全自動自校準電導(dǎo)率測量系統(tǒng)

Fully AutomaTIc Self-Calibrated ConducTIvity Measurement System

全自動自校準電導(dǎo)率測量系統(tǒng)

作者：Robert Lee 和Walt Kester

簡介

隨著水質(zhì)監(jiān)測變得日益重要，人們開發(fā)了多種相關(guān)傳感器和信號調(diào)理電路。水質(zhì)的測量指標包括細菌數(shù)、pH值、化學(xué)成分、濁度和電導(dǎo)率。所有水溶液都在一定程度上導(dǎo)電。向純水中添加電解質(zhì)，例如鹽、酸或堿，可以提高電導(dǎo)率并降低電阻率。本文重點討論電導(dǎo)率測量。

純水中不包含大量電解質(zhì)，當樣本處于一定的電壓下時，只能傳導(dǎo)很小的電流 — 因此它的電導(dǎo)率很低。相反，如果樣本中存在大量電解質(zhì)，將會傳導(dǎo)更多電流 — 它的電導(dǎo)率更高。

我們更多從電阻而不是電導(dǎo)的角度來看待導(dǎo)電能力，但兩者互為倒數(shù)。材料或液體的電阻率ρ定義為：當立方體形狀的材料相對面完全導(dǎo)電接觸時，該材料的電阻。其他形狀材料的電阻R可按以下方式計算：

R = ρ L /A （1）

其中：

L 是接觸面間距。

A 是接觸面積。

電阻率的測量單位為? cm。當接觸1 cm &TImes; 1 cm &TImes; 1 cm 立方體的向?qū)γ鏁r，1 ? cm材料的電阻為1 ?。

電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。電導(dǎo)的測量單位為西門子（S），電導(dǎo)率的測量單位為S/cm、mS/cm或μS/cm。

在本文中，Y為電導(dǎo)率的通用符號，測量單位為S/cm、mS/cm或µS/cm。但在很多情況下，為方便起見，我們會省略距離項，電導(dǎo)率僅表示為S、mS或µS。

使用電導(dǎo)池測量電導(dǎo)率

電導(dǎo)率測量電路通過連接到沉浸在溶液中的傳感器（稱為電導(dǎo)池）來測量電導(dǎo)率，如圖1所示。

圖1.電導(dǎo)池與電導(dǎo)率測量電路的連接（EVAL-CN0359-EB1Z）

測量電路對傳感器施加交流電壓，并測量產(chǎn)生的電流大小，電流與電導(dǎo)率相關(guān)。由于電導(dǎo)率具有很大溫度系數(shù)（最高達到4%/°C），因此電路中集成了必需的溫度傳感器，用于將讀數(shù)調(diào)整為標準溫度，通常為25°C （77°F）。對溶液進行測量時，必須考慮水本身的電導(dǎo)率的溫度系數(shù)。為了精確地補償溫度，必須使用額外的溫度傳感器和補償網(wǎng)絡(luò)。

接觸型傳感器通常包括相互絕緣的兩個電極。電極通常為316型不銹鋼、鈦鈀合金或石墨，具有特定的大小和間距，以提供已知的電極常數(shù)。從理論上說，1.0/cm的電極常數(shù)表示兩個電極，每個電極面積為1 cm2，間距為1 cm。對于特定的工作范圍，電極常數(shù)必須與測量系統(tǒng)相匹配。例如，如果在電導(dǎo)率為1 µS/cm的純水中使用電極常數(shù)為1.0/cm的傳感器，則電導(dǎo)池的電阻為1 MΩ。相反，相同電導(dǎo)池在海水中的電阻為30 Ω。由于電阻變化范圍過大，普通儀器很難在單一電極常數(shù)情況下精確測量此類極端情況。

對1 µS/cm溶液進行測量時，電導(dǎo)池配置了大面積電極，相距很小的電極間距。例如，對于電導(dǎo)池常數(shù)為0.01/cm的電導(dǎo)池，其電導(dǎo)池電阻測量值約為10 k?，而非1 MΩ。精確測量10 k?比測量1 M?更加容易；因此，對于超純水和高電導(dǎo)率海水，使用具有不同電極常數(shù)的電導(dǎo)池，測量儀表可在相同的電導(dǎo)池電阻范圍內(nèi)工作。

