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(多图) 完全隔离式电导率测量数据采集系统

ADI?? 2015年01月15日 ?? 收藏4

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可按以下方式计算:

R = ρL/A

其中:

L 是接触距离。

A 是接触面积。

电阻率的测量单位为Ω cm。当接触1 cm × 1 cm × 1 cm立方体的反面时,1 Ω cm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。

所有水溶液都在一定程度上导电。 溶液导电能力的测量指标称为电导,它是电阻的倒数。 电导的测量单位为西门子(缩写为“S”)。 向纯水中添加电解质,例如盐、酸或碱,可以提高电导并降低电阻。 电阻率表示为Ω cm,电导率表示为S/cm、mS/cm或μS/cm。

在此电路笔记中,我们使用Y作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。

电导率系统通过连接到沉浸在溶液中传感器的电子元件来测量电导。 分析仪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。

电导率传感器

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平方厘米,间距为1厘米。 对于特定的工作范围,电导池常数必须与分析仪相匹配。 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,电导池配置了很大的电极,相距很小的间距。 例如,对于电导池常数为0.01/cm的电导池,结果是电导池电阻大约为10,000 Ω,可以非常精确地测量。 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。

温度补偿

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。

图1显示的电路可实现精确的电导率测量,从较低的μS到几百mS的范围,它还优化了AD5934在很大导纳范围内的整体精度。 此外还集成了使用Pt100电阻温度检测器(RTD)的温度测量功能。 该电路可以使用8引脚IMOD(I2C接口)连接器来连接到微处理器评估板,以实现快速原型开发(Digilent Pmod规格)。

该电路主要由四个模块组成。 第一个模块是阻抗到数字转换器,包含:AD5934(U3)阻抗转换器;用于将交流信号偏置至VDD/2的跟随器(AD8606的一半,U2A);使用AD8606的另一半的电流电压转换器配置U2B。

第二个模块是可编程电阻反馈(R6、R8、R9)和校准电路(R3、R4、R7)以及8通道单刀单掷开关ADG715 (U1)。它通过I2C串行接口控制ADG715,以实现测量范围和校准程序。

第三个模块是ADuM1250 (U5)热插拔数字隔离器,用于将串行数据从AD5934 (U3)传输到IMOD CON (J2)。 第四个模块是ADuM5000 (U4),它是隔离式DC-DC转换器,具有3.3 V的输出电压,为电路提供电源。

但是,第三个模块和第四个模块是可选的,它们提供电路和微处理器评估板之间的电流隔离。 除非必须隔离,否则这两个模块不是必需的。

该电路使用CON1 (J1)连接器连接到带有内置Pt100 RTD温度传感器的电导池。

利用一个稳定的低抖动FXO-HC536R-1 (U6)石英晶体振荡器,将施加于MCLK引脚的时钟频率设置为1 MHz。此隔离器让AD5934能够激励频率为2 kHz的电导池,非常适合电导率测量。

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