隨著水質(zhì)監(jiān)測變得日益重要，人們開發(fā)了多種相關(guān)傳感器和信號調(diào)理電路。水質(zhì)的測量指標包括細菌數(shù)、pH值、化學成分、濁度和電導率。所有水溶液都在一定程度上導電。向純水中添加電解質(zhì)，例如鹽、酸或堿，可以提高電導率并降低電阻率。本文重點討論電導率測量。

純水中不包含大量電解質(zhì)，當樣本處于一定的電壓下時，只能傳導很小的電流 — 因此它的電導率很低。相反，如果樣本中存在大量電解質(zhì)，將會傳導更多電流 — 它的電導率更高。

我們更多從電阻而不是電導的角度來看待導電能力，但兩者互為倒數(shù)。材料或液體的電阻率ρ定義為：當立方體形狀的材料相對面完全導電接觸時，該材料的電阻。其他形狀材料的電阻R可按以下方式計算：

R = ρ L /A （1）

其中：

L 是接觸面間距。

A 是接觸面積。

電阻率的測量單位為? cm。當接觸1 cm &TImes; 1 cm &TImes; 1 cm 立方體的向?qū)γ鏁r，1 ? cm材料的電阻為1 ?。

電導是電阻的倒數(shù)，電導率是電阻率的倒數(shù)。電導的測量單位為西門子（S），電導率的測量單位為S/cm、mS/cm或μS/cm。

在本文中，Y為電導率的通用符號，測量單位為S/cm、mS/cm或μS/cm。但在很多情況下，為方便起見，我們會省略距離項，電導率僅表示為S、mS或μS。

電導率測量電路通過連接到沉浸在溶液中的傳感器（稱為電導池）來測量電導率，如圖1所示。

圖1.電導池與電導率測量電路的連接（EVAL-CN0359-EB1Z）

測量電路對傳感器施加交流電壓，并測量產(chǎn)生的電流大小，電流與電導率相關(guān)。由于電導率具有很大溫度系數(shù)（最高達到4%/°C），因此電路中集成了必需的溫度傳感器，用于將讀數(shù)調(diào)整為標準溫度，通常為25°C （77°F）。對溶液進行測量時，必須考慮水本身的電導率的溫度系數(shù)。為了精確地補償溫度，必須使用額外的溫度傳感器和補償網(wǎng)絡。

接觸型傳感器通常包括相互絕緣的兩個電極。電極通常為316型不銹鋼、鈦鈀合金或石墨，具有特定的大小和間距，以提供已知的電極常數(shù)。從理論上說，1.0/cm的電極常數(shù)表示兩個電極，每個電極面積為1 cm2，間距為1 cm。對于特定的工作范圍，電極常數(shù)必須與測量系統(tǒng)相匹配。例如，如果在電導率為1 μS/cm的純水中使用電極常數(shù)為1.0/cm的傳感器，則電導池的電阻為1 MΩ。相反，相同電導池在海水中的電阻為30 Ω。由于電阻變化范圍過大，普通儀器很難在單一電極常數(shù)情況下精確測量此類極端情況。

對1 μS/cm溶液進行測量時，電導池配置了大面積電極，相距很小的電極間距。例如，對于電導池常數(shù)為0.01/cm的電導池，其電導池電阻測量值約為10 k?，而非1 MΩ。精確測量10 k?比測量1 M?更加容易；因此，對于超純水和高電導率海水，使用具有不同電極常數(shù)的電導池，測量儀表可在相同的電導池電阻范圍內(nèi)工作。

電極常數(shù)K定義為電極之間距離L與電極面積A的比值：

K = L/A （2）

然后，儀器測量電導池電導Y：

Y = I/V （3）

液體電導率YX可計算如下：

YX = K × Y （4）

有兩類電導池：一類采用兩個電極，另一類采用四個電極，如圖2所示。電極通常稱為極。

圖2.雙極和四極電導池。

雙極傳感器比較適合低電導率測量時使用，比如純凈水和各種生物與醫(yī)藥液體四極傳感器更適合高電導率測量，比如廢水和海水分析。

雙極電導池的電極常數(shù)范圍大致是從0.1/cm到1/cm，而四極電導池的電極常數(shù)范圍是從1/cm到10/cm。

四極電導池可以消除電極極化和電場效應引起的誤差；這些誤差可能會干擾測量。

電極的實際配置可以是平行環(huán)、同軸導體等，而不會是如圖2所示的簡單平行板。

無論電導池為何種類型，都不可在電極上施加直流電壓，因為液體中的離子會在電極表面聚集，從而導致極化效應并產(chǎn)生測量誤差，更有可能損壞電極。

若采用同軸傳感器，則應當注意傳感器的屏蔽。屏蔽電極必須連接與盛放液體的金屬容器相同的電位。如果容器接地，則屏蔽電極必須連接電路板的接地端。

另外需要保證激勵信號不要超過電導池激勵電壓或激勵電流的額定值。電路允許的可編程激勵電壓范圍為100 mV至10 V，并且R23 （1 kΩ）串聯(lián)電阻將最大電導池電流限制為10 mA。

圖3中的電路是一個完全獨立運行、微處理器控制的高精度電導率測量系統(tǒng)，適用于測量液體的離子含量、水質(zhì)分析、工業(yè)質(zhì)量控制以及化學分析。

經(jīng)過仔細選擇的精密信號調(diào)理元件組合可在0.1 μS至10 S（10 M?至0.1 ?）電導率范圍內(nèi)提供優(yōu)于0.3%的精度，且無需校準。

