作者：Robert Lee and Walt Kester

監測水質的重要性日益增加，導致許多相關傳感器和信號調理電路的發展。水質是根據細菌計數、pH 值、化學含量、濁度和電導率來衡量的。所有水溶液都在一定程度上導電。在純水中加入鹽、酸或堿等電解質可提高電導率并降低電阻率。本文重點介紹電導率測量。

純水不含大量電解質，當樣品受到施加的電壓時，僅傳導少量電流，因此其電導率較低。另一方面，樣品中的大量電解質會導致更多的電流傳導——其電導率更高。

通常從電阻而不是電導的角度來思考，但兩者是相互的。材料或液體的電阻率ρ定義為材料立方體的電阻，該立方體在相對的表面上具有完全導電的觸點。其他形狀的電阻R可以通過下式計算

其中：
L 是觸點之間的距離。
A 是觸點的區域。

電阻率以 Ω 厘米為單位進行測量。1 Ω cm 材料在 1 cm × cm × 1 cm 立方體的相對面上接觸時的電阻為 1 Ω。

電導只是電阻的倒數，電導率是電阻率的倒數。電導的測量單位是西門子（S），電導率的測量單位是S/cm、mS/cm或μS/cm。

就本文而言，Y 是以 S/cm、mS/cm 或 μS/cm 為單位測量的電導率的一般符號。然而，在許多情況下，為了方便起見，去掉了距離項，電導率簡單地表示為S、mS或μS。

使用電導池測量電導率

電導率系統通過連接到傳感器（稱為電導池）的電子設備來測量電導率，該傳感器浸入溶液中，如圖1所示。

圖1.電導池和電子元件之間的接口（EVAL-CN0359-EB1Z）。

電子電路在傳感器上印上交流電壓，并測量產生的電流的大小，這與電導率有關。由于電導率具有較大的溫度系數（高達4%/°C），因此電路中集成了一個集成的溫度傳感器，以將讀數調節到標準溫度，通常為25°C （77°F）。測量溶液時，必須考慮水本身電導率的溫度系數。為了精確補償溫度，必須使用第二個溫度傳感器和補償網絡。

接觸式傳感器通常由兩個彼此絕緣的電極組成。電極，通常是316型不銹鋼，鈦鈀合金或石墨，具有特定的尺寸和間隔，以提供已知的電池常數。從理論上講，1.0/cm的電極常數描述了兩個電極，每個電極的大小為1cm2面積，相距1厘米。對于給定的操作范圍，電極常數必須與測量系統匹配。例如，如果在電導率為1μS/cm的純水中使用電極常數為1.0/cm的傳感器，則電池的電阻為1 MΩ。相反，海水中的同一電池具有30 Ω的阻力。由于電阻比如此之大，普通儀器很難僅用一個電極常數準確測量這種極端情況。

當測量1μS/cm溶液時，電池配置有間隔一小段距離的大面積電極。例如，電池常數為 0.01/cm 的電池導致測得的電池電阻約為 10 kΩ，而不是 1 MΩ。精確測量 10 kΩ 比測量 1 MΩ 更容易;因此，通過使用具有不同電極常數的電極，測量儀器可以在超純水和高電導率海水的相同電極電阻范圍內工作。

電極常數 K 定義為電極之間的距離 L 與電極面積 A 的比值：

然后，儀器測量電池電導率Y：

液體的電導率，YX，然后計算：

電導池有兩種類型：帶有兩個電極的電導池和帶有四個電極的電導池，如圖2所示。電極通常被稱為極點。

圖2.2 極和 4 極電導池。

2極傳感器更適合低電導率測量，如純化水以及各種生物和制藥液體。4極傳感器更適合高電導率測量，如廢水和海水分析。

2 極電池的電池常數范圍約為 0.1/cm 至 1/cm，4 極電池的電池常數范圍為 1/cm 至 10/cm。

4極電池消除了電極極化和場效應引入的誤差，這些誤差會干擾測量。

電極的實際配置可以是平行環、同軸導體或其他電極，而不是圖2所示的簡單平行板。

無論電池類型如何，重要的是不要向任何電極施加直流電壓，因為液體中的離子會積聚在電極表面上，從而導致極化、測量誤差和電極損壞。

對于帶有屏蔽的傳感器，請特別注意，例如同軸傳感器。屏蔽必須連接到與盛放液體的金屬容器相同的電位。如果容器接地，則必須將屏蔽連接到電路板接地。

最后的預防措施是不要超過電池的額定激勵電壓或電流。以下電路允許100 mV至10 V的可編程激勵電壓，R23 （1 kΩ）串聯電阻將最大電池電流限制為10 mA。

