全自动自校准电导率测量系统

作者：Robert Lee and Walt Kester

监测水质的重要性日益增加，导致许多相关传感器和信号调理电路的发展。水质是根据细菌计数、pH 值、化学含量、浊度和电导率来衡量的。所有水溶液都在一定程度上导电。在纯水中加入盐、酸或碱等电解质可提高电导率并降低电阻率。本文重点介绍电导率测量。

纯水不含大量电解质，当样品受到施加的电压时，仅传导少量电流，因此其电导率较低。另一方面，样品中的大量电解质会导致更多的电流传导——其电导率更高。

通常从电阻而不是电导的角度来思考，但两者是相互的。材料或液体的电阻率ρ定义为材料立方体的电阻，该立方体在相对的表面上具有完全导电的触点。其他形状的电阻R可以通过下式计算

其中：
L 是触点之间的距离。
A 是触点的区域。

电阻率以 Ω 厘米为单位进行测量。1 Ω cm 材料在 1 cm × cm × 1 cm 立方体的相对面上接触时的电阻为 1 Ω。

电导只是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。电导的测量单位是西门子（S），电导率的测量单位是S/cm、mS/cm或μS/cm。

就本文而言，Y 是以 S/cm、mS/cm 或 μS/cm 为单位测量的电导率的一般符号。然而，在许多情况下，为了方便起见，去掉了距离项，电导率简单地表示为S、mS或μS。

使用电导池测量电导率

电导率系统通过连接到传感器（称为电导池）的电子设备来测量电导率，该传感器浸入溶液中，如图1所示。

图1.电导池和电子元件之间的接口（EVAL-CN0359-EB1Z）。

电子电路在传感器上印上交流电压，并测量产生的电流的大小，这与电导率有关。由于电导率具有较大的温度系数（高达4%/°C），因此电路中集成了一个集成的温度传感器，以将读数调节到标准温度，通常为25°C （77°F）。测量溶液时，必须考虑水本身电导率的温度系数。为了精确补偿温度，必须使用第二个温度传感器和补偿网络。

接触式传感器通常由两个彼此绝缘的电极组成。电极，通常是316型不锈钢，钛钯合金或石墨，具有特定的尺寸和间隔，以提供已知的电池常数。从理论上讲，1.0/cm的电极常数描述了两个电极，每个电极的大小为1cm2面积，相距1厘米。对于给定的操作范围，电极常数必须与测量系统匹配。例如，如果在电导率为1μS/cm的纯水中使用电极常数为1.0/cm的传感器，则电池的电阻为1 MΩ。相反，海水中的同一电池具有30 Ω的阻力。由于电阻比如此之大，普通仪器很难仅用一个电极常数准确测量这种极端情况。

当测量1μS/cm溶液时，电池配置有间隔一小段距离的大面积电极。例如，电池常数为 0.01/cm 的电池导致测得的电池电阻约为 10 kΩ，而不是 1 MΩ。精确测量 10 kΩ 比测量 1 MΩ 更容易;因此，通过使用具有不同电极常数的电极，测量仪器可以在超纯水和高电导率海水的相同电极电阻范围内工作。

电极常数 K 定义为电极之间的距离 L 与电极面积 A 的比值：

然后，仪器测量电池电导率Y：

液体的电导率，YX，然后计算：

电导池有两种类型：带有两个电极的电导池和带有四个电极的电导池，如图2所示。电极通常被称为极点。

图2.2 极和 4 极电导池。

2极传感器更适合低电导率测量，如纯化水以及各种生物和制药液体。4极传感器更适合高电导率测量，如废水和海水分析。

2 极电池的电池常数范围约为 0.1/cm 至 1/cm，4 极电池的电池常数范围为 1/cm 至 10/cm。

4极电池消除了电极极化和场效应引入的误差，这些误差会干扰测量。

电极的实际配置可以是平行环、同轴导体或其他电极，而不是图2所示的简单平行板。

无论电池类型如何，重要的是不要向任何电极施加直流电压，因为液体中的离子会积聚在电极表面上，从而导致极化、测量误差和电极损坏。

对于带有屏蔽的传感器，请特别注意，例如同轴传感器。屏蔽必须连接到与盛放液体的金属容器相同的电位。如果容器接地，则必须将屏蔽连接到电路板接地。

最后的预防措施是不要超过电池的额定激励电压或电流。以下电路允许100 mV至10 V的可编程激励电压，R23 （1 kΩ）串联电阻将最大电池电流限制为10 mA。

