完全隔离式电导率测量数据采集系统

连接/参考器件

AD5934

250 kSPS、12位阻抗转换器网络分析仪

AD8606

精密、低噪声、轨到轨输入/输出、CMOS、运算放大器（双通道）

ADG715

CMOS、低电压、I2C控制、八通道单刀单掷开关

ADuM1250

双通道I2C数字隔离器

ADuM5000

2.5 kV、隔离式DC/DC转换器

评估和设计支持

电路评估板

CN-0349电路评估板（EVAL-CN0349-PMDZ）

SDP-I-PMOD转接板（SDP-PMD-IB1Z）

系统演示平台，SDP-B （EVAL-SDP-CB1Z）

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1显示的电路提供了完整可靠的数据采集解决方案，用于测量被测物的电导，包括温度校正。此电路非常适合测量液体的离子含量，以及进行水质分析和化学分析。

该设计针对高精度和低成本优化，仅使用5个有源器件。校准后，该电路总误差小于1% FSR.所有器件均具有小尺寸，因此该电路非常适合注重印刷电路板（PCB）空间的应用。该电路的数字输出是完全隔离的；因此，该电路不存在接地环路干扰问题，非常适合在恶劣工业环境下使用。

图1 用于电导率测量的完全隔离式数据采集系统

电路描述

图1中显示的电路集成了AD5934 12位阻抗转换器、ADG715八通道单刀单掷（SPST）开关、AD8606轨到轨运算放大器、ADuM1250双通道I2C隔离器以及ADuM5000隔离式DC-DC转换器，形成用于电导率测量的完整数据采集系统。该电路具有板载8引脚IMOD连接器，可用于连接客户微处理器或现场可编程门阵列（FPGA）。

AD5934是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，片上集成一个可编程直接数字频率合成器（DDS）和一个12位、250 kSPS模数转换器（ADC）。可调频率发生器产生已知频率来激励外部复阻抗。片上DAC监控未知阻抗的电压和电流。AD5933是与1 MSPS ADC类似的器件。片上数字信号处理器（DSP）引擎计算离散傅里叶变换（DFT）。DFT算法在每个输出频率返回一个实部（R）数据字和一个虚部（I）数据字。

选择AD8606运算放大器的原因是该器件具有低失调电压（最大值65μV）、低偏置电流（最大值1 pA）和低噪声（最大值12 nV/√Hz）等特性。

ADG715是一款互补金属氧化物半导体（CMOS）、8通道单刀单掷开关，通过双线串行接口控制，该接口可兼容I2C接口标准。该器件的功耗较低，具有2.7 V至5.5 V的低工作电源范围和低导通电阻（通常为2.5Ω），采用小型24引脚TSSOP封装，因而成为诸多应用的理想之选。

ADuM5000是一款隔离式DC/DC转换器，具有3.3 V或5 V输出，基于ADI公司的isoPower技术，采用16引脚SOIC封装。

ADuM1250是一款支持热插拔的数字隔离器，提供非闩锁双向通信通道，且与I2C接口兼容，基于ADI公司的iCoupler芯片级变压器技术，采用8引脚SOIC封装。

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Ωcm.当接触1 cm×1 cm×1 cm立方体的反面时，1Ωcm材料的电阻为1Ω。

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Ωcm，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1μS/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