電路說明

圖3所示電路是一個完全獨立的、微處理器控制的高精度電導率測量系統，非常適合測量液體的離子含量、水質分析、工業質量控制和化學分析。

精心挑選的精密信號調理組件組合可在0.1 μS至10 S（10 MΩ至0.1 Ω）的電導率范圍內產生優于0.3%的精度，無需校準。

為 100 Ω 或 1000 Ω鉑 （Pt） 電阻溫度器件 （RTD） 提供自動檢測，允許電導率測量參考室溫。

該系統可容納 2 線或 4 線電導池，以及 2 線、3 線或 4 線 RTD，以提高精度和靈活性。

該電路以最小的直流失調產生精確的交流激勵電壓，以避免電導電極上的極化電壓損壞。交流激勵的幅度和頻率可由用戶編程。

創新的同步采樣技術將激勵電壓和電流的峰峰值幅度轉換為直流值，以便使用精密模擬微控制器中包含的雙通道24位Σ-Δ ADC進行精確和輕松處理。

直觀的用戶界面是LCD顯示屏和編碼器按鈕。如果需要，該電路可以使用RS-485接口與PC通信，并采用4 V至7 V單電源供電。

圖3.高性能電導率測量系統（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）。

電導池的激勵方波是通過使用ADuCM360微控制器的PWM輸出在+VEXC和?VEXC電壓之間切換ADG1419產生的。重要的是，方波具有精確的50%占空比和非常低的直流偏移。即使是很小的直流偏移也會在一段時間內損壞電池。

+VEXC和?VEXC電壓由運算放大器ADA4077-2（U9A和U9B）產生，其幅度由ADuCM360的DAC輸出控制，如圖4所示。

圖4.激勵電壓源。

ADA4077-2的典型失調電壓為15 μV（A級）、0.4 nA偏置電流、0.1 nA失調電流和高達±10 mA的輸出電流，壓差小于1.2 V。U9A運算放大器的閉環增益為8.33，可將ADuCM360內部DAC輸出（0 V至1.2 V）轉換為0 V至10 V的+VEXC電壓。U9B 運算放大器反相 +VEXC 并產生 ?VEXC 電壓。選擇 R22 使得 R22 = R24||R27實現一階偏置電流消除。U9A的15 μV失調電壓引起的誤差約為（2 × 15 μV），÷10 V = 3 ppm。因此，反相級引入的主要誤差是R24和R27之間的電阻匹配誤差。

ADG1419是一款2.1 Ω導通電阻SPDT模擬開關，在±10 V范圍內具有50 mΩ的導通電阻平坦度，非常適合從±VEXC電壓產生對稱方波。ADG1419引入的對稱誤差典型值為50 mΩ÷1 kΩ = 50 ppm。電阻R23將通過傳感器的最大電流限制為10 V/1 kΩ = 10 mA。

施加到電池的電壓V1由AD8253儀表放大器（U15）測量。U15的正輸入由ADA4000-1 （U14）緩沖。之所以選擇ADA4000-1，是因為其偏置電流僅為5 pA，可將測量與低電導率相關的低電流誤差降至最低。AD8253的負輸入不需要緩沖。

U14和U15的失調電壓由同步采樣級消除，不影響測量精度。

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

U19 （ADA4627-1） 級是一款精密電流電壓轉換器，可將通過傳感器的電流轉換為電壓。ADA4627-1的失調電壓為120 μV（典型值，A級），偏置電流為1 pA（典型值），壓擺率為40 V/μs，建立時間為550 ns至0.01%。低偏置電流和失調電壓使其成為該級的理想選擇。120 μV失調誤差產生的對稱誤差僅為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基準電壓源。

以下是電壓通道中信號路徑其余部分（U17A、U17B、U10、U13、U12A 和 U12B）的說明。當前通道（U17C、U17D、U16、U21、U20A 和 U20B）的操作是相同的。

ADuCM360為ADG1419開關產生PWM0方波開關信號，為同步采樣級生成PWM1和PWM2同步信號。電池電壓和三個時序波形如圖5所示。

圖5.電池電壓和采樣保持定時信號。

AD8253的放大器輸出（U15）驅動兩個并聯的采樣保持電路，該電路由ADG1211開關（U17A/U17B）、串聯電阻（R34/R36）、保持電容（C50/C73）和單位增益緩沖器（U10/U13）組成。

