加入鹽、酸或堿等電解質(zhì)可提高電導(dǎo)率并降低電阻率。本文重點(diǎn)介紹電導(dǎo)率測(cè)量。

純水不含大量電解質(zhì)，當(dāng)樣品受到施加的電壓時(shí)，僅傳導(dǎo)少量電流，因此其電導(dǎo)率較低。另一方面，樣品中的大量電解質(zhì)會(huì)導(dǎo)致更多的電流傳導(dǎo)——其電導(dǎo)率更高。

通常從電阻而不是電導(dǎo)的角度來(lái)思考，但兩者是相互的。材料或液體的電阻率ρ定義為材料立方體的電阻，該立方體在相對(duì)的表面上具有完全導(dǎo)電的觸點(diǎn)。其他形狀的電阻R可以通過(guò)下式計(jì)算

其中：
L 是觸點(diǎn)之間的距離。
A 是觸點(diǎn)的區(qū)域。

電阻率以 Ω 厘米為單位進(jìn)行測(cè)量。1 Ω cm 材料在 1 cm × cm × 1 cm 立方體的相對(duì)面上接觸時(shí)的電阻為 1 Ω。

電導(dǎo)只是電阻的倒數(shù)，電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。電導(dǎo)的測(cè)量單位是西門子（S），電導(dǎo)率的測(cè)量單位是S/cm、mS/cm或μS/cm。

就本文而言，Y 是以 S/cm、mS/cm 或 μS/cm 為單位測(cè)量的電導(dǎo)率的一般符號(hào)。然而，在許多情況下，為了方便起見(jiàn)，去掉了距離項(xiàng)，電導(dǎo)率簡(jiǎn)單地表示為S、mS或μS。

使用電導(dǎo)池測(cè)量電導(dǎo)率

電導(dǎo)率系統(tǒng)通過(guò)連接到傳感器（稱為電導(dǎo)池）的電子設(shè)備來(lái)測(cè)量電導(dǎo)率，該傳感器浸入溶液中，如圖1所示。

圖1.電導(dǎo)池和電子元件之間的接口（EVAL-CN0359-EB1Z）。

電子電路在傳感器上印上交流電壓，并測(cè)量產(chǎn)生的電流的大小，這與電導(dǎo)率有關(guān)。由于電導(dǎo)率具有較大的溫度系數(shù)（高達(dá)4%/°C），因此電路中集成了一個(gè)集成的溫度傳感器，以將讀數(shù)調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)溫度，通常為25°C （77°F）。測(cè)量溶液時(shí)，必須考慮水本身電導(dǎo)率的溫度系數(shù)。為了精確補(bǔ)償溫度，必須使用第二個(gè)溫度傳感器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

接觸式傳感器通常由兩個(gè)彼此絕緣的電極組成。電極，通常是316型不銹鋼，鈦鈀合金或石墨，具有特定的尺寸和間隔，以提供已知的電池常數(shù)。從理論上講，1.0/cm的電極常數(shù)描述了兩個(gè)電極，每個(gè)電極的大小為1cm2面積，相距1厘米。對(duì)于給定的操作范圍，電極常數(shù)必須與測(cè)量系統(tǒng)匹配。例如，如果在電導(dǎo)率為1μS/cm的純水中使用電極常數(shù)為1.0/cm的傳感器，則電池的電阻為1 MΩ。相反，海水中的同一電池具有30 Ω的阻力。由于電阻比如此之大，普通儀器很難僅用一個(gè)電極常數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量這種極端情況。

當(dāng)測(cè)量1μS/cm溶液時(shí)，電池配置有間隔一小段距離的大面積電極。例如，電池常數(shù)為 0.01/cm 的電池導(dǎo)致測(cè)得的電池電阻約為 10 kΩ，而不是 1 MΩ。精確測(cè)量 10 kΩ 比測(cè)量 1 MΩ 更容易;因此，通過(guò)使用具有不同電極常數(shù)的電極，測(cè)量?jī)x器可以在超純水和高電導(dǎo)率海水的相同電極電阻范圍內(nèi)工作。

