完全隔離式電導(dǎo)率測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　為了改進(jìn)圖1中所示的大范圍電導(dǎo)的精度，使用三個(gè)校準(zhǔn)電阻RCAL(100Ω、1 kΩ和10 kΩ)、兩個(gè)反饋電阻RFB(100Ω和10 kΩ)，由軟件和ADG715八通道開關(guān)控制。電路設(shè)置為在兩個(gè)范圍內(nèi)運(yùn)行：

　　低范圍：μS至mS，RFB = 1 kΩ，RCAL =1 kΩ和10 kΩ

　　低范圍：μS至mS，RFB = 1 kΩ，RCAL =1 kΩ和10 kΩ

　　使用這兩個(gè)范圍，整體測量范圍為25μS t至200 mS，精度高于1% FSR，如測試數(shù)據(jù)所示?？梢赃x擇RCAL和RFB的其他值以覆蓋不同的范圍。

　　CN-0349評估軟件允許電路在三種模式下工作。在模式1(圖2中開關(guān)的位置1)中，低范圍和高范圍的校準(zhǔn)程序都是自動(dòng)執(zhí)行的。在模式2(圖2中開關(guān)的位置2)中，溶液的溫度測量使用外部Pt100 RTD溫度傳感器自動(dòng)執(zhí)行。在模式3(圖2中開關(guān)的位置3)中，測量溶液的實(shí)際電導(dǎo)率。

　　校準(zhǔn)程序

　　對于圖1顯示的電路，校準(zhǔn)程序使用三個(gè)精密電阻RCAL(R3 = 100Ω、R4 = 1 kΩ和R7 = 10 kΩ)進(jìn)行三點(diǎn)校準(zhǔn)，最大程度地減小失調(diào)和增益誤差，在每個(gè)范圍內(nèi)使系統(tǒng)線性化。對于每個(gè)范圍，校準(zhǔn)程序在輸入范圍的開頭和末尾執(zhí)行，使用兩個(gè)參考信號(校準(zhǔn)電阻)YL和YH，如圖3所示。參考信號的值預(yù)加載在微控制器的存儲(chǔ)器中，也可以通過鍵盤輸入。

　　對于低范圍校準(zhǔn)點(diǎn)，參考信號是YL(例如，YL = 1/R7 = 1/10 000Ω= 0.1 mS)。當(dāng)參考信號YL連接時(shí)，將獲取與參考信號YL相對應(yīng)的代碼NL(幅值ML)。同樣，對于高范圍校準(zhǔn)點(diǎn)，參考是信號YH(例如，YH = 1/R4 = 1/1000Ω= 1 mS)。當(dāng)參考信號YH連接時(shí)，將獲取與參考信號YH相對應(yīng)的代碼NH(幅值MH)。

　　圖3 電導(dǎo)率測量的兩點(diǎn)校準(zhǔn)

　　然后按照公式1計(jì)算增益系數(shù)(GF)

　　對于高范圍，程序是相同的，但參考信號如下：YL = 1/R4 = 1/1000Ω= 1 mS，YH = 1/R3 = 1/100Ω= 10 mS.

　　為了在低電導(dǎo)范圍(高電阻)內(nèi)實(shí)現(xiàn)更寬的測量范圍，我們使用AD5934的2 V p-p激勵(lì)輸出電壓。為了在高電導(dǎo)范圍(低電阻)內(nèi)擴(kuò)大測量范圍，在保持2 V p-p激勵(lì)輸出電壓的同時(shí)，還串行連接了一個(gè)精密電阻R2 = 100Ω，具有未知電導(dǎo)YX.可以使用其他輸出電壓范圍來優(yōu)化高電導(dǎo)范圍(低電阻)內(nèi)的ADC動(dòng)態(tài)范圍。

　　測試數(shù)據(jù)結(jié)果

　　使用圖1中的校準(zhǔn)值和反饋電阻，按照“電路設(shè)計(jì)”部分和“校準(zhǔn)程序”部分中所述，我們進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。

　　表1、表2和表3顯示了低范圍模式和高范圍模式下的結(jié)果。表4、表5和表6顯示了每個(gè)范圍的相對誤差和相應(yīng)讀數(shù)。具有0.1%或0.2%容差的精密非感性電阻定義了輸入(未知電導(dǎo)YX)。表中使用的符號定義如下：

　　RX：參考電阻

　　YX：計(jì)算的參考電導(dǎo)率

　　YR：測量的電導(dǎo)率(讀數(shù))

　　RR：測量的電阻(讀數(shù))

　　RR：校正的電阻= RR– RR(對于RX = 0)

　　低范圍電導(dǎo)率測量

　　表1顯示了低范圍測量的結(jié)果，圖4顯示了范圍的相對誤差百分比以及讀數(shù)的相對誤差百分比。在從25μS到2500μS的低范圍中，讀數(shù)的誤差百分比不超過0.5%.

　　圖4 低范圍內(nèi)的相對誤差

　　表1.從25μS至2.5 mS的低范圍測量數(shù)據(jù)，RFB = 1 kΩ，RCAL1 = 1 kΩ，RCAL2 = 10 kΩ

　　高范圍電導(dǎo)率測量

　　表2顯示了高范圍測量的結(jié)果，圖5顯示了范圍的相對誤差百分比以及讀數(shù)的相對誤差百分比。在從0.2 mS到200 mS的高范圍中，讀數(shù)的誤差百分比不超過3%.

　　圖5 高范圍內(nèi)的相對誤差

　　表3顯示了表2的結(jié)果，0.1903Ω的電阻失調(diào)已校正。RR列在表3中已經(jīng)校正，通過從表2中的RR列減去0.1903Ω得出。

　　軟件(CN-0349評估軟件)可以進(jìn)行此校正。校正之后，從0.2 mS到200 mS范圍的誤差百分比小于1%(參見圖6)。

　　圖6 高范圍內(nèi)的測量相對誤差

　　表2.從0.2 mS至200 mS的高范圍測量數(shù)據(jù)，RFB = 100Ω，RCAL1 = 100Ω，RCAL2 = 1 kΩ

　　表3.從0.2 mS至200 mS的高范圍，電阻失調(diào)(0.1903Ω)已校正，RFB = 100Ω，RCAL1 = 100Ω，RCAL2 = 1 kΩ

　　表4.標(biāo)準(zhǔn)氯化鉀(KCl)溶液的電導(dǎo)率測量結(jié)果，使用圖1中顯示的電路

　　使用電導(dǎo)池的電導(dǎo)率測量

　　表4顯示對以下六種0.1%精度標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液進(jìn)行的電導(dǎo)率測量結(jié)果：0.1469 mS/cm、0.2916 mS/cm、0.7182 mS/cm、1.408 mS/cm、12.85 mS/cm和111.3 mS/cm.

　　使用的電導(dǎo)池是Sensorex CS200TC-PT1，其電導(dǎo)池常數(shù)等于1/cm，帶有內(nèi)置的Pt100 RTD溫度傳感器。

　　標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液在專門的保加利亞實(shí)驗(yàn)室中配制，用作數(shù)據(jù)點(diǎn)來檢查系統(tǒng)。當(dāng)電導(dǎo)池的電導(dǎo)池常數(shù)未知時(shí)，也可以使用標(biāo)準(zhǔn)溶液作為校準(zhǔn)點(diǎn)，而不是使用校準(zhǔn)電阻。