电路说明

图3所示电路是一个完全独立的、微处理器控制的高精度电导率测量系统，非常适合测量液体的离子含量、水质分析、工业质量控制和化学分析。

精心挑选的精密信号调理组件组合可在0.1 μS至10 S（10 MΩ至0.1 Ω）的电导率范围内产生优于0.3%的精度，无需校准。

为 100 Ω 或 1000 Ω铂 （Pt） 电阻温度器件 （RTD） 提供自动检测，允许电导率测量参考室温。

该系统可容纳 2 线或 4 线电导池，以及 2 线、3 线或 4 线 RTD，以提高精度和灵活性。

该电路以最小的直流失调产生精确的交流激励电压，以避免电导电极上的极化电压损坏。交流激励的幅度和频率可由用户编程。

创新的同步采样技术将激励电压和电流的峰峰值幅度转换为直流值，以便使用精密模拟微控制器中包含的双通道24位Σ-Δ ADC进行精确和轻松处理。

直观的用户界面是LCD显示屏和编码器按钮。如果需要，该电路可以使用RS-485接口与PC通信，并采用4 V至7 V单电源供电。

图3.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）。

电导池的激励方波是通过使用ADuCM360微控制器的PWM输出在+VEXC和−VEXC电压之间切换ADG1419产生的。重要的是，方波具有精确的50%占空比和非常低的直流偏移。即使是很小的直流偏移也会在一段时间内损坏电池。

+VEXC和−VEXC电压由运算放大器ADA4077-2（U9A和U9B）产生，其幅度由ADuCM360的DAC输出控制，如图4所示。

图4.激励电压源。

ADA4077-2的典型失调电压为15 μV（A级）、0.4 nA偏置电流、0.1 nA失调电流和高达±10 mA的输出电流，压差小于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的+VEXC电压。U9B 运算放大器反相 +VEXC 并产生 −VEXC 电压。选择 R22 使得 R22 = R24||R27实现一阶偏置电流消除。U9A的15 μV失调电压引起的误差约为（2 × 15 μV），÷10 V = 3 ppm。因此，反相级引入的主要误差是R24和R27之间的电阻匹配误差。

ADG1419是一款2.1 Ω导通电阻SPDT模拟开关，在±10 V范围内具有50 mΩ的导通电阻平坦度，非常适合从±VEXC电压产生对称方波。ADG1419引入的对称误差典型值为50 mΩ÷1 kΩ = 50 ppm。电阻R23将通过传感器的最大电流限制为10 V/1 kΩ = 10 mA。

施加到电池的电压V1由AD8253仪表放大器（U15）测量。U15的正输入由ADA4000-1 （U14）缓冲。之所以选择ADA4000-1，是因为其偏置电流仅为5 pA，可将测量与低电导率相关的低电流误差降至最低。AD8253的负输入不需要缓冲。

U14和U15的失调电压由同步采样级消除，不影响测量精度。

U15和U18是AD8253 10 MHz、20 V/μs、可编程增益（G = 1、10、100、1000）仪表放大器，增益误差小于0.04%。当G = 1000时，AD8253的压摆率为20 V/μs，建立时间为1.8 μs至0.001%。其共模抑制典型值为120 dB。

U19 （ADA4627-1） 级是一款精密电流电压转换器，可将通过传感器的电流转换为电压。ADA4627-1的失调电压为120 μV（典型值，A级），偏置电流为1 pA（典型值），压摆率为40 V/μs，建立时间为550 ns至0.01%。低偏置电流和失调电压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。

U22A和U22B （AD8542）缓冲器分别为U18和U15仪表放大器提供1.65 V基准电压源。

以下是电压通道中信号路径其余部分（U17A、U17B、U10、U13、U12A 和 U12B）的说明。当前通道（U17C、U17D、U16、U21、U20A 和 U20B）的操作是相同的。

ADuCM360为ADG1419开关产生PWM0方波开关信号，为同步采样级生成PWM1和PWM2同步信号。电池电压和三个时序波形如图5所示。

图5.电池电压和采样保持定时信号。

AD8253的放大器输出（U15）驱动两个并联的采样保持电路，该电路由ADG1211开关（U17A/U17B）、串联电阻（R34/R36）、保持电容（C50/C73）和单位增益缓冲器（U10/U13）组成。