電極常數(shù) K 定義為電極之間的距離 L 與電極面積 A 的比值：

然后，儀器測(cè)量電池電導(dǎo)率Y：

液體的電導(dǎo)率，YX，然后計(jì)算：

電導(dǎo)池有兩種類型：帶有兩個(gè)電極的電導(dǎo)池和帶有四個(gè)電極的電導(dǎo)池，如圖2所示。電極通常被稱為極點(diǎn)。

圖2.2 極和 4 極電導(dǎo)池。

2極傳感器更適合低電導(dǎo)率測(cè)量，如純化水以及各種生物和制藥液體。4極傳感器更適合高電導(dǎo)率測(cè)量，如廢水和海水分析。

2 極電池的電池常數(shù)范圍約為 0.1/cm 至 1/cm，4 極電池的電池常數(shù)范圍為 1/cm 至 10/cm。

4極電池消除了電極極化和場(chǎng)效應(yīng)引入的誤差，這些誤差會(huì)干擾測(cè)量。

電極的實(shí)際配置可以是平行環(huán)、同軸導(dǎo)體或其他電極，而不是圖2所示的簡(jiǎn)單平行板。

無(wú)論電池類型如何，重要的是不要向任何電極施加直流電壓，因?yàn)橐后w中的離子會(huì)積聚在電極表面上，從而導(dǎo)致極化、測(cè)量誤差和電極損壞。

對(duì)于帶有屏蔽的傳感器，請(qǐng)?zhí)貏e注意，例如同軸傳感器。屏蔽必須連接到與盛放液體的金屬容器相同的電位。如果容器接地，則必須將屏蔽連接到電路板接地。

最后的預(yù)防措施是不要超過(guò)電池的額定激勵(lì)電壓或電流。以下電路允許100 mV至10 V的可編程激勵(lì)電壓，R23 （1 kΩ）串聯(lián)電阻將最大電池電流限制為10 mA。

電路說(shuō)明

圖3所示電路是一個(gè)完全獨(dú)立的、微處理器控制的高精度電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)，非常適合測(cè)量液體的離子含量、水質(zhì)分析、工業(yè)質(zhì)量控制和化學(xué)分析。

精心挑選的精密信號(hào)調(diào)理組件組合可在0.1 μS至10 S（10 MΩ至0.1 Ω）的電導(dǎo)率范圍內(nèi)產(chǎn)生優(yōu)于0.3%的精度，無(wú)需校準(zhǔn)。

為 100 Ω 或 1000 Ω鉑 （Pt） 電阻溫度器件 （RTD） 提供自動(dòng)檢測(cè)，允許電導(dǎo)率測(cè)量參考室溫。

該系統(tǒng)可容納 2 線或 4 線電導(dǎo)池，以及 2 線、3 線或 4 線 RTD，以提高精度和靈活性。

該電路以最小的直流失調(diào)產(chǎn)生精確的交流激勵(lì)電壓，以避免電導(dǎo)電極上的極化電壓損壞。交流激勵(lì)的幅度和頻率可由用戶編程。

創(chuàng)新的同步采樣技術(shù)將激勵(lì)電壓和電流的峰峰值幅度轉(zhuǎn)換為直流值，以便使用精密模擬微控制器中包含的雙通道24位Σ-Δ ADC進(jìn)行精確和輕松處理。

直觀的用戶界面是LCD顯示屏和編碼器按鈕。如果需要，該電路可以使用RS-485接口與PC通信，并采用4 V至7 V單電源供電。

圖3.高性能電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）。

電導(dǎo)池的激勵(lì)方波是通過(guò)使用ADuCM360微控制器的PWM輸出在+VEXC和?VEXC電壓之間切換ADG1419產(chǎn)生的。重要的是，方波具有精確的50%占空比和非常低的直流偏移。即使是很小的直流偏移也會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)損壞電池。

