用AD5933实现电导率测量的研究

    1 引言

    电导率作为重要的电化学分析参数, 其测量已经广泛应用于化工、冶金、生物、医学、粮食和水利等生产与科研部门[1-4]。随着生产和科研的不断深化, 对电导率测量的精度要求越来越高, 对其测量方法的研究具有重要的实际意义。

    电导率的测量常采用电极测量法, 即根据物质或溶液的导电特性, 测量介质电阻。这种含水物质的电导率测量, 若用直流电源, 测量结果会受极化效应的影响。为消除这些影响, 必须用交流激励源进行测量。因此, 在测量过程中, 电容是影响电阻测量的重要因素之一。

    常见的解决方案有下面几种。1) 通过电容补偿装置对电容进行补偿[6, 7], 但电容补偿装置不能随电容变化进行自动补偿, 所以应用效果并不理想。2) 相敏检波法[8]。对电极施加交流激励源, 交流激励源通过电容和介质电阻时存在相位差, 然后经过相敏检波, 低通滤波得到的直流量只与介质电阻有关, 而与电容无关, 从而达到消除电容影响的目的, 但这种方法电路较复杂。3) 双脉冲法[ 9]。对电极施加正负两个脉冲, 脉冲结束瞬间进行测量, 保证电容上电压已稳定, 没有电流流过, 电容近似开路, 仅有介质电阻起作用。这种方法因要在脉冲沿处测量, 要求硬件电路响应速度非常快。显然, 利用 AD5933 所获得的信息 ( 包括总阻抗、实部、虚部等) 来消除电容的影响, 从而提高电导率的测试精度具有重要的实用价值。本文利用AD5933 所获得的信息对溶液电导率进行了模拟测量与分析, 初步揭示了电容对电导率测量的影响, 为进一步的研究奠定了一定的基础。

    2 用 AD5933 实现阻抗测量

    2.1 AD5933 简介

    AD5933 芯片是由美国 Analog Devices 公司 2005 年推出的一种阻抗测试芯片。它采用了全新的芯片制造技术和数据处理技术, 体积小功耗低, 在 5.3×6.2mm²大小的芯片内部集成了内置温度传