CN0359 全自动高性能电导率测量系统

CN0359 CN-0359 中的系统采用 ADuCM360 精密模拟微控制器，实 现高度集成的电导率测量。 如果用户希望采用分立式 ADC ，则AD7794 24-位, Σ-Δ ADC是一个不错的选择。 本电路采用 EVAL-CN0359-EB1Z 评估板、外部电源、电导 池和 RTD 。 设备要求 需要以下设备： The EVAL-CN0359-EB1Z 电路板 6 V 电源或壁式电源适配器 (EVAL-CFTL-6V-PWRZ) 电导池 Pt100 或 Pt1000 双线式、三线式或四线式 RTD( 如果未连 接 RTD ，则电导率测量以 25°C 为基准 设置 执行下列步骤，设置待评估电路： 按下列要求连接电导池： a. 四线式电导池：将外部电流电极连接至 J5 引脚 1 ；将 最近的内部电压电极连接至 J5 引脚 2 。将第二个外部 电流电极连接至 J5 引脚 4 ；将最近的内部电压电极连 接至引脚 3 。 b. 双线式电导池：将一个电极连接至 J5 引脚 1 和引脚 2 ； 将第二个电极连接至 J5 引脚 3 和引脚 4 。 c. 如果电导池具有屏蔽，则将其连接至 J5 引脚 5 。 按下列要求连接 RTD( 若使用 ) ： a.四线式 RTD( 参见图 5) ：将正电流激励导线连接至 J3 引 脚 1 ；将正电压检测导线连接至 J3 引脚 2 。将负电流激 励导线连接至 J3 引脚 4 ；将负电压检测导线连接至 J3 引脚 3 。 b. 三线式 RTD( 参见图 6) ：将正电流激励导线连接至 J3 引 脚 1 ；将负电流激励导线连接至 J3 引脚 4 。将负电压检 测导线连接至 J3 引脚 3 。 c.双线式 RTD( 参见图 7) ：将 RTD 导线连接至 J3 引脚 1 ； 将其他导线连接至 J3 引脚 4 。 d.如果 RTD 导线具有屏蔽，则将屏蔽连接至 J5 引脚 5 。 将 6 V 电源 ( EVAL-CFTL-6V-PWRZ ) 连接至 EVAL-CN0359- EB1Z 电路板的 J1。 连接 EVAL-CFTL-6V-PWRZ ，然后按下 EVAL-CN0359-EB1Z 电路板上的按钮，以便上电。 遵循前文 “ 软件操作和用户界面 ” 部分的操作步骤，输 入下 列参数： EXC Voltage(EXC 电压 ) 、 EXC Frequency (EXC 频率 ) 、 TEMP Coecient( 温度系数 ) 和 Cell Constant ( 电 导池常数 ) 返回主屏幕，等待 ADuCM360 刷新缓冲器并显示电导率 和温度。如果屏幕显示错误信息且蜂鸣器鸣响 20 次以 上，则检查传感器连接。 针对原型开发的连接 根据设计， EVAL-CN0359-EB1Z 需采用 EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6 V 电源供电。 EVAL-CN0359-EB1Z 仅需电源、外部电导池和 RTD 即可工作。 EVAL-CN0359-EB1Z 还提供 RS-485 连接器 J2 ，允许外部 PC 与此板实现接口。连接器 J4 是一个 J TAG 接口，可用来编程 和调试 ADuCM360 。 图 14 为典型 PC 连接示意图，显示 RS-485 至 RS-232 适配器。   图 14. 测试设置功能框图  电导池的激励方波通过使用ADuCM360微控制器的PWM输出在+VEXC和−VEXC电压之间切换ADG1419 产生。方波必须具有精确的50%占空比和极低直流失调。哪怕很小的直流失调都会在一段时间之后损坏电导池。 +VEXC和−VEXC电压由ADA4077-2算放大器(U9A和U9B)产生，这两个电压的幅度由ADuCM360的DAC输出控制，如图2所示。 图2.激励电压源   ADA4077-2失调电压典型值为15 μV(A级)，偏置电流为0.4 nA，失调电流为0.1 nA，输出电流最高为±10 mA，压差低于1.2 V。U9A运算放大器的闭环增益为8.33，可将ADuCM360内部DAC输出(0 V至1.2 V)转换为0 V至10 V范围的+VEXC电压。