ADG1211是一款低電荷注入、四通道SPST模擬開關，采用±15 V電源供電，輸入信號高達±10 V。開關引起的最大電荷注入為4 pC，÷4.7 μF = 0.9 μV時，產生的電壓誤差僅為4 pC。

PWM1信號使U10采樣保持緩沖器跟蹤傳感器電壓的負周期，然后將其保持到下一個跟蹤周期。因此，U10采樣保持緩沖器的輸出是對應于傳感器電壓方波負幅度的直流電平。

類似地，PWM2信號使U13采樣保持緩沖器跟蹤傳感器電壓的正周期，然后將其保持到下一個跟蹤周期。因此，U13采樣保持緩沖器的輸出是對應于傳感器電壓方波正幅度的直流電平。

采樣保持緩沖器（ADA4638-1）的偏置電流典型值為45 pA，ADG1211開關的漏電流典型值為20 pA。因此，4.7 μF保持電容上的最差情況漏電流為65 pA。對于 100 Hz 激勵頻率，周期為 10 ms。由于65 pA漏電流，超過周期（5 ms）的一半（5 ms）的壓降為（65 pA×5 ms），÷4.7 μF = 0.07 μV。

零漂移放大器ADA4638-1的失調電壓典型值僅為0.5 μV，誤差可以忽略不計。

ADC之前信號鏈的最后階段是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的典型失調電壓為0.3 μV，因此誤差可以忽略不計。

衰減器級將±10 V最大信號降至±1.6 V，共模電壓為1.65 V。該范圍與ADuCM360 ADC輸入的輸入范圍兼容，對于3.3 V的AVDD電源，該輸入范圍為0 V至3.3 V （1.65 V± 1.65 V）。

衰減器級還提供噪聲濾波，?3 dB頻率約為198 kHz。

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

兩個輸出的方程由下式給出

電池電流由下式給出

The V2P-P電壓由下式給出

求解方程 8 for IP-P代入公式 7 得到 Y 的以下結果X:

求解V1的公式5和公式6P-P和 V2P-P代入公式9得到如下結果：

公式11顯示，電導率測量取決于G1、G2和R47，以及VOUT2與VOUT1的比值。因此，ADuCM360中的ADC不需要精密基準電壓源。

AD8253增益誤差（G1和G2）最大值為0.04%，R47被選為容差為0.1%的電阻。

由此，VOUT1和VOUT2信號鏈中的電阻決定了整個系統的精度。

軟件按如下方式設置每個AD8253的增益：

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

如果ADC代碼小于滿量程的8.8%，則AD8253的增益在下一個采樣時增加10倍。

系統精度測量

以下四個電阻會影響VOUT1電壓通道的精度：R19、R20、R29和R31。

以下五個電阻會影響VOUT2電流通道的精度：R47、R37、R38、R48和R52。

假設所有9個電阻的容差均為0.1%，包括AD8253的0.04%增益誤差，則最差情況誤差分析的容差約為0.6%。該分析包含在CN-0359設計支持包中。

實際上，電阻更有可能以RSS方式組合，正或負信號鏈中的電阻容差引起的RSS誤差為√5×0.1% = 0.22%。

使用1 Ω至1 MΩ（1 S至1 μS）的精密電阻進行精度測量，以模擬電導池。圖6顯示了結果，最大誤差小于0.1%。

圖6.系統誤差 （%） 與電導率的關系為 1 μS 至 1 S。

熱電阻測量

電導率測量系統的精度取決于其溫度補償。由于常見的溶液溫度系數變化在1%/°C到3%/°C或更多之間，因此必須使用具有可調溫度補償的測量儀器。溶液溫度系數在某種程度上是非線性的，通常也隨實際電導率而變化。因此，在實際測量溫度下進行校準可產生最佳精度。

ADuCM360內置兩個匹配的軟件可配置激勵電流源。它們可單獨配置，以提供 10 μA 至 1 mA 的電流輸出，匹配優于 0.5%。電流源使ADuCM360能夠輕松對Pt100或Pt1000 RTD進行2線、3線或4線測量。該軟件還會自動檢測RTD是Pt100還是Pt1000。

以下討論顯示了不同RTD配置如何工作的簡化原理圖。所有模式切換均在軟件中完成，無需更改外部跳線設置。

圖7顯示了4線RTD的配置。

圖7.4線RTD連接的配置。

通往遠程RTD的每個引線中的寄生電阻顯示為RP.激勵電流（IEXC）通過精密1.5 kΩ電阻和RTD。片內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。

