基于单电源调频调幅平面四电极电导率传感器

廖建波

（厦门斯坦道科学仪器股份有限公司 福建省厦门市 361000）

在水质环保监测和海洋水体监测中，电导率是一个十分重要的基本监测参数指标；电导率反应了水体溶液导电能力，对电导率的精确测量具有很重要的意义；现在国内多电极电导率测量已经成为电导率传感器主要的发展路径；本文设计的小型化电导率传感器为单电源供电，对工作电源要求低，且功耗低；电极采用平面四电极，其便于清洁，电压电极和电流电极分离，有效避免极化效应，测量不会受电极自身反应而受到干扰；传感器具备长期在线监测的高稳定性，完全可以满足多种水体电导率监测需求。本文设计的单电源平面四电极电导率传感器电路，满足了传感器小型化、高精度及可靠性的要求。

1 工作原理

1.1 测量原理

通常电导率测量电极是由两个相互平行导电电极，在导电板上加上交流信号测量溶液电导率，溶液内部和电极之间形成建立了一个电化学系统，测量被测溶液等效电阻两端的电压输出值，最终换算出溶液电导率。由于采用交流激励信号以及电流电极和电压电极分离，消除了测量系统中电极极化的影响，准确测得溶液等效电阻端的电压值，大大降低了测量偏差。

1.2 平面四电极检测原理

四电极测量原理如图1所示。分为电压电极B、C，电流电极A、D。将G交流激励频率信号经电流电极A、D流入电导池，在电压电极B、C上产生电压。由于运放A的输入阻抗足够大，使得电压电极B、C两端的电流近似为零，就不会产生极化电压信号，消除了电极极化影响测量结果及精度。电流电极A、D两端施加了交流电压信号，由电压电极B、C来感应产生电压，通过运放反馈平衡电路调整电流，使电压电极两端的电压保持恒定。于是，通过电流电极间的电流和液体电导率成线性关系。根据电流和电压值，计算出液体的电导率值。

图1：四电极测量原理图

由公式（1）表示：

式中：

S—电导率，S•m-1；

K—电导池常数，与四个电极的形状、位置、大小等因素有关；

VC—RC 两端的固定压降（即电压电极之间的电压）V；

IC—通过电流电极的电流，A。

综上所述，平面四电极测量系统中电压和电流电极不共用，消除了极化影响，提升了测量稳定性及精度得到极大提升。

2 系统整体方案设计

2.1 系统框图

系统框图如图2所示，平面四电极电导率的测量设计系统中主要包括信号激励电路、电位平衡电路、量程切换电路、信号转换及信号调理电路、温度转换电路、RS485通讯电路、电源供电电路等；信号激励电路产生可调频和调幅的单极性激励信号，通过量程切换电路完成不同量程区间的切换，最后通过信号转换电路转换成直流电压，采样滤波及温度补偿算法计算，RS485通讯输出溶液电导率值。

2.2 平面四电极探头

平面四电极探头设计如图3所示，采用平面一字型排列，内两电极为电压电极，外两电极为电流电极；相对于牛眼四电极探头，结构简单，便于加工及清洁；电极平面中上侧带温度传感器金属感应点，保证温度测量的实时稳定。

图3：平面四电极探头设计

3 硬件电路设计

电导率传感器测量的硬件电路设计，采用了自带16位高速ADC的MKV30系列MCU，平面电极头集成了高精度热电阻温度传感器，通过PWM输出特定时序要求的激励信号，多通道模拟开关选择等效高精度采样电阻，实现了不同量程区间的电导率值测量。

3.1 信号激励电路

信号激励电路如图4所示，采用了三路低导通电阻的双通道开关芯片CD4053；通过MCU自带DAC输出激励脉宽可调和调幅的单极性信号，然后PWM控制模拟开关信号开关输出激励信号，即可控制PWM频率变化实现激励信号频率可调；输出两路信号用于激励信号电极；本设计低浓度下激励频率为1kHz，幅度为300mV的单极性激励信号。

图4：信号激励电路

3.2 电位平衡电路

电位平衡电路如图5所示，通过运算放大器的负反馈原理，通过正极输入激励信号，保证了电导池内电极C和电极D两端电位平衡，实现电压电极电压保持恒定状态。

图5：电位平衡电路

3.3 前端信号采集及量程切换电路

前端信号采集电路如图6所示，通过在运算放大器正向输入激励信号，电极A会跟随激励变化，采样电阻信号采样及负反馈平衡采样。在量程切换电路中采用了差分4通道多路模拟复用器CD4052，针对不同电导浓度溶液，通过模拟开关切换，选择不同阻值的采样电阻，满足不同量程信号的测量；设计中为了减小模拟开关内部导通电阻的影响，采用了模拟开关串联设计应用，保证了采样信号的稳定性。

图6：前端信号采集电路

3.4 信号转换及采集电路

信号转换采集电路如图7所示，为了满足单电源应用需求，使用+1.65V参考电压作为基准电压，使信号输出保证再0～3.3V的ADC采集范围内；利用运算放大器跟随阻抗匹配信号采样，通过采集采样电阻把电流转换成电压信号，通过时序信号控制模拟开关CD4052的各个通道切换，对电容充放电，完成交直流信号转换，再经过无源RC低通滤波，由运算放大器电压跟随后输出直流电压信号至MCU内部16位高速ADC通道采集，从而实现交流和直流信号转换采集。

图7：信号转换采集电路

4 采集时序及流程

4.1 采集时序

信号激励电路通过切换模拟开关得到所需频率和幅度的激励信号来激励电极；如图8所示，通过DAC输出基准为1.65V的幅度为300mV的单极性方波信号为采样控制时序；如图9所示，通过MVK30芯片的PWM输出1kHz的方波，控制模拟开关，输出频率及幅度可调的脉冲激励信号；如图中阴影部分所示即为加载频率信号的激励源。

图8

图9：信号激励电路

4.2 采样流程

如图10所示为传感器工作采样流程，预设初始化后，预先采样判断信号是否超出信号量程，若超出则切换采样电阻，实现量程自动切换；通过数字滤波和系数校正法进行温度补偿，从而测量出溶液中电导率值。

图10：传感器工作采样流程

表1（单位us/cm）

表2（单位us/cm）

5 测量数据分析

5.1 传感器数据标定拟合曲线

低浓度标定曲线如图11所示，电导率标液浓度为0～10000us/cm及采集电压信号做出的线性拟合曲线，拟合度达到0.9999。

图11：低浓度标定曲线

高浓度标定曲线如图12所示，电导率标液浓度为40～100ms/cm及采集电压信号做出的线性拟合曲线，拟合度达到0.9996。

图12：高浓度标定曲线

5.2 传感器标准溶液数据对比

为了测试传感器电路设计的准确性，采用不同浓度电导率标液，以及采用WTW Cond3110手持式电导率仪进行了比对测试，测试结果如表1所示；同时为了测试传感器的稳定性及可靠性，通过对高中低三个不同浓度标液，进行间隔10min采样，连续采样3次结果值，测量传感器偏差情况，测试结果如表2所示，从实验结果看，整个数据漂移低，传感器稳定性良好。

6 结论

本电导率传感器基于单电源单极性电压激励方法和平面四电极结构，避免了传统两电极结构的极化效应以及双电源供电的电路复杂度，通过设定合理的激励信号频率和幅度克服溶液中电容对测量的影响，简化了电路设计的处理，实现小型化传感器设计，其电路设计具备较好的抗干扰能力；通过多组试验验证了仪器的可靠性和测试精度，但仍具有很多提升空间，对小型化电导率传感器设计技术具有一定的参考意义。