U9B运算放大器反转+VEXC，产生−VEXC电压。选择R22，使得R22 = R24||R27，以便消除一阶偏置电流。由U9A的15 μV失调电压产生的误差约为(2 × 15 μV) ÷ 10 V = 3 ppm。因此，反相级产生的主要误差是R24和R27之间的电阻匹配误差。 ADG1419是一个2.1 Ω导通电阻单刀双掷模拟开关，在±10 V范围内的导通电阻平坦度为50 m Ω，非常适合从±VEXC电压产生对称方波信号。电阻R23将通过传感器的最大电流限制为10 V/1 k Ω = 10 mA。ADG1419导致的对称误差通常为50 m Ω ÷1 k Ω = 50 ppm。 施加到电导池上的电压V1采用AD8253仪表放大器(U15)进行测量。U15正输入由ADA4000-1 (U14)缓冲。选择ADA4000-1是因为它具有5 pA低偏置电流，可最大程度减少低电导率相关的低电流测量误差。AD8253的负输入不需要缓冲。 同步采样级可以消除U14和U15的失调电压，从而不影响测量精度。 U15和U18采用AD825310 MHz、20 V/μs、可编程增益(G = 1、10、100、1000)仪表放大器，增益误差低于0.04%。AD8253压摆率为20 V/μs，0.001%建立时间为1.8 μs(G = 1000)。其共模抑制典型值为120 dB。 U19 (ADA4627-1) 级是一个精密电流-电压转换器，可将流过传感器的电流转换为电压。这款器件的低偏置电流和低失调电压性能使其成为该级的理想选择。120 μV失调误差产生的对称误差仅为120 μV/10 V = 12 ppm。ADA4627-1失调电压为120 μV(典型值，A级)，偏置电流为1 pA(典型值)，压摆率为40 V/μs，0.01%建立时间为550 ns。 U22A和U22B (AD8542)缓冲器分别为U18和U15仪表放大器提供1.65 V基准电压。 下面介绍电压通道信号路径上的其余器件(U17A、U17B、U10、U13、U12A和U12B)。电流通道(U17C、U17D、U16、U21、U20A和U20B)的工作情况相同。 ADuCM360能产生PWM0方波开关信号以供ADG1419开关使用，并且还能产生PWM1和PWM2同步信号供同步采样级使用。电导池的电压和三个时序波形如图3所示。 图3.电导池电压和采样保持时序信号   AD8253仪表放大器(U15)输出驱动两个并行的采样保持电路；这两个电路由 ADG1211开关(U17A/U17B)、串联电阻(R34/R36)、保持电容(C50/C73)以及单位增益缓冲器(U10/U13)组成。 ADG1211是一个低电荷注入、四通道单刀单掷模拟开关，工作电源电压为±15 V，输入信号最高可达±10 V。开关导致的最大电荷注入为4 pC，产生的电压误差仅为4 pC ÷4.7 μF = 0.9 μV。 PWM1信号使U10采样保持缓冲器可在传感器电压的负周期采样，然后保持直至下一个采样周期。因此，U10采样保持缓冲器输出等于传感器电压方波负幅度对应的直流电平。 类似地，PWM2信号使U13采样保持缓冲器可在传感器电压的正周期采样，然后保持直至下一个采样周期。因此，U13采样保持缓冲器输出等于传感器电压方波正幅度对应的直流电平。 采样保持缓冲器(ADA4638-1)的偏置电流典型值为 45 pA，而ADG1211开关的漏电流典型值为20 pA。因此，4.7 μF保持电容的最差情况漏电流为65 pA。对于100 Hz激励频率而言，周期为10 ms。由于65 pA漏电流而导致的半周期(5 ms)内压降为(65 pA × 5 ms) ÷ 4.7 μF = 0.07 μV。 ADA4638-1零漂移放大器的失调电压典型值仅为0.5 μV，其误差贡献可以忽略不计。 信号链上位于ADC前面的最后一级是 ADA4528-2 反相衰减器(U12A和U12B)，其增益为−0.16，共模输出电压为+1.65 V。ADA4528-2失调电压典型值为0.3 μV，因此误差贡献可以忽略不计。 