全自动自校准电导率丈量体系

Fully AutomaTIc Self-Calibrated ConducTIvity Measurement System

全自动自校准电导率丈量体系

作者：Robert Lee 和Walt Kester

简介

跟着水质监测变得日益重要，人们开发了多种相关传感器和信号调度电路。水质的丈量目标包含细菌数、pH值、化学成分、浊度和电导率。一切水溶液都在必定程度上导电。向纯水中添加电解质，例如盐、酸或碱，能够进步电导率并下降电阻率。本文要点评论电导率丈量。

纯水中不包含许多电解质，当样本处于必定的电压下时，只能传导很小的电流 — 因而它的电导率很低。相反，假如样本中存在许多电解质，将会传导更多电流 — 它的电导率更高。

咱们更多从电阻而不是电导的视点来看待导电才干，但两者互为倒数。资料或液体的电阻率ρ界说为：当立方体形状的资料相对面彻底导电触摸时，该资料的电阻。其他形状资料的电阻R可按以下方法核算：

R = ρ L /A （1）

其间：

L 是触摸面间隔。

A 是触摸面积。

电阻率的丈量单位为? cm。当触摸1 cm &TImes; 1 cm &TImes; 1 cm 立方体的向对面时，1 ? cm资料的电阻为1 ?。

电导是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。电导的丈量单位为西门子（S），电导率的丈量单位为S/cm、mS/cm或μS/cm。

在本文中，Y为电导率的通用符号，丈量单位为S/cm、mS/cm或µS/cm。但在许多状况下，为便利起见，咱们会省掉间隔项，电导率仅标明为S、mS或µS。

运用电导池丈量电导率

电导率丈量电路经过衔接到沉浸在溶液中的传感器（称为电导池）来丈量电导率，如图1所示。

图1.电导池与电导率丈量电路的衔接（EVAL-CN0359-EB1Z）

丈量电路对传感器施加沟通电压，并丈量发生的电流巨细，电流与电导率相关。因为电导率具有很大温度系数（最高到达4%/°C），因而电路中集成了必需的温度传感器，用于将读数调整为规范温度，一般为25°C （77°F）。对溶液进行丈量时，有必要考虑水自身的电导率的温度系数。为了准确地补偿温度，有必要运用额定的温度传感器和补偿网络。

触摸型传感器一般包含彼此绝缘的两个电极。电极一般为316型不锈钢、钛钯合金或石墨，具有特定的巨细和间隔，以供给已知的电极常数。从理论上说，1.0/cm的电极常数标明两个电极，每个电极面积为1 cm2，间隔为1 cm。关于特定的作业规模，电极常数有必要与丈量体系相匹配。例如，假如在电导率为1 µS/cm的纯水中运用电极常数为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。因为电阻改动规模过大，一般仪器很难在单一电极常数状况下准确丈量此类极点状况。

对1 µS/cm溶液进行丈量时，电导池装备了大面积电极，相距很小的电极间隔。例如，关于电导池常数为0.01/cm的电导池，其电导池电阻丈量值约为10 k?，而非1 MΩ。准确丈量10 k?比丈量1 M?愈加简略；因而，关于超纯水和高电导率海水，运用具有不同电极常数的电导池，丈量外表可在相同的电导池电阻规模内作业。

电极常数K界说为电极之间隔离L与电极面积A的比值：

K = L/A （2）

然后，仪器丈量电导池电导Y：

Y = I/V （3）

液体电导率YX可核算如下：

YX = K × Y （4）

有两类电导池：一类选用两个电极，另一类选用四个电极，如图2所示。电极一般称为极。

图2.双极和四极电导池。

双极传感器比较合适低电导率丈量时运用，比方纯净水和各种生物与医药液体四极传感器更合适高电导率丈量，比方废水和海水剖析。

双极电导池的电极常数规模大致是从0.1/cm到1/cm，而四极电导池的电极常数规模是从1/cm到10/cm。

四极电导池能够消除电极极化和电场效应引起的差错；这些差错或许会搅扰丈量。

电极的实践装备能够是平行环、同轴导体等，而不会是如图2所示的简略平行板。

不管电导池为何种类型，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外表集合，然后导致极化效应并发生丈量差错，更有或许损坏电极。