+VEXC和?VEXC電壓由運(yùn)算放大器ADA4077-2（U9A和U9B）產(chǎn)生，其幅度由ADuCM360的DAC輸出控制，如圖4所示。

圖4.激勵(lì)電壓源。

ADA4077-2的典型失調(diào)電壓為15 μV（A級(jí)）、0.4 nA偏置電流、0.1 nA失調(diào)電流和高達(dá)±10 mA的輸出電流，壓差小于1.2 V。U9A運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益為8.33，可將ADuCM360內(nèi)部DAC輸出（0 V至1.2 V）轉(zhuǎn)換為0 V至10 V的+VEXC電壓。U9B 運(yùn)算放大器反相 +VEXC 并產(chǎn)生 ?VEXC 電壓。選擇 R22 使得 R22 = R24||R27實(shí)現(xiàn)一階偏置電流消除。U9A的15 μV失調(diào)電壓引起的誤差約為（2 × 15 μV），÷10 V = 3 ppm。因此，反相級(jí)引入的主要誤差是R24和R27之間的電阻匹配誤差。

ADG1419是一款2.1 Ω導(dǎo)通電阻SPDT模擬開(kāi)關(guān)，在±10 V范圍內(nèi)具有50 mΩ的導(dǎo)通電阻平坦度，非常適合從±VEXC電壓產(chǎn)生對(duì)稱方波。ADG1419引入的對(duì)稱誤差典型值為50 mΩ÷1 kΩ = 50 ppm。電阻R23將通過(guò)傳感器的最大電流限制為10 V/1 kΩ = 10 mA。

施加到電池的電壓V1由AD8253儀表放大器（U15）測(cè)量。U15的正輸入由ADA4000-1 （U14）緩沖。之所以選擇ADA4000-1，是因?yàn)槠淦秒娏鲀H為5 pA，可將測(cè)量與低電導(dǎo)率相關(guān)的低電流誤差降至最低。AD8253的負(fù)輸入不需要緩沖。

U14和U15的失調(diào)電壓由同步采樣級(jí)消除，不影響測(cè)量精度。

U15和U18是AD8253 10 MHz、20 V/μs、可編程增益（G = 1、10、100、1000）儀表放大器，增益誤差小于0.04%。當(dāng)G = 1000時(shí)，AD8253的壓擺率為20 V/μs，建立時(shí)間為1.8 μs至0.001%。其共模抑制典型值為120 dB。

U19 （ADA4627-1） 級(jí)是一款精密電流電壓轉(zhuǎn)換器，可將通過(guò)傳感器的電流轉(zhuǎn)換為電壓。ADA4627-1的失調(diào)電壓為120 μV（典型值，A級(jí)），偏置電流為1 pA（典型值），壓擺率為40 V/μs，建立時(shí)間為550 ns至0.01%。低偏置電流和失調(diào)電壓使其成為該級(jí)的理想選擇。120 μV失調(diào)誤差產(chǎn)生的對(duì)稱誤差僅為120 μV/10 V = 12 ppm。

U22A和U22B （AD8542）緩沖器分別為U18和U15儀表放大器提供1.65 V基準(zhǔn)電壓源。

以下是電壓通道中信號(hào)路徑其余部分（U17A、U17B、U10、U13、U12A 和 U12B）的說(shuō)明。當(dāng)前通道（U17C、U17D、U16、U21、U20A 和 U20B）的操作是相同的。

ADuCM360為ADG1419開(kāi)關(guān)產(chǎn)生PWM0方波開(kāi)關(guān)信號(hào)，為同步采樣級(jí)生成PWM1和PWM2同步信號(hào)。電池電壓和三個(gè)時(shí)序波形如圖5所示。