衰减器级可将±10 V最大信号降低为±1.6 V，共模电压为+1.65 V。该范围为与ADuCM360ADC输入范围相当，即采用3.3 V AVDD电源时为0 V至3.3 V (1.65 V ± 1.65 V)。 衰减器级同样提供噪声过滤功能，其−3 dB频率约为198 kHz。 电压通道VOUT1的差分输出施加到ADuCM360的AIN2和AIN3输入端。电流通道VOUT2的差分输出施加到ADuCM360的AIN0和AIN1输入端。 等式7显示电导率测量取决于G1、G2和R47，以及VOUT2和VOUT1的比值。因此，ADuCM360内置的ADC无需使用精密基准电压源。 AD8253增益误差(G1和G2)最大值为0.04%，并且R47选择0.1%容差的电阻。 从该点开始，VOUT1和VOUT2信号链的电阻便决定了总系统精度 软件将每个AD8253的增益按如下所述进行设置： 如果ADC代码超过满量程的93.2%，则AD8253增益在下一个样本减少10倍。 如果ADC代码低于满量程的9.13%，则AD8253增益在下一个样本增加10倍。 系统精度测量 下列4个电阻影响VOUT1电压通道的精度：R19、R20、R29和R31 下列5个电阻影响VOUT2电流通道的精度：R47、R37、R38、R48和R52。 假设所有9个电阻均为0.1%容差并包括AD8253的0.04%增益误差，则最差情况下的误差分析表明误差约为0.6%。分析内容在 CN-0359设计支持包中。 在实际应用中，电阻更有可能采取RSS方式进行组合，且正或负信号链上的电阻容差导致的RSS误差为√5 × 0.1% = 0.22%。 使用1 Ω至1 MΩ(1 S至1 ΩS)精密电阻进行精度测量，以仿真电导池。图4显示了结果，最大误差不到0.1%。 图4.系统误差(%)与电导率(1 μS至1 S)的关系   RTD测量 电导率测量系统精度只有经过温度补偿才能达到最佳。由于常见溶液温度系数在1%/°C至3%/°C或更高值之间变化，因此必须使用带有可调温度补偿的测量仪器。溶液温度系数在某种程度上是非线性的，通常还随着实际电导率变化。因此，在实际测量温度下进行校准可以达到最佳精度。 ADuCM360内置两个匹配的软件可配置激励电流源。它们可单独配置，提供10 A至1 mA电流输出，匹配优于0.5%。电流源允许ADuCM360针对Pt100或Pt1000 RTD轻松执行双线式、三线式或四线式测量。在设置过程中，软件还能自动检测RTD是否为Pt100或Pt1000。 下文给出了不同RTD配置如何工作的简化原理图。所有模式切换均通过软件实现，无需改变外部跳线设置。 图5显示了四线式RTD配置。 图5.四线式RTD连接配置   每个连接远程RTD的引脚寄生电阻以RP表示。激励电流(IEXC)流过1.5 kΩ精密电阻和RTD。片上ADC测量电阻(V7−V8)两端的电压。 选择R13电阻和IEXC激励电流值，使得AIN7上的ADuCM360最大输入电压不超过AVDD − 1.1 V很重要；否则，IEXC电流源会工作异常。RTD电压可以使用两个连接AIN6和AIN5的检测引脚进行精确测量。输入阻抗约为2 M(无缓冲模式，PGA增益= 1)，并且流过检测引脚电阻的电流引起的误差极小。然后，ADC测量RTD电压(V6 − V5) 随后便可如下所示计算RTD电阻： 测量值是一个比例值，且与精确的外部基准电压无关，而仅与1.5 kΩ电阻容差有关。此外，四线式配置可消除引脚电阻相关的误差。 ADuCM360提供带缓冲与不带缓冲的输入选项。如果激活内部缓冲器，则输入电压必须大于100 mV。1 k/36 电阻分压器能为RTD提供115 mV偏置电压，允许以缓冲方式工作。在无缓冲模式下，J3端点4可以接地，并连接接地屏蔽，以减少噪声。 三线式连接是另一种使用广泛的RTD配置，可消除引脚电阻误差，如图6所示。 图6.三线式RTD连接配置   第二个匹配的IEXC电流源(AIN5/IEXC)在引脚电阻上形成一个电压，并与端点3串联，消除与端点1串联的引脚电阻上的压降。因此，测得的V8 − V5电压不存在引脚电阻误差。 