電極常數(shù)K定義為電極之間距離L與電極面積A的比值：

K = L/A （2）

然后，儀器測量電導(dǎo)池電導(dǎo)Y：

Y = I/V （3）

液體電導(dǎo)率YX可計算如下：

YX = K × Y （4）

有兩類電導(dǎo)池：一類采用兩個電極，另一類采用四個電極，如圖2所示。電極通常稱為極。

圖2.雙極和四極電導(dǎo)池。

雙極傳感器比較適合低電導(dǎo)率測量時使用，比如純凈水和各種生物與醫(yī)藥液體四極傳感器更適合高電導(dǎo)率測量，比如廢水和海水分析。

雙極電導(dǎo)池的電極常數(shù)范圍大致是從0.1/cm到1/cm，而四極電導(dǎo)池的電極常數(shù)范圍是從1/cm到10/cm。

四極電導(dǎo)池可以消除電極極化和電場效應(yīng)引起的誤差；這些誤差可能會干擾測量。

電極的實際配置可以是平行環(huán)、同軸導(dǎo)體等，而不會是如圖2所示的簡單平行板。

無論電導(dǎo)池為何種類型，都不可在電極上施加直流電壓，因為液體中的離子會在電極表面聚集，從而導(dǎo)致極化效應(yīng)并產(chǎn)生測量誤差，更有可能損壞電極。

若采用同軸傳感器，則應(yīng)當注意傳感器的屏蔽。屏蔽電極必須連接與盛放液體的金屬容器相同的電位。如果容器接地，則屏蔽電極必須連接電路板的接地端。

另外需要保證激勵信號不要超過電導(dǎo)池激勵電壓或激勵電流的額定值。電路允許的可編程激勵電壓范圍為100 mV至10 V，并且R23 （1 kΩ）串聯(lián)電阻將最大電導(dǎo)池電流限制為10 mA。

電路描述

圖3中的電路是一個完全獨立運行、微處理器控制的高精度電導(dǎo)率測量系統(tǒng)，適用于測量液體的離子含量、水質(zhì)分析、工業(yè)質(zhì)量控制以及化學(xué)分析。

經(jīng)過仔細選擇的精密信號調(diào)理元件組合可在0.1 µS至10 S（10 M?至0.1 ?）電導(dǎo)率范圍內(nèi)提供優(yōu)于0.3%的精度，且無需校準。

針對100 ?或1000 ?鉑（Pt）電阻溫度傳感器（RTD）提供自動檢測功能，允許以室溫為參考測量電導(dǎo)率。

系統(tǒng)支持雙線式或四線式電導(dǎo)池以及雙線式、三線式或四線式RTD，以提高精度和靈活性。

該電路能以極小的直流失調(diào)產(chǎn)生精確交流激勵電壓，從而避免電導(dǎo)電極上的極化電壓造成損害。用戶可編程控制交流激勵信號的幅度和頻率。

創(chuàng)新的同步采樣技術(shù)可將激勵電壓和電流的峰峰值幅度轉(zhuǎn)化為直流值，這樣不僅提升了精度，同時簡化了內(nèi)置于精密模擬微控制器的雙通道24位Σ-Δ型ADC對于信號的處理。

采用LCD顯示器和編碼器按鈕實現(xiàn)直觀的用戶界面。該電路可以按需使用RS-485接口實現(xiàn)與PC的通信，并采用4 V至7 V單電源供電。

電導(dǎo)池的激勵方波通過使用ADuCM360 微控制器的PWM輸出在+VEXC和−VEXC電壓之間切換ADG1419產(chǎn)生。方波必須具有精確的50%占空比和極低的直流失調(diào)電壓。哪怕很小的直流失調(diào)電壓都會在一段時間之后損壞電導(dǎo)池。

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

+VEXC和−VEXC電壓由ADA4077-2運算放大器（U9A和U9B）產(chǎn)生，這兩個電壓的幅度由ADuCM360的DAC輸出控制，如圖4所示。

圖4.激勵電壓源。

ADA4077-2的失調(diào)電壓典型值為15 µV（A級），偏置電流為0.4 nA，失調(diào)電流為0.1 nA，輸出電流最高為±10 mA，壓差低于1.2 V。U9A運算放大器的閉環(huán)增益為8.33，可將ADuCM360的內(nèi)部DAC輸出（0 V至1.2 V）轉(zhuǎn)換為0 V至10 V范圍的+VEXC電壓。U9B運算放大器反轉(zhuǎn)+VEXC，產(chǎn)生−VEXC電壓。選擇R22，使得R22 = R24||R27，以便消除一階偏置電流。由U9A的15 µV失調(diào)電壓產(chǎn)生的誤差約為（2 × 15 µV） ÷ 10 V = 3 ppm。因此，反相級產(chǎn)生的主要誤差是R24和R27之間的電阻匹配誤差。