圖5.電池電壓和采樣保持定時(shí)信號(hào)。

AD8253的放大器輸出（U15）驅(qū)動(dòng)兩個(gè)并聯(lián)的采樣保持電路，該電路由ADG1211開(kāi)關(guān)（U17A/U17B）、串聯(lián)電阻（R34/R36）、保持電容（C50/C73）和單位增益緩沖器（U10/U13）組成。

ADG1211是一款低電荷注入、四通道SPST模擬開(kāi)關(guān)，采用±15 V電源供電，輸入信號(hào)高達(dá)±10 V。開(kāi)關(guān)引起的最大電荷注入為4 pC，÷4.7 μF = 0.9 μV時(shí)，產(chǎn)生的電壓誤差僅為4 pC。

PWM1信號(hào)使U10采樣保持緩沖器跟蹤傳感器電壓的負(fù)周期，然后將其保持到下一個(gè)跟蹤周期。因此，U10采樣保持緩沖器的輸出是對(duì)應(yīng)于傳感器電壓方波負(fù)幅度的直流電平。

類似地，PWM2信號(hào)使U13采樣保持緩沖器跟蹤傳感器電壓的正周期，然后將其保持到下一個(gè)跟蹤周期。因此，U13采樣保持緩沖器的輸出是對(duì)應(yīng)于傳感器電壓方波正幅度的直流電平。

采樣保持緩沖器（ADA4638-1）的偏置電流典型值為45 pA，ADG1211開(kāi)關(guān)的漏電流典型值為20 pA。因此，4.7 μF保持電容上的最差情況漏電流為65 pA。對(duì)于 100 Hz 激勵(lì)頻率，周期為 10 ms。由于65 pA漏電流，超過(guò)周期（5 ms）的一半（5 ms）的壓降為（65 pA×5 ms），÷4.7 μF = 0.07 μV。

零漂移放大器ADA4638-1的失調(diào)電壓典型值僅為0.5 μV，誤差可以忽略不計(jì)。

ADC之前信號(hào)鏈的最后階段是ADA4528-2反相衰減器（U12A和U12B），其增益為?0.16，共模輸出電壓為+1.65 V。ADA4528-2的典型失調(diào)電壓為0.3 μV，因此誤差可以忽略不計(jì)。

衰減器級(jí)將±10 V最大信號(hào)降至±1.6 V，共模電壓為1.65 V。該范圍與ADuCM360 ADC輸入的輸入范圍兼容，對(duì)于3.3 V的AVDD電源，該輸入范圍為0 V至3.3 V （1.65 V± 1.65 V）。

衰減器級(jí)還提供噪聲濾波，?3 dB頻率約為198 kHz。

電壓通道VOUT1的差分輸出施加于ADuCM360的AIN2和AIN3輸入。電流通道VOUT2的差分輸出施加于ADuCM360的AIN0和AIN1輸入。

兩個(gè)輸出的方程由下式給出

電池電流由下式給出

The V2P-P電壓由下式給出

求解方程 8 for IP-P代入公式 7 得到 Y 的以下結(jié)果X:

求解V1的公式5和公式6P-P和 V2P-P代入公式9得到如下結(jié)果：

公式11顯示，電導(dǎo)率測(cè)量取決于G1、G2和R47，以及VOUT2與VOUT1的比值。因此，ADuCM360中的ADC不需要精密基準(zhǔn)電壓源。

AD8253增益誤差（G1和G2）最大值為0.04%，R47被選為容差為0.1%的電阻。

由此，VOUT1和VOUT2信號(hào)鏈中的電阻決定了整個(gè)系統(tǒng)的精度。

軟件按如下方式設(shè)置每個(gè)AD8253的增益：

如果ADC代碼超過(guò)滿量程的94%，則AD8253的增益在下一個(gè)采樣時(shí)降低10倍。

如果ADC代碼小于滿量程的8.8%，則AD8253的增益在下一個(gè)采樣時(shí)增加10倍。

系統(tǒng)精度測(cè)量

以下四個(gè)電阻會(huì)影響VOUT1電壓通道的精度：R19、R20、R29和R31。

以下五個(gè)電阻會(huì)影響VOUT2電流通道的精度：R47、R37、R38、R48和R52。

假設(shè)所有9個(gè)電阻的容差均為0.1%，包括AD8253的0.04%增益誤差，則最差情況誤差分析的容差約為0.6%。該分析包含在CN-0359設(shè)計(jì)支持包中。