图7显示了双线式RTD配置，无引脚电阻补偿。 图7.双线式RTD连接配置   双线式配置是成本最低的电路，适用于非关键型应用、短路RTD连接以及较高电阻RTD(比如Pt1000)等。 电导率理论 材料或液体的电阻率ρ定义为：当立方体形状的材料反面完全导电接触时，该材料的电阻。其他形状材料的电阻R可按以下方式计算： 其中 L是接触距离 A是接触面积。 电阻率的测量单位为Ωcm。当接触1 cm × 1 cm × 1 cm立方体的反面时，1 Ωcm材料的电阻为1 Ω。 电导是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。电导的测量单位为西门子(S)，电导率的测量单位为S/cm、mS/cm或μS/cm。 所有水溶液都在一定程度上导电。向纯水中添加电解质，例如盐、酸或碱，可以提高电导率并降低电阻率。 在此电路笔记中，Y为电导率的通用符号，测量单位为S/cm、mS/cm或μS/cm。但在很多情况下，为了方便起见，我们会省略距离项，电导率仅表示为S、mS或μS。 电导率系统通过电子元件连接到沉浸在溶液中的传感器(称为电导池)来测量电导率，如图8所示。 图8.电导池与EVAL-CN0359-EB1Z实现对接   电子电路对传感器施加交流电压，并测量产生的电流大小，电流与电导率相关。由于电导率具有很大温度系数(最高达到4%/°C)，因此电路中集成了必需的温度传感器，用于将读数调整为标准温度，通常为25°C (77°F)。对溶液进行测量时，必须考虑水本身的电导率的温度系数。为了精确地补偿温度，必须使用第二个温度传感器和补偿网络。 接触型传感器通常包括相互绝缘的两个电极。电极通常为316型不锈钢、钛钯合金或石墨，具有特定的大小和间距，以提供已知的电导池常数。从理论上说，1.0/cm的电导池常数表示两个电极，每个电极面积为1 cm2，间距为1 cm。对于特定的工作范围，电导池常数必须与测量系统相匹配。例如，如果在电导率为1 μS/cm的纯水中使用电导池常数为1.0/cm的传感器，则电导池的电阻为1 MΩ。相反，相同电导池在海水中的电阻为30 Ω，由于电阻比过大，普通仪器很难在仅有一个电导池常数情况下精确测量此类极端情况。 对1 μS/cm溶液进行测量时，电导池配置了大面积电极，相距很小的间距。例如，对于电导池常数为0.01/cm的电导池，其电导池电阻测量值约为10,000 Ω，而非1 MΩ。精确测量10,000 Ω(而非1 MΩ)比较容易；因此，对于超纯水和高电导率海水，使用具有不同电导池常数的电导池，测量仪表可在相同的电导池电阻范围内工作。 电导池常数K定义为电极之间距离L与电极面积A的比值 有两类电导池：一类采用两个电极，另一类采用四个电极，如图9所示。电极通常称为极点。 图9.双极点和四极点电导池   双极点传感器比较适合低电导率测量时使用，比如纯净水和各种生物与医药液体。四极点传感器更适合高传导率测量，比如废水和海水分析。 双极点电导池的电导池常数范围大致是从0.1/cm到1/cm，而四极点电导池的电导池常数范围是从1/cm到10/cm。 四极点电导池可以消除电极极化和场效应引起的误差；这些误差可能会干扰测量 电极的实际配置可以是平行环、同轴导体等，而不会是如图8所示的简单平行板。 无论电导池为何种类型，都不可在电极上施加直流电压，因为液体中的离子会在电极表面聚集，从而导致极化效应并产生测量误差，更有可能损坏电极。 若采用同轴传感器，则应当密切关注传感器屏蔽。屏蔽必须连接与盛放液体的金属容器相同的电位。如果容器接地，则屏蔽必须连接电路板的接地端(J5的引脚5)。 CN-0359电路允许的可编程激励电压范围为100 mV至10 V，并且R23 (1 kΩ)串联电阻将最大电导池电流限制为10 mA。最根本的预防措施是不要超过电导池激励电压或激励电流的额定值。 电源电路 为了简化系统要求，所有必需的电压(±15 V和+3.3 V)均由4 V至7 V单电源产生，如图10所示。 ADP2300降压调节器产生电路板所需的3.3 V电源电压。该设计基于可供下载的ADP230x降压调节器设计工具。 