ADG1419是一個2.1 ?導(dǎo)通電阻單刀雙擲模擬開關(guān)，在±10 V范圍內(nèi)的導(dǎo)通電阻平坦度為50 m?，非常適合從±EXC電壓產(chǎn)生對稱方波信號。ADG1419導(dǎo)致的對稱誤差通常為50 m? ÷1 k? = 50 ppm。電阻R23將通過傳感器的最大電流限制為10 V/1 k? = 10 mA。

施加到電導(dǎo)池上的電壓V1采用AD8253儀表放大器（U15）進行測量。U15正輸入由ADA4000-1 （U14）緩沖。選擇ADA4000-1是因為它具有5 pA低偏置電流，可最大幅減少低電導(dǎo)率相關(guān)的低電流測量誤差。AD8253的負輸入不需要緩沖。

同步采樣級可以消除U14和U15的失調(diào)電壓，從而不影響測量精度。

U15和U18采用AD8253 10 MHz、20 V/µs、可編程增益（G = 1、10、100、1000）儀表放大器，增益誤差低于0.04%。AD8253壓擺率為20 V/µs，0.001%建立時間為1.8 µs（G = 1000）。其共模抑制典型值為120 dB。

U19 （ADA4627-1）級是一個精密電流-電壓轉(zhuǎn)換器，可將流過傳感器的電流轉(zhuǎn)換為電壓。ADA4627-1失調(diào)電壓為120 µV（典型值，A級），偏置電流為1 pA（典型值），壓擺率為40 V/µs，0.01%建立時間為550 ns。這款器件的低偏置電流和低失調(diào)電壓性能使其成為該級的理想選擇。120 µV失調(diào)誤差產(chǎn)生的對稱誤差僅為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基準電壓。

下面介紹電壓通道信號路徑上的其余器件（U17A、U17B、U10、U13、U12A和U12B）。電流通道（U17C、U17D、U16、U21、U20A和U20B）的工作情況相同。

ADuCM360能產(chǎn)生PWM0方波開關(guān)信號以供ADG1419開關(guān)使用，并且還能產(chǎn)生PWM1和PWM2同步信號供同步采樣級使用。電導(dǎo)池的電壓和三個時序波形如圖5所示。

圖5.電導(dǎo)池電壓和采樣保持時序信號。

AD8253儀表放大器（U15）輸出驅(qū)動兩個并行的采樣保持電路；這兩個電路由ADG1211開關(guān)（U17A/U17B）、串聯(lián)電阻（R34/R36）、保持電容（C50/C73）以及單位增益緩沖器（U10/U13）組成。

ADG1211是一個低電荷注入、四通道單刀單擲模擬開關(guān)，工作電源電壓為±15 V，輸入信號最高可達±10 V。開關(guān)導(dǎo)致的最大電荷注入為4 pC，產(chǎn)生的電壓誤差僅為4 pC ÷ 4.7 µF = 0.9 µV。

PWM1信號使U10采樣保持緩沖器可在傳感器電壓的負周期采樣，然后保持直至下一個采樣周期。因此，U10采樣保持緩沖器輸出等于傳感器電壓方波負幅值對應(yīng)的直流電平。

類似地，PWM2信號使U13采樣保持緩沖器可在傳感器電壓的正周期采樣，然后保持直至下一個采樣周期。因此，U13采樣保持緩沖器輸出等于傳感器電壓方波正幅值對應(yīng)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，而ADG1211開關(guān)的漏電流典型值為20 pA。因此，4.7 µF保持電容的最差情況漏電流為65 pA。對于100 Hz激勵頻率而言，周期為10 ms。由于65 pA漏電流而導(dǎo)致的半周期（5 ms）內(nèi)壓降為（65 pA × 5 ms） ÷ 4.7 µF = 0.07 µV。