若选用同轴传感器，则应当留意传感器的屏蔽。屏蔽电极有必要衔接与盛放液体的金属容器相同的电位。假如容器接地，则屏蔽电极有必要衔接电路板的接地端。

别的需求保证鼓励信号不要超越电导池鼓励电压或鼓励电流的额定值。电路答应的可编程鼓励电压规模为100 mV至10 V，而且R23 （1 kΩ）串联电阻将最大电导池电流限制为10 mA。

电路描绘

图3中的电路是一个彻底独立运转、微处理器操控的高精度电导率丈量体系，适用于丈量液体的离子含量、水质剖析、工业质量操控以及化学剖析。

经过细心挑选的精细信号调度元件组合可在0.1 µS至10 S（10 M?至0.1 ?）电导率规模内供给优于0.3%的精度，且无需校准。

针对100 ?或1000 ?铂（Pt）电阻温度传感器（RTD）供给自动检测功用，答应以室温为参阅丈量电导率。

体系支撑双线式或四线式电导池以及双线式、三线式或四线式RTD，以进步精度和灵活性。

该电路能以极小的直流失调发生准确沟通鼓励电压，然后防止电导电极上的极化电压构成危害。用户可编程操控沟通鼓励信号的起伏和频率。

立异的同步采样技能可将鼓励电压和电流的峰峰值起伏转化为直流值，这样不只提升了精度，一起简化了内置于精细模仿微操控器的双通道24位Σ-Δ型ADC关于信号的处理。

选用LCD显现器和编码器按钮完成直观的用户界面。该电路能够按需运用RS-485接口完成与PC的通讯，并选用4 V至7 V单电源供电。

电导池的鼓励方波经过运用ADuCM360 微操控器的PWM输出在+VEXC和−VEXC电压之间切换ADG1419发生。方波有必要具有准确的50%占空比和极低的直流失调电压。哪怕很小的直流失调电压都会在一段时刻之后损坏电导池。

图3.高功用电导率丈量体系（原理示意图：未显现一切衔接和去耦）。

+VEXC和−VEXC电压由ADA4077-2运算放大器（U9A和U9B）发生，这两个电压的起伏由ADuCM360的DAC输出操控，如图4所示。

图4.鼓励电压源。

ADA4077-2的失调电压典型值为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的内部DAC输出（0 V至1.2 V）转化为0 V至10 V规模的+VEXC电压。U9B运算放大器回转+VEXC，发生−VEXC电压。挑选R22，使得R22 = R24||R27，以便消除一阶偏置电流。由U9A的15 µV失调电压发生的差错约为（2 × 15 µV） ÷ 10 V = 3 ppm。因而，反相级发生的首要差错是R24和R27之间的电阻匹配差错。

ADG1419是一个2.1 ?导通电阻单刀双掷模仿开关，在±10 V规模内的导通电阻平整度为50 m?，十分合适从±EXC电压发生对称方波信号。ADG1419导致的对称差错一般为50 m? ÷1 k? = 50 ppm。电阻R23将经过传感器的最大电流限制为10 V/1 k? = 10 mA。

施加到电导池上的电压V1选用AD8253外表放大器（U15）进行丈量。U15正输入由ADA4000-1 （U14）缓冲。挑选ADA4000-1是因为它具有5 pA低偏置电流，可最大幅削减低电导率相关的低电流丈量差错。AD8253的负输入不需求缓冲。

同步采样级能够消除U14和U15的失调电压，然后不影响丈量精度。

U15和U18选用AD8253 10 MHz、20 V/µs、可编程增益（G = 1、10、100、1000）外表放大器，增益差错低于0.04%。AD8253压摆率为20 V/µs，0.001%树立时刻为1.8 µs（G = 1000）。其共模按捺典型值为120 dB。

U19 （ADA4627-1）级是一个精细电流-电压转化器，可将流过传感器的电流转化为电压。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%树立时刻为550 ns。这款器材的低偏置电流和低失调电压功用使其成为该级的抱负挑选。120 µV失调差错发生的对称差错仅为120 µV/10 V = 12 ppm。

U22A和U22B（AD8542）缓冲器分别为U18和U15外表放大器供给1.65 V基准电压。

下面介绍电压通道信号途径上的其他器材（U17A、U17B、U10、U13、U12A和U12B）。电流通道（U17C、U17D、U16、U21、U20A和U20B）的作业状况相同。