重要的是選擇R13電阻和IEXC激勵電流值，使ADuCM360在AIN7上的最大輸入電壓不超過AVDD ? 1.1 V;否則，IEXC 電流源將無法正常工作。

RTD 電壓使用連接到 AIN6 和 AIN5 的兩根檢測引線精確測量。輸入阻抗約為2 MΩ（無緩沖模式，PGA增益= 1），流過檢測引線電阻的電流產生的誤差最小。然后，ADC測量RTD電壓（V6 ? V5）。

RTD電阻的計算公式為：

測量是比率式的，不依賴于精確的外部基準電壓，僅取決于1.5 kΩ電阻的容差。此外，4線配置消除了與引線電阻相關的誤差。

ADuCM360具有緩沖或無緩沖輸入選項。如果激活內部緩沖器，輸入電壓必須大于100 mV。1 kΩ/36 Ω電阻分壓器為RTD提供115 mV偏置電壓，允許緩沖工作。在無緩沖模式下，J3的4端子可以接地并連接到接地屏蔽以降低噪聲。

3線連接是另一種常用的RTD配置，可消除引線電阻誤差，如圖8所示。

圖8.3線RTD連接的配置。

第二個匹配的 IEXC 電流源 （AIN5/IEXC） 在與端子 3 串聯的引線電阻兩端產生電壓，以抵消與端子 1 串聯的引線電阻兩端的電壓降。因此，測得的V8 ? V5電壓沒有引線電阻誤差。

圖9顯示了2線RTD配置，其中沒有引線電阻補償。

圖9.2線RTD連接的配置。

2線配置是成本最低的電路，適用于不太重要的應用、短RTD連接和更高電阻的RTD，如Pt1000。

電源電路

為了簡化系統要求，所有必需的電壓（±15 V和+3.3 V）均由4 V至7 V單電源產生，如圖10所示。

ADP2300降壓穩壓器為電路板產生3.3 V電源。該設計基于可下載的ADP230x降壓穩壓器設計工具（zip）。

ADP1613升壓穩壓器產生+15 V穩壓電源和非穩壓?15 V電源。?15 V電源由電荷泵產生。該設計基于ADP161x升壓穩壓器設計工具（zip）。

使用適當的布局和接地技術，以防止開關穩壓器噪聲耦合到模擬電路中。有關更多詳細信息，請參閱線性電路設計手冊、數據轉換手冊、MT-031 教程和 MT-101 教程。

圖 10.電源電路。

圖11顯示了LCD背光驅動電路。

圖 11.液晶背光驅動器。

AD8592運算放大器的每一半都充當60 mA電流源，為LCD背光電流供電。AD8592的拉電流和吸收電流高達250 mA，100 nF電容可確保軟啟動。

硬件、軟件和用戶界面

包括軟件在內的完整電路可作為實驗室參考設計中的CN-0359電路提供。電路板 EVAL-CN0359-EB1Z 預裝了進行電導率測量所需的代碼。實際代碼可在CN-0359設計支持包的CN0359-SourceCode.zip文件中找到。

用戶界面直觀且易于使用。所有用戶輸入均來自雙功能按鈕/旋轉編碼器旋鈕。編碼器旋鈕可以順時針或逆時針旋轉（無機械停止），也可以用作按鈕。

圖 12 是 EVAL-CN0359-EB1Z 板的照片，顯示了 LCD 顯示屏和編碼器旋鈕的位置。

圖 12.EVAL-CN0359-EB1Z 板的照片顯示了測量模式下的主屏幕。

連接后，電導池和RTD板通電。液晶屏如圖12所示。

編碼器旋鈕用于輸入激勵電壓、激勵頻率、電導池的溫度系數、電極常數、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顯示屏。

圖 13.液晶顯示屏。

EVAL-CN0359-EB1Z設計為由EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6 V電源供電。EVAL-CN0359-EB1Z 只需要電源、外部電導池和 RTD 即可運行。

EVAL-CN0359-EB1Z還具有RS-485連接器J2，允許外部PC與電路板連接。連接器J4是一個JTAG/SWD接口，用于對ADuCM360進行編程和調試。

圖 14 是典型的 PC 連接圖，顯示了 RS-485 到 USB 適配器。

圖 14.測試設置功能圖。

總結

本文所述的電路基于ADI公司的CN-0359參考設計。

審核編輯：郭婷