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

信號鏈上位于ADC前面的最后一級是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的失調(diào)電壓典型值為0.3 µV，因此誤差貢獻可以忽略不計。

衰減器級可將±10 V最大信號降低為±1.6 V，共模電壓為1.65 V。該范圍為與ADuCM360 ADC輸入范圍相當，即采用3.3 V AVDD電源時為0 V至3.3 V （1.65 V ± 1.65 V）。

衰減器級同樣提供噪聲過濾功能，其−3 dB頻率約為198 kHz。

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

計算輸出的兩個等式如下所示：

電導(dǎo)池電流由下式確定：

V2P-P電壓由下式確定：

求解等式8的IP-P，然后代入等式7，求得YX：

求解等式5和等式6的V1P-P和V2P-P，然后代入等式9，求得：

等式11顯示電導(dǎo)率測量取決于G1、G2和R47，以及VOUT2和VOUT1的比值。因此，ADuCM360內(nèi)置的ADC無需使用精密基準電壓源。

AD8253增益誤差（G1和G2）最大值為0.04%，并且R47選擇0.1%容差的電阻。

從該點開始，VOUT1和VOUT2信號鏈的電阻便決定了總系統(tǒng)精度。

軟件對每個AD8253的增益按如下所述進行設(shè)置：

? 如果ADC代碼超過滿量程的94%，則AD8253的增益在下一個采樣減少10倍。

? 如果ADC代碼低于滿量程的8.8%，則AD8253的增益在下一個采樣增加10倍。

系統(tǒng)精度測量

下列4個電阻影響VOUT1電壓通道的精度：R19、R20、R29和R31。

下列5個電阻影響VOUT2電流通道的精度：R47、R37、R38、R48和R52。

假設(shè)所有9個電阻均為0.1%容差并包括AD8253的0.04%增益誤差，則最差情況下的誤差分析表明誤差約為0.6%。分析內(nèi)容在CN-0359設(shè)計支持包中。

在實際應(yīng)用中，電阻誤差更有可能采取RSS方式進行組合，且正或負信號鏈上的電阻容差導(dǎo)致的RSS誤差為√5 × 0.1% = 0.22%。

使用1 Ω至1 MΩ（1 S至1 μS）精密電阻進行精度測量，以仿真電導(dǎo)池。圖6顯示了結(jié)果，最大誤差不到0.1%。

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

RTD測量

電導(dǎo)率測量系統(tǒng)精度只有經(jīng)過溫度補償才能達到最佳。由于常見溶液溫度系數(shù)在1%/°C至3%/°C或更高值之間變化，因此必須使用帶有可調(diào)溫度補償?shù)臏y量儀器。溶液溫度系數(shù)在某種程度上是非線性的，通常還隨著實際電導(dǎo)率變化。因此，在實際測量溫度下進行校準可以達到最佳精度。

ADuCM360內(nèi)置兩個匹配的軟件可配置激勵電流源。它們可單獨配置，提供10 μA至1 mA電流輸出，匹配優(yōu)于0.5%。電流源允許ADuCM360針對Pt100或Pt1000 RTD輕松執(zhí)行雙線式、三線式或四線式測量。軟件還能自動檢測RTD是否為Pt100或Pt1000。

下文給出了不同RTD配置如何工作的簡化原理圖。所有模式切換均通過軟件實現(xiàn)，無需改變外部跳線設(shè)置。

圖7顯示了四線式RTD配置。

圖7.4線RTD連接配置。

每個連接遠程RTD的引腳寄生電阻以RP表示。激勵電流（IEXC）流過1.5 kΩ精密電阻和RTD。片上ADC測量RTD（V6 – V5）兩端的電壓，并使用R13 （V7 – V8）兩端的電壓作為基準電壓。

選擇R13電阻和IEXC激勵電流值，使得AIN7上的ADuCM360 最大輸入電壓不超過AVDD − 1.1 V，這一點非常重要；否則，IEXC電流源會工作異常。

RTD電壓可以使用兩個連接AIN6和AIN5的檢測引腳進行精確測量。輸入阻抗約為2 MΩ（無緩沖模式，PGA增益 = 1），并且流過檢測引腳電阻的電流引起的誤差極小。然后，ADC測量RTD電壓（V6 − V5）。