ADuCM360能发生PWM0方波开关信号以供ADG1419开关运用，而且还能发生PWM1和PWM2同步信号供同步采样级运用。电导池的电压和三个时序波形如图5所示。

图5.电导池电压和采样坚持时序信号。

AD8253外表放大器（U15）输出驱动两个并行的采样坚持电路；这两个电路由ADG1211开关（U17A/U17B）、串联电阻（R34/R36）、坚持电容（C50/C73）以及单位增益缓冲器（U10/U13）组成。

ADG1211是一个低电荷注入、四通道单刀单掷模仿开关，作业电源电压为±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，发生的电压差错仅为4 pC ÷ 4.7 µF = 0.9 µV。

PWM1信号使U10采样坚持缓冲器可在传感器电压的负周期采样，然后坚持直至下一个采样周期。因而，U10采样坚持缓冲器输出等于传感器电压方波负幅值对应的直流电平。

类似地，PWM2信号使U13采样坚持缓冲器可在传感器电压的正周期采样，然后坚持直至下一个采样周期。因而，U13采样坚持缓冲器输出等于传感器电压方波正幅值对应的直流电平。

采样坚持缓冲器（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。因而，4.7 µF坚持电容的最差状况漏电流为65 pA。关于100 Hz鼓励频率而言，周期为10 ms。因为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，其差错奉献能够忽略不计。

信号链上坐落ADC前面的最终一级是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的失调电压典型值为0.3 µV，因而差错奉献能够忽略不计。

衰减器级可将±10 V最大信号下降为±1.6 V，共模电压为1.65 V。该规模为与ADuCM360 ADC输入规模适当，即选用3.3 V AVDD电源时为0 V至3.3 V （1.65 V ± 1.65 V）。

衰减器级相同供给噪声过滤功用，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。

核算输出的两个等式如下所示：

电导池电流由下式确认：

V2P-P电压由下式确认：

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显现电导率丈量取决于G1、G2和R47，以及VOUT2和VOUT1的比值。因而，ADuCM360内置的ADC无需运用精细基准电压源。

AD8253增益差错（G1和G2）最大值为0.04%，而且R47挑选0.1%容差的电阻。

从该点开端，VOUT1和VOUT2信号链的电阻便决议了总体系精度。

软件对每个AD8253的增益按如下所述进行设置：

? 假如ADC代码超越满量程的94%，则AD8253的增益鄙人一个采样削减10倍。

? 假如ADC代码低于满量程的8.8%，则AD8253的增益鄙人一个采样添加10倍。

体系精度丈量

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。

假定一切9个电阻均为0.1%容差并包含AD8253的0.04%增益差错，则最差状况下的差错剖析标明差错约为0.6%。剖析内容在CN-0359规划支撑包中。

在实践运用中，电阻差错更有或许采纳RSS方法进行组合，且正或负信号链上的电阻容差导致的RSS差错为√5 × 0.1% = 0.22%。

运用1 Ω至1 MΩ（1 S至1 μS）精细电阻进行精度丈量，以仿真电导池。图6显现了成果，最大差错不到0.1%。

图6.体系差错（%）与电导率（1 μS至1 S）的联系。

RTD丈量

电导率丈量体系精度只要经过温度补偿才干到达最佳。因为常见溶液温度系数在1%/°C至3%/°C或更高值之间改动，因而有必要运用带有可调温度补偿的丈量仪器。溶液温度系数在某种程度上对错线性的，一般还跟着实践电导率改动。因而，在实践丈量温度下进行校准能够到达最佳精度。

ADuCM360内置两个匹配的软件可装备鼓励电流源。它们可独自装备，供给10 μA至1 mA电流输出，匹配优于0.5%。电流源答应ADuCM360针对Pt100或Pt1000 RTD轻松履行双线式、三线式或四线式丈量。软件还能自动检测RTD是否为Pt100或Pt1000。

下文给出了不同RTD装备怎么作业的简化原理图。一切形式切换均经过软件完成，无需改动外部跳线设置。

图7显现了四线式RTD装备。

图7.4线RTD衔接装备。

每个衔接长途RTD的引脚寄生电阻以RP标明。鼓励电流（IEXC）流过1.5 kΩ精细电阻和RTD。片上ADC丈量RTD（V6 – V5）两头的电压，并运用R13 （V7 – V8）两头的电压作为基准电压。