針對100 ?或1000 ?鉑（Pt）電阻溫度傳感器（RTD）提供自動檢測功能，允許以室溫為參考測量電導率。

系統(tǒng)支持雙線式或四線式電導池以及雙線式、三線式或四線式RTD，以提高精度和靈活性。

該電路能以極小的直流失調(diào)產(chǎn)生精確交流激勵電壓，從而避免電導電極上的極化電壓造成損害。用戶可編程控制交流激勵信號的幅度和頻率。

創(chuàng)新的同步采樣技術(shù)可將激勵電壓和電流的峰峰值幅度轉(zhuǎn)化為直流值，這樣不僅提升了精度，同時簡化了內(nèi)置于精密模擬微控制器的雙通道24位Σ-Δ型ADC對于信號的處理。

采用LCD顯示器和編碼器按鈕實現(xiàn)直觀的用戶界面。該電路可以按需使用RS-485接口實現(xiàn)與PC的通信，并采用4 V至7 V單電源供電。

電導池的激勵方波通過使用ADuCM360 微控制器的PWM輸出在+VEXC和?VEXC電壓之間切換ADG1419產(chǎn)生。方波必須具有精確的50%占空比和極低的直流失調(diào)電壓。哪怕很小的直流失調(diào)電壓都會在一段時間之后損壞電導池。

圖3.高性能電導率測量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）。

+VEXC和?VEXC電壓由ADA4077-2運算放大器（U9A和U9B）產(chǎn)生，這兩個電壓的幅度由ADuCM360的DAC輸出控制，如圖4所示。

圖4.激勵電壓源。

ADA4077-2的失調(diào)電壓典型值為15 μV（A級），偏置電流為0.4 nA，失調(diào)電流為0.1 nA，輸出電流最高為±10 mA，壓差低于1.2 V。U9A運算放大器的閉環(huán)增益為8.33，可將ADuCM360的內(nèi)部DAC輸出（0 V至1.2 V）轉(zhuǎn)換為0 V至10 V范圍的+VEXC電壓。U9B運算放大器反轉(zhuǎn)+VEXC，產(chǎn)生?VEXC電壓。選擇R22，使得R22 = R24||R27，以便消除一階偏置電流。由U9A的15 μV失調(diào)電壓產(chǎn)生的誤差約為（2 × 15 μV） ÷ 10 V = 3 ppm。因此，反相級產(chǎn)生的主要誤差是R24和R27之間的電阻匹配誤差。

ADG1419是一個2.1 ?導通電阻單刀雙擲模擬開關(guān)，在±10 V范圍內(nèi)的導通電阻平坦度為50 m?，非常適合從±EXC電壓產(chǎn)生對稱方波信號。ADG1419導致的對稱誤差通常為50 m? ÷1 k? = 50 ppm。電阻R23將通過傳感器的最大電流限制為10 V/1 k? = 10 mA。

施加到電導池上的電壓V1采用AD8253儀表放大器（U15）進行測量。U15正輸入由ADA4000-1 （U14）緩沖。選擇ADA4000-1是因為它具有5 pA低偏置電流，可最大幅減少低電導率相關(guān)的低電流測量誤差。AD8253的負輸入不需要緩沖。

同步采樣級可以消除U14和U15的失調(diào)電壓，從而不影響測量精度。

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

U19 （ADA4627-1）級是一個精密電流-電壓轉(zhuǎn)換器，可將流過傳感器的電流轉(zhuǎn)換為電壓。ADA4627-1失調(diào)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，0.01%建立時間為550 ns。這款器件的低偏置電流和低失調(diào)電壓性能使其成為該級的理想選擇。120 μV失調(diào)誤差產(chǎn)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。

下面介紹電壓通道信號路徑上的其余器件（U17A、U17B、U10、U13、U12A和U12B）。電流通道（U17C、U17D、U16、U21、U20A和U20B）的工作情況相同。

ADuCM360能產(chǎn)生PWM0方波開關(guān)信號以供ADG1419開關(guān)使用，并且還能產(chǎn)生PWM1和PWM2同步信號供同步采樣級使用。電導池的電壓和三個時序波形如圖5所示。

圖5.電導池電壓和采樣保持時序信號。

AD8253儀表放大器（U15）輸出驅(qū)動兩個并行的采樣保持電路；這兩個電路由ADG1211開關(guān)（U17A/U17B）、串聯(lián)電阻（R34/R36）、保持電容（C50/C73）以及單位增益緩沖器（U10/U13）組成。

ADG1211是一個低電荷注入、四通道單刀單擲模擬開關(guān)，工作電源電壓為±15 V，輸入信號最高可達±10 V。開關(guān)導致的最大電荷注入為4 pC，產(chǎn)生的電壓誤差僅為4 pC ÷ 4.7 μF = 0.9 μV。

PWM1信號使U10采樣保持緩沖器可在傳感器電壓的負周期采樣，然后保持直至下一個采樣周期。因此，U10采樣保持緩沖器輸出等于傳感器電壓方波負幅值對應的直流電平。

類似地，PWM2信號使U13采樣保持緩沖器可在傳感器電壓的正周期采樣，然后保持直至下一個采樣周期。因此，U13采樣保持緩沖器輸出等于傳感器電壓方波正幅值對應的直流電平。

采樣保持緩沖器（ADA4638-1）的偏置電流典型值為45 pA，而ADG1211開關(guān)的漏電流典型值為20 pA。因此，4.7 μF保持電容的最差情況漏電流為65 pA。對于100 Hz激勵頻率而言，周期為10 ms。由于65 pA漏電流而導致的半周期（