ADG1211是一款低电荷注入、四通道SPST模拟开关，采用±15 V电源供电，输入信号高达±10 V。开关引起的最大电荷注入为4 pC，÷4.7 μF = 0.9 μV时，产生的电压误差仅为4 pC。

PWM1信号使U10采样保持缓冲器跟踪传感器电压的负周期，然后将其保持到下一个跟踪周期。因此，U10采样保持缓冲器的输出是对应于传感器电压方波负幅度的直流电平。

类似地，PWM2信号使U13采样保持缓冲器跟踪传感器电压的正周期，然后将其保持到下一个跟踪周期。因此，U13采样保持缓冲器的输出是对应于传感器电压方波正幅度的直流电平。

采样保持缓冲器（ADA4638-1）的偏置电流典型值为45 pA，ADG1211开关的漏电流典型值为20 pA。因此，4.7 μF保持电容上的最差情况漏电流为65 pA。对于 100 Hz 激励频率，周期为 10 ms。由于65 pA漏电流，超过周期（5 ms）的一半（5 ms）的压降为（65 pA×5 ms），÷4.7 μF = 0.07 μV。

零漂移放大器ADA4638-1的失调电压典型值仅为0.5 μV，误差可以忽略不计。

ADC之前信号链的最后阶段是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的典型失调电压为0.3 μV，因此误差可以忽略不计。

衰减器级将±10 V最大信号降至±1.6 V，共模电压为1.65 V。该范围与ADuCM360 ADC输入的输入范围兼容，对于3.3 V的AVDD电源，该输入范围为0 V至3.3 V （1.65 V± 1.65 V）。

衰减器级还提供噪声滤波，−3 dB频率约为198 kHz。

电压通道VOUT1的差分输出施加于ADuCM360的AIN2和AIN3输入。电流通道VOUT2的差分输出施加于ADuCM360的AIN0和AIN1输入。

两个输出的方程由下式给出

电池电流由下式给出

The V2P-P电压由下式给出

求解方程 8 for IP-P代入公式 7 得到 Y 的以下结果X:

求解V1的公式5和公式6P-P和 V2P-P代入公式9得到如下结果：

公式11显示，电导率测量取决于G1、G2和R47，以及VOUT2与VOUT1的比值。因此，ADuCM360中的ADC不需要精密基准电压源。

AD8253增益误差（G1和G2）最大值为0.04%，R47被选为容差为0.1%的电阻。

由此，VOUT1和VOUT2信号链中的电阻决定了整个系统的精度。

软件按如下方式设置每个AD8253的增益：

如果ADC代码超过满量程的94%，则AD8253的增益在下一个采样时降低10倍。

如果ADC代码小于满量程的8.8%，则AD8253的增益在下一个采样时增加10倍。

系统精度测量

以下四个电阻会影响VOUT1电压通道的精度：R19、R20、R29和R31。

以下五个电阻会影响VOUT2电流通道的精度：R47、R37、R38、R48和R52。

假设所有9个电阻的容差均为0.1%，包括AD8253的0.04%增益误差，则最差情况误差分析的容差约为0.6%。该分析包含在CN-0359设计支持包中。

实际上，电阻更有可能以RSS方式组合，正或负信号链中的电阻容差引起的RSS误差为√5×0.1% = 0.22%。

使用1 Ω至1 MΩ（1 S至1 μS）的精密电阻进行精度测量，以模拟电导池。图6显示了结果，最大误差小于0.1%。

图6.系统误差 （%） 与电导率的关系为 1 μS 至 1 S。

热电阻测量

电导率测量系统的精度取决于其温度补偿。由于常见的溶液温度系数变化在1%/°C到3%/°C或更多之间，因此必须使用具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，通常也随实际电导率而变化。因此，在实际测量温度下进行校准可产生最佳精度。

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，以提供 10 μA 至 1 mA 的电流输出，匹配优于 0.5%。电流源使ADuCM360能够轻松对Pt100或Pt1000 RTD进行2线、3线或4线测量。该软件还会自动检测RTD是Pt100还是Pt1000。