ADP1613升压调节器产生+15 V调节电源电压以及−15 V未调节电源电压。−15 V电源电压采用电荷泵产生。该设计基于 ADP161x 升压调节器设计工具。 有关电源的选择与设计详情请参阅www.analog.com/ADIsimPower。 采用正确的布局和接地技术以避免开关调节器噪声耦合至模拟电路。更多详情，请参考 线性电路设计手册 、数据转换手册 、 指南MT-031和指南MT-101。 图10.电源电路   图11显示LCD背光驱动器电路。 图11. LCD背光驱动器   每半个AD8592 运算放大器均用作60 mA电流源，为LCD背光电流供电。AD8592的源电流和吸电流最大值为250 mA，内置100 nF电容以确保软启动。 软件操作和用户界面 EVAL-CN0359-EB1Z预加载了进行电导率测量所需的代码。代码在CN-0359设计支持包的CN0359-SourceCode.zip文件中。 CN-0359具有直观且易于使用的用户界面。所有用户输入均来自双功能按钮/旋转编码器旋钮。编码器旋钮可顺时针旋转或逆时针旋转(无机械停止)，也可用作按钮。 图12是EVAL-CN0359-EB1Z板的照片，显示了LCD显示器和编码器旋钮位置。 图12.EVAL-CN0359-EB1Z板照片，显示测量模式下的主画面   连线后，板上的电导池和RTD上电。LCD屏幕如图12所示。 按下编码器旋钮可进入设置菜单，然后输入EXC Voltage(EXC电压)、EXC Frequency(EXC频率)、TEMP Coecient(温度系数)以及Cell Constant(电导池常数)，如图13所示。 图13. LCD显示屏   旋转旋钮可上下移动光标，选定各种参数。 将光标定位在 EXC Voltage(EXC电压)然后按下旋钮，直至点击打开菜单。旋转旋钮，将光标定位到待设置数字的第一位数。按下按钮，光标闪烁。旋转旋钮改变数字，待出现所需数字时按下旋钮。完成所有数字位数的设置后，将光标定位到Save(保存)，然后按下按钮保存设置。 继续执行这些操作步骤，设置EXC Frequency(EXC频率)、TEMP Coeffcient(温度系数)和Cell Constant(电导池常数)。 完成全部常数的设置后，选择RETURN TO HOME(返回主屏幕)，然后按下旋钮。至此，系统准备就绪，可进行测量。 如果输入允许范围外的数字，则蜂鸣器鸣响。 如果未正确连接电导池，则屏幕显示Sensor Incorrect(传感器不正确)。 如果未正确连接RTD，则屏幕显示RTD Incorrect use 25°C(RTD不正确，使用25°C)；此时系统依然可以在不连接RTD的情况下执行测量，但使用25°C作为补偿温度。 CN0359 全自动高性能电导率测量系统 图 1 中的电路是一个完全独立自足、微处理器控制的高精 度电导率测量系统，适用于测量液体的离子含量、水质分 析、工业质量控制以及化学分析。 经过仔细选择的精密信号调理元件组合可在 0.1 μS 至 10 S (10 MΩ 至 0.1 Ω) 电导率范围内提供优于 0.3% 的精度，且无 需校准。 针对 100 Ω 或 1000 Ω 铂 (Pt) 电阻温度检测器 (RTD) 提供自动 检测功能，允许以室温为参考测量电导率。 系统支持双线式或四线式电导池以及双线式、三线式或四 线式 RTD ，以提高精度和灵活性。 该电路能以极小的直流失调产生精确交流激励电压，从而 避免电导率电极上的极化电压受损。交流激励的幅度和频 率为用户可编程。 创新的同步采样技术可将激励电压和电流的峰峰值幅度转 化为直流值，这样不仅提升了精度，同时简化了内置于精 密模拟微控制器的双通道 24 位 Σ-Δ 型 ADC 对于信号的处理。 采用 LCD 显示器和编码器按钮实现直观的用户界面。该电 路可以按需使用 RS-485 接口实现与 PC 的通信，并采用 4 V 至 7 V 单电源供电。 图 1. 高性能电导率测量系统 ( 原理示意图：未显示所有连接和去耦 ) CN0359 CN0359

• 自动电导率测量系统
• 独立自足
• 微处理器控制
• 温度补偿

(analog)