隨后便可按如下所示計算RTD電阻：

測量值是一個比例值，且與精確的外部基準電壓無關(guān)，而僅與1.5 kΩ電阻容差有關(guān)。此外，四線式配置可消除引腳電阻相關(guān)的誤差。

ADuCM360提供帶緩沖與不帶緩沖的輸入選項。如果激活內(nèi)部緩沖器，則輸入電壓必須大于100 mV。1 kΩ/36 Ω電阻分壓器能為RTD提供115 mV偏置電壓，允許以緩沖方式工作。在無緩沖模式下，J3引腳4可以接地，并連接接地屏蔽，以減少噪聲。

三線式連接是另一種使用廣泛的RTD配置，可消除引腳電阻誤差，如圖8所示。

圖8.3線RTD連接配置。

第二個匹配的IEXC電流源（AIN5/IEXC）在引腳電阻上形成一個電壓，并與端點3串聯(lián)，消除與端點1串聯(lián)的引腳電阻上的壓降。因此，測得的V8 − V5電壓不存在引腳電阻誤差。

圖9顯示了雙線式RTD配置，無引腳電阻補償。

圖9.雙線RTD連接配置。

雙線式配置是成本最低的電路，適用于非關(guān)鍵型應(yīng)用、短引線RTD連接以及較高電阻RTD（比如Pt1000）等。

電源電路

為了簡化系統(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降壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電路板所需的3.3 V電源電壓。該設(shè)計基于可供下載的ADP230x降壓穩(wěn)壓器設(shè)計工具。

ADP1613升壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生+15 V穩(wěn)壓電源電壓以及−15 V未穩(wěn)壓電源電壓。−15 V電源電壓采用電荷泵產(chǎn)生。該設(shè)計基于可供下載的ADP161x升壓穩(wěn)壓器設(shè)計工具。

采用正確的布局和接地技術(shù)以避免開關(guān)調(diào)節(jié)器噪聲耦合至模擬電路。有關(guān)更多詳細信息，請參閱《線性電路設(shè)計手冊》、《數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊》、 《MT-031指南》、《MT-101 指南》。

圖10.電源電路。

圖11顯示LCD背光驅(qū)動器電路。

圖11.LCD背光驅(qū)動器。

AD8592內(nèi)置的兩個運算放大器均用作60 mA電流源，為LCD背光電流供電。AD8592的源電流和吸電流最大值為250 mA，內(nèi)置100 nF電容以確保軟啟動。

硬件、軟件和用戶界面

完整電路（包括軟件）可以在Circuits from the Lab參考設(shè)計的CN-0359設(shè)計包中找到EVAL-CN0359-EB1Z電路板預(yù)加載了進行電導(dǎo)率測量所需的程序。代碼在CN-0359設(shè)計支持包的CN0359-SourceCode.zip文件中。

具有直觀且易于使用的用戶界面。所有用戶輸入均來自雙功能按鈕/旋轉(zhuǎn)編碼器旋鈕。編碼器旋鈕可順時針旋轉(zhuǎn)或逆時針旋轉(zhuǎn)（無機械限位），也可用作按鈕。

圖12是EVAL-CN0359-EB1Z板的照片，顯示了LCD顯示器和編碼器旋鈕位置。

圖12.EVAL-CN0359-EB1Z板照片，顯示測量模式下的主畫面。

連線后，板上的電導(dǎo)池和RTD上電。LCD屏幕如圖12所示。

編碼器旋鈕用于輸入激勵電壓、激勵頻率、電導(dǎo)池溫度系數(shù)、電導(dǎo)池常數(shù)、建立時間、保持時間、RS-485波特率和地址、LCD對比度等。圖13顯示了一些LCD顯示截屏。

圖13.LCD顯示屏幕。

根據(jù)設(shè)計，EVAL-CN0359-EB1Z需采用 EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6 V電源供電。EVAL-CN0359-EB1Z僅需電源、外部電導(dǎo)池和RTD即可工作。

EVAL-CN0359-EB1Z還提供RS-485連接器J2，允許外部PC與此板實現(xiàn)接口。連接器J4是一個JTAG/SWD接口，可用于為ADuCM360編程和調(diào)試。

圖14為典型PC連接示意圖，顯示RS-485至USB適配器。

圖14.測試設(shè)置功能框圖。