實(shí)際上，電阻更有可能以RSS方式組合，正或負(fù)信號(hào)鏈中的電阻容差引起的RSS誤差為√5×0.1% = 0.22%。

使用1 Ω至1 MΩ（1 S至1 μS）的精密電阻進(jìn)行精度測(cè)量，以模擬電導(dǎo)池。圖6顯示了結(jié)果，最大誤差小于0.1%。

圖6.系統(tǒng)誤差 （%） 與電導(dǎo)率的關(guān)系為 1 μS 至 1 S。

熱電阻測(cè)量

電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)的精度取決于其溫度補(bǔ)償。由于常見(jiàn)的溶液溫度系數(shù)變化在1%/°C到3%/°C或更多之間，因此必須使用具有可調(diào)溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量?jī)x器。溶液溫度系數(shù)在某種程度上是非線性的，通常也隨實(shí)際電導(dǎo)率而變化。因此，在實(shí)際測(cè)量溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)可產(chǎn)生最佳精度。

ADuCM360內(nèi)置兩個(gè)匹配的軟件可配置激勵(lì)電流源。它們可單獨(dú)配置，以提供 10 μA 至 1 mA 的電流輸出，匹配優(yōu)于 0.5%。電流源使ADuCM360能夠輕松對(duì)Pt100或Pt1000 RTD進(jìn)行2線、3線或4線測(cè)量。該軟件還會(huì)自動(dòng)檢測(cè)RTD是Pt100還是Pt1000。

以下討論顯示了不同RTD配置如何工作的簡(jiǎn)化原理圖。所有模式切換均在軟件中完成，無(wú)需更改外部跳線設(shè)置。

圖7顯示了4線RTD的配置。

圖7.4線RTD連接的配置。

通往遠(yuǎn)程RTD的每個(gè)引線中的寄生電阻顯示為RP.激勵(lì)電流（IEXC）通過(guò)精密1.5 kΩ電阻和RTD。片內(nèi)ADC測(cè)量RTD （V6 – V5）兩端的電壓，并使用R13 （V7 – V8）兩端的電壓作為基準(zhǔn)。

重要的是選擇R13電阻和IEXC激勵(lì)電流值，使ADuCM360在AIN7上的最大輸入電壓不超過(guò)AVDD ? 1.1 V;否則，IEXC 電流源將無(wú)法正常工作。

RTD 電壓使用連接到 AIN6 和 AIN5 的兩根檢測(cè)引線精確測(cè)量。輸入阻抗約為2 MΩ（無(wú)緩沖模式，PGA增益= 1），流過(guò)檢測(cè)引線電阻的電流產(chǎn)生的誤差最小。然后，ADC測(cè)量RTD電壓（V6 ? V5）。

RTD電阻的計(jì)算公式為：

測(cè)量是比率式的，不依賴于精確的外部基準(zhǔn)電壓，僅取決于1.5 kΩ電阻的容差。此外，4線配置消除了與引線電阻相關(guān)的誤差。

ADuCM360具有緩沖或無(wú)緩沖輸入選項(xiàng)。如果激活內(nèi)部緩沖器，輸入電壓必須大于100 mV。1 kΩ/36 Ω電阻分壓器為RTD提供115 mV偏置電壓，允許緩沖工作。在無(wú)緩沖模式下，J3的4端子可以接地并連接到接地屏蔽以降低噪聲。

