基于單電源調(diào)頻調(diào)幅平面四電極電導(dǎo)率傳感器

廖建波

（廈門斯坦道科學(xué)儀器股份有限公司 福建省廈門市 361000）

在水質(zhì)環(huán)保監(jiān)測(cè)和海洋水體監(jiān)測(cè)中，電導(dǎo)率是一個(gè)十分重要的基本監(jiān)測(cè)參數(shù)指標(biāo)；電導(dǎo)率反應(yīng)了水體溶液導(dǎo)電能力，對(duì)電導(dǎo)率的精確測(cè)量具有很重要的意義；現(xiàn)在國(guó)內(nèi)多電極電導(dǎo)率測(cè)量已經(jīng)成為電導(dǎo)率傳感器主要的發(fā)展路徑；本文設(shè)計(jì)的小型化電導(dǎo)率傳感器為單電源供電，對(duì)工作電源要求低，且功耗低；電極采用平面四電極，其便于清潔，電壓電極和電流電極分離，有效避免極化效應(yīng)，測(cè)量不會(huì)受電極自身反應(yīng)而受到干擾；傳感器具備長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的高穩(wěn)定性，完全可以滿足多種水體電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)需求。本文設(shè)計(jì)的單電源平面四電極電導(dǎo)率傳感器電路，滿足了傳感器小型化、高精度及可靠性的要求。

1 工作原理

1.1 測(cè)量原理

通常電導(dǎo)率測(cè)量電極是由兩個(gè)相互平行導(dǎo)電電極，在導(dǎo)電板上加上交流信號(hào)測(cè)量溶液電導(dǎo)率，溶液內(nèi)部和電極之間形成建立了一個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)，測(cè)量被測(cè)溶液等效電阻兩端的電壓輸出值，最終換算出溶液電導(dǎo)率。由于采用交流激勵(lì)信號(hào)以及電流電極和電壓電極分離，消除了測(cè)量系統(tǒng)中電極極化的影響，準(zhǔn)確測(cè)得溶液等效電阻端的電壓值，大大降低了測(cè)量偏差。

1.2 平面四電極檢測(cè)原理

四電極測(cè)量原理如圖1所示。分為電壓電極B、C，電流電極A、D。將G交流激勵(lì)頻率信號(hào)經(jīng)電流電極A、D流入電導(dǎo)池，在電壓電極B、C上產(chǎn)生電壓。由于運(yùn)放A的輸入阻抗足夠大，使得電壓電極B、C兩端的電流近似為零，就不會(huì)產(chǎn)生極化電壓信號(hào)，消除了電極極化影響測(cè)量結(jié)果及精度。電流電極A、D兩端施加了交流電壓信號(hào)，由電壓電極B、C來(lái)感應(yīng)產(chǎn)生電壓，通過(guò)運(yùn)放反饋平衡電路調(diào)整電流，使電壓電極兩端的電壓保持恒定。于是，通過(guò)電流電極間的電流和液體電導(dǎo)率成線性關(guān)系。根據(jù)電流和電壓值，計(jì)算出液體的電導(dǎo)率值。

圖1：四電極測(cè)量原理圖

由公式（1）表示：

式中：

S—電導(dǎo)率，S?m-1；

K—電導(dǎo)池常數(shù)，與四個(gè)電極的形狀、位置、大小等因素有關(guān)；

VC—RC 兩端的固定壓降（即電壓電極之間的電壓）V；

IC—通過(guò)電流電極的電流，A。

綜上所述，平面四電極測(cè)量系統(tǒng)中電壓和電流電極不共用，消除了極化影響，提升了測(cè)量穩(wěn)定性及精度得到極大提升。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖2所示，平面四電極電導(dǎo)率的測(cè)量設(shè)計(jì)系統(tǒng)中主要包括信號(hào)激勵(lì)電路、電位平衡電路、量程切換電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路、溫度轉(zhuǎn)換電路、RS485通訊電路、電源供電電路等；信號(hào)激勵(lì)電路產(chǎn)生可調(diào)頻和調(diào)幅的單極性激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)量程切換電路完成不同量程區(qū)間的切換，最后通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成直流電壓，采樣濾波及溫度補(bǔ)償算法計(jì)算，RS485通訊輸出溶液電導(dǎo)率值。

2.2 平面四電極探頭

平面四電極探頭設(shè)計(jì)如圖3所示，采用平面一字型排列，內(nèi)兩電極為電壓電極，外兩電極為電流電極；相對(duì)于牛眼四電極探頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工及清潔；電極平面中上側(cè)帶溫度傳感器金屬感應(yīng)點(diǎn)，保證溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)穩(wěn)定。

圖3：平面四電極探頭設(shè)計(jì)

3 硬件電路設(shè)計(jì)

電導(dǎo)率傳感器測(cè)量的硬件電路設(shè)計(jì)，采用了自帶16位高速ADC的MKV30系列MCU，平面電極頭集成了高精度熱電阻溫度傳感器，通過(guò)PWM輸出特定時(shí)序要求的激勵(lì)信號(hào)，多通道模擬開關(guān)選擇等效高精度采樣電阻，實(shí)現(xiàn)了不同量程區(qū)間的電導(dǎo)率值測(cè)量。

3.1 信號(hào)激勵(lì)電路

信號(hào)激勵(lì)電路如圖4所示，采用了三路低導(dǎo)通電阻的雙通道開關(guān)芯片CD4053；通過(guò)MCU自帶DAC輸出激勵(lì)脈寬可調(diào)和調(diào)幅的單極性信號(hào)，然后PWM控制模擬開關(guān)信號(hào)開關(guān)輸出激勵(lì)信號(hào)，即可控制PWM頻率變化實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)頻率可調(diào)；輸出兩路信號(hào)用于激勵(lì)信號(hào)電極；本設(shè)計(jì)低濃度下激勵(lì)頻率為1kHz，幅度為300mV的單極性激勵(lì)信號(hào)。