以下讨论显示了不同RTD配置如何工作的简化原理图。所有模式切换均在软件中完成，无需更改外部跳线设置。

图7显示了4线RTD的配置。

图7.4线RTD连接的配置。

通往远程RTD的每个引线中的寄生电阻显示为RP.激励电流（IEXC）通过精密1.5 kΩ电阻和RTD。片内ADC测量RTD （V6 – V5）两端的电压，并使用R13 （V7 – V8）两端的电压作为基准。

重要的是选择R13电阻和IEXC激励电流值，使ADuCM360在AIN7上的最大输入电压不超过AVDD − 1.1 V;否则，IEXC 电流源将无法正常工作。

RTD 电压使用连接到 AIN6 和 AIN5 的两根检测引线精确测量。输入阻抗约为2 MΩ（无缓冲模式，PGA增益= 1），流过检测引线电阻的电流产生的误差最小。然后，ADC测量RTD电压（V6 − V5）。

RTD电阻的计算公式为：

测量是比率式的，不依赖于精确的外部基准电压，仅取决于1.5 kΩ电阻的容差。此外，4线配置消除了与引线电阻相关的误差。

ADuCM360具有缓冲或无缓冲输入选项。如果激活内部缓冲器，输入电压必须大于100 mV。1 kΩ/36 Ω电阻分压器为RTD提供115 mV偏置电压，允许缓冲工作。在无缓冲模式下，J3的4端子可以接地并连接到接地屏蔽以降低噪声。

3线连接是另一种常用的RTD配置，可消除引线电阻误差，如图8所示。

图8.3线RTD连接的配置。

第二个匹配的 IEXC 电流源 （AIN5/IEXC） 在与端子 3 串联的引线电阻两端产生电压，以抵消与端子 1 串联的引线电阻两端的电压降。因此，测得的V8 − V5电压没有引线电阻误差。

图9显示了2线RTD配置，其中没有引线电阻补偿。

图9.2线RTD连接的配置。

2线配置是成本最低的电路，适用于不太重要的应用、短RTD连接和更高电阻的RTD，如Pt1000。

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降压稳压器为电路板产生3.3 V电源。该设计基于可下载的ADP230x降压稳压器设计工具（zip）。

ADP1613升压稳压器产生+15 V稳压电源和非稳压−15 V电源。−15 V电源由电荷泵产生。该设计基于ADP161x升压稳压器设计工具（zip）。

使用适当的布局和接地技术，以防止开关稳压器噪声耦合到模拟电路中。有关更多详细信息，请参阅线性电路设计手册、数据转换手册、MT-031 教程和 MT-101 教程。

图 10.电源电路。

图11显示了LCD背光驱动电路。

图 11.液晶背光驱动器。

AD8592运算放大器的每一半都充当60 mA电流源，为LCD背光电流供电。AD8592的拉电流和吸收电流高达250 mA，100 nF电容可确保软启动。

硬件、软件和用户界面

包括软件在内的完整电路可作为实验室参考设计中的CN-0359电路提供。电路板 EVAL-CN0359-EB1Z 预装了进行电导率测量所需的代码。实际代码可在CN-0359设计支持包的CN0359-SourceCode.zip文件中找到。

用户界面直观且易于使用。所有用户输入均来自双功能按钮/旋转编码器旋钮。编码器旋钮可以顺时针或逆时针旋转（无机械停止），也可以用作按钮。

图 12 是 EVAL-CN0359-EB1Z 板的照片，显示了 LCD 显示屏和编码器旋钮的位置。

图 12.EVAL-CN0359-EB1Z 板的照片显示了测量模式下的主屏幕。

连接后，电导池和RTD板通电。液晶屏如图12所示。

编码器旋钮用于输入激励电压、激励频率、电导池的温度系数、电极常数、建立时间、保持时间、RS-485波特率和地址、LCD对比度等。图13显示了一些LCD显示屏。

图 13.液晶显示屏。

EVAL-CN0359-EB1Z设计为由EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6 V电源供电。EVAL-CN0359-EB1Z 只需要电源、外部电导池和 RTD 即可运行。

EVAL-CN0359-EB1Z还具有RS-485连接器J2，允许外部PC与电路板连接。连接器J4是一个JTAG/SWD接口，用于对ADuCM360进行编程和调试。

图 14 是典型的 PC 连接图，显示了 RS-485 到 USB 适配器。

图 14.测试设置功能图。

总结

本文所述的电路基于ADI公司的CN-0359参考设计。

审核编辑：郭婷