3線連接是另一種常用的RTD配置，可消除引線電阻誤差，如圖8所示。

圖8.3線RTD連接的配置。

第二個(gè)匹配的 IEXC 電流源 （AIN5/IEXC） 在與端子 3 串聯(lián)的引線電阻兩端產(chǎn)生電壓，以抵消與端子 1 串聯(lián)的引線電阻兩端的電壓降。因此，測(cè)得的V8 ? V5電壓沒(méi)有引線電阻誤差。

圖9顯示了2線RTD配置，其中沒(méi)有引線電阻補(bǔ)償。

圖9.2線RTD連接的配置。

2線配置是成本最低的電路，適用于不太重要的應(yīng)用、短RTD連接和更高電阻的RTD，如Pt1000。

電源電路

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)要求，所有必需的電壓（±15 V和+3.3 V）均由4 V至7 V單電源產(chǎn)生，如圖10所示。

ADP2300降壓穩(wěn)壓器為電路板產(chǎn)生3.3 V電源。該設(shè)計(jì)基于可下載的ADP230x降壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)工具（zip）。

ADP1613升壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生+15 V穩(wěn)壓電源和非穩(wěn)壓?15 V電源。?15 V電源由電荷泵產(chǎn)生。該設(shè)計(jì)基于ADP161x升壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)工具（zip）。

使用適當(dāng)?shù)牟季趾徒拥丶夹g(shù)，以防止開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器噪聲耦合到模擬電路中。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱線性電路設(shè)計(jì)手冊(cè)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊(cè)、MT-031 教程和 MT-101 教程。

圖 10.電源電路。

圖11顯示了LCD背光驅(qū)動(dòng)電路。

圖 11.液晶背光驅(qū)動(dòng)器。

AD8592運(yùn)算放大器的每一半都充當(dāng)60 mA電流源，為L(zhǎng)CD背光電流供電。AD8592的拉電流和吸收電流高達(dá)250 mA，100 nF電容可確保軟啟動(dòng)。

硬件、軟件和用戶界面

包括軟件在內(nèi)的完整電路可作為實(shí)驗(yàn)室參考設(shè)計(jì)中的CN-0359電路提供。電路板 EVAL-CN0359-EB1Z 預(yù)裝了進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量所需的代碼。實(shí)際代碼可在CN-0359設(shè)計(jì)支持包的CN0359-SourceCode.zip文件中找到。

用戶界面直觀且易于使用。所有用戶輸入均來(lái)自雙功能按鈕/旋轉(zhuǎn)編碼器旋鈕。編碼器旋鈕可以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（無(wú)機(jī)械停止），也可以用作按鈕。

圖 12 是 EVAL-CN0359-EB1Z 板的照片，顯示了 LCD 顯示屏和編碼器旋鈕的位置。

圖 12.EVAL-CN0359-EB1Z 板的照片顯示了測(cè)量模式下的主屏幕。

連接后，電導(dǎo)池和RTD板通電。液晶屏如圖12所示。

編碼器旋鈕用于輸入激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率、電導(dǎo)池的溫度系數(shù)、電極常數(shù)、建立時(shí)間、保持時(shí)間、RS-485波特率和地址、LCD對(duì)比度等。圖13顯示了一些LCD顯示屏。

圖 13.液晶顯示屏。

EVAL-CN0359-EB1Z設(shè)計(jì)為由EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6 V電源供電。EVAL-CN0359-EB1Z 只需要電源、外部電導(dǎo)池和 RTD 即可運(yùn)行。

EVAL-CN0359-EB1Z還具有RS-485連接器J2，允許外部PC與電路板連接。連接器J4是一個(gè)JTAG/SWD接口，用于對(duì)ADuCM360進(jìn)行編程和調(diào)試。

圖 14 是典型的 PC 連接圖，顯示了 RS-485 到 USB 適配器。

圖 14.測(cè)試設(shè)置功能圖。

總結(jié)

本文所述的電路基于ADI公司的CN-0359參考設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