圖4：信號(hào)激勵(lì)電路

3.2 電位平衡電路

電位平衡電路如圖5所示，通過(guò)運(yùn)算放大器的負(fù)反饋原理，通過(guò)正極輸入激勵(lì)信號(hào)，保證了電導(dǎo)池內(nèi)電極C和電極D兩端電位平衡，實(shí)現(xiàn)電壓電極電壓保持恒定狀態(tài)。

圖5：電位平衡電路

3.3 前端信號(hào)采集及量程切換電路

前端信號(hào)采集電路如圖6所示，通過(guò)在運(yùn)算放大器正向輸入激勵(lì)信號(hào)，電極A會(huì)跟隨激勵(lì)變化，采樣電阻信號(hào)采樣及負(fù)反饋平衡采樣。在量程切換電路中采用了差分4通道多路模擬復(fù)用器CD4052，針對(duì)不同電導(dǎo)濃度溶液，通過(guò)模擬開關(guān)切換，選擇不同阻值的采樣電阻，滿足不同量程信號(hào)的測(cè)量；設(shè)計(jì)中為了減小模擬開關(guān)內(nèi)部導(dǎo)通電阻的影響，采用了模擬開關(guān)串聯(lián)設(shè)計(jì)應(yīng)用，保證了采樣信號(hào)的穩(wěn)定性。

圖6：前端信號(hào)采集電路

3.4 信號(hào)轉(zhuǎn)換及采集電路

信號(hào)轉(zhuǎn)換采集電路如圖7所示，為了滿足單電源應(yīng)用需求，使用+1.65V參考電壓作為基準(zhǔn)電壓，使信號(hào)輸出保證再0～3.3V的ADC采集范圍內(nèi)；利用運(yùn)算放大器跟隨阻抗匹配信號(hào)采樣，通過(guò)采集采樣電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)時(shí)序信號(hào)控制模擬開關(guān)CD4052的各個(gè)通道切換，對(duì)電容充放電，完成交直流信號(hào)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)無(wú)源RC低通濾波，由運(yùn)算放大器電壓跟隨后輸出直流電壓信號(hào)至MCU內(nèi)部16位高速ADC通道采集，從而實(shí)現(xiàn)交流和直流信號(hào)轉(zhuǎn)換采集。

圖7：信號(hào)轉(zhuǎn)換采集電路

4 采集時(shí)序及流程

4.1 采集時(shí)序

信號(hào)激勵(lì)電路通過(guò)切換模擬開關(guān)得到所需頻率和幅度的激勵(lì)信號(hào)來(lái)激勵(lì)電極；如圖8所示，通過(guò)DAC輸出基準(zhǔn)為1.65V的幅度為300mV的單極性方波信號(hào)為采樣控制時(shí)序；如圖9所示，通過(guò)MVK30芯片的PWM輸出1kHz的方波，控制模擬開關(guān)，輸出頻率及幅度可調(diào)的脈沖激勵(lì)信號(hào)；如圖中陰影部分所示即為加載頻率信號(hào)的激勵(lì)源。

圖8

圖9：信號(hào)激勵(lì)電路

4.2 采樣流程

如圖10所示為傳感器工作采樣流程，預(yù)設(shè)初始化后，預(yù)先采樣判斷信號(hào)是否超出信號(hào)量程，若超出則切換采樣電阻，實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換；通過(guò)數(shù)字濾波和系數(shù)校正法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而測(cè)量出溶液中電導(dǎo)率值。

圖10：傳感器工作采樣流程

表1（單位us/cm）

表2（單位us/cm）

5 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

5.1 傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定擬合曲線

低濃度標(biāo)定曲線如圖11所示，電導(dǎo)率標(biāo)液濃度為0～10000us/cm及采集電壓信號(hào)做出的線性擬合曲線，擬合度達(dá)到0.9999。

圖11：低濃度標(biāo)定曲線

高濃度標(biāo)定曲線如圖12所示，電導(dǎo)率標(biāo)液濃度為40～100ms/cm及采集電壓信號(hào)做出的線性擬合曲線，擬合度達(dá)到0.9996。

圖12：高濃度標(biāo)定曲線

5.2 傳感器標(biāo)準(zhǔn)溶液數(shù)據(jù)對(duì)比

為了測(cè)試傳感器電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，采用不同濃度電導(dǎo)率標(biāo)液，以及采用WTW Cond3110手持式電導(dǎo)率儀進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示；同時(shí)為了測(cè)試傳感器的穩(wěn)定性及可靠性，通過(guò)對(duì)高中低三個(gè)不同濃度標(biāo)液，進(jìn)行間隔10min采樣，連續(xù)采樣3次結(jié)果值，測(cè)量傳感器偏差情況，測(cè)試結(jié)果如表2所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，整個(gè)數(shù)據(jù)漂移低，傳感器穩(wěn)定性良好。

6 結(jié)論

本電導(dǎo)率傳感器基于單電源單極性電壓激勵(lì)方法和平面四電極結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)兩電極結(jié)構(gòu)的極化效應(yīng)以及雙電源供電的電路復(fù)雜度，通過(guò)設(shè)定合理的激勵(lì)信號(hào)頻率和幅度克服溶液中電容對(duì)測(cè)量的影響，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)的處理，實(shí)現(xiàn)小型化傳感器設(shè)計(jì)，其電路設(shè)計(jì)具備較好的抗干擾能力；通過(guò)多組試驗(yàn)驗(yàn)證了儀器的可靠性和測(cè)試精度，但仍具有很多提升空間，對(duì)小型化電導(dǎo)率傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)具有一定的參考意義。