挑选R13电阻和IEXC鼓励电流值，使得AIN7上的ADuCM360 最大输入电压不超越AVDD − 1.1 V，这一点十分重要；不然，IEXC电流源会作业反常。

RTD电压能够运用两个衔接AIN6和AIN5的检测引脚进行准确丈量。输入阻抗约为2 MΩ（无缓冲形式，PGA增益 = 1），而且流过检测引脚电阻的电流引起的差错极小。然后，ADC丈量RTD电压（V6 − V5）。

随后便可按如下所示核算RTD电阻：

丈量值是一个份额值，且与准确的外部基准电压无关，而仅与1.5 kΩ电阻容差有关。此外，四线式装备可消除引脚电阻相关的差错。

ADuCM360供给带缓冲与不带缓冲的输入选项。假如激活内部缓冲器，则输入电压有必要大于100 mV。1 kΩ/36 Ω电阻分压器能为RTD供给115 mV偏置电压，答应以缓冲方法作业。在无缓冲形式下，J3引脚4能够接地，并衔接接地屏蔽，以削减噪声。

三线式衔接是另一种运用广泛的RTD装备，可消除引脚电阻差错，如图8所示。

图8.3线RTD衔接装备。

第二个匹配的IEXC电流源（AIN5/IEXC）在引脚电阻上构成一个电压，并与端点3串联，消除与端点1串联的引脚电阻上的压降。因而，测得的V8 − V5电压不存在引脚电阻差错。

图9显现了双线式RTD装备，无引脚电阻补偿。

图9.双线RTD衔接装备。

双线式装备是本钱最低的电路，适用于非要害型运用、短引线RTD衔接以及较高电阻RTD（比方Pt1000）等。

电源电路

为了简化体系要求，一切必需的电压（±15 V和+3.3 V）均由4 V至7 V单电源发生，如图10所示。

ADP2300降压调节器发生电路板所需的3.3 V电源电压。该规划依据可供下载的ADP230x降压稳压器规划东西。

ADP1613升压调节器发生+15 V稳压电源电压以及−15 V未稳压电源电压。−15 V电源电压选用电荷泵发生。该规划依据可供下载的ADP161x升压稳压器规划东西。

选用正确的布局和接地技能以防止开关调节器噪声耦合至模仿电路。有关更多详细信息，请参阅《线性电路规划手册》、《数据转化手册》、 《MT-031攻略》、《MT-101 攻略》。

图10.电源电路。

图11显现LCD背光驱动器电路。

图11.LCD背光驱动器。

AD8592内置的两个运算放大器均用作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%&&&&&%以保证软启动。

硬件、软件和用户界面

完好电路（包含软件）能够在Circuits from the Lab参阅规划的CN-0359规划包中找到EVAL-CN0359-EB1Z电路板预加载了进行电导率丈量所需的程序。代码在CN-0359规划支撑包的CN0359-SourceCode.zip文件中。

具有直观且易于运用的用户界面。一切用户输入均来自双功用按钮/旋转编码器旋钮。编码器旋钮可顺时针旋转或逆时针旋转（无机械限位），也可用作按钮。

图12是EVAL-CN0359-EB1Z板的相片，显现了LCD显现器和编码器旋钮方位。

图12.EVAL-CN0359-EB1Z板相片，显现丈量形式下的主画面。

连线后，板上的电导池和RTD上电。LCD屏幕如图12所示。

编码器旋钮用于输入鼓励电压、鼓励频率、电导池温度系数、电导池常数、树立时刻、坚持时刻、RS-485波特率和地址、LCD对比度等。图13显现了一些LCD显现截屏。

图13.LCD显现屏幕。

依据规划，EVAL-CN0359-EB1Z需选用 EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6 V电源供电。EVAL-CN0359-EB1Z仅需电源、外部电导池和RTD即可作业。

EVAL-CN0359-EB1Z还供给RS-485衔接器J2，答应外部PC与此板完成接口。衔接器J4是一个JTAG/SWD接口，可用于为ADuCM360编程和调试。

图14为典型PC衔接示意图，显现RS-485至USB适配器。

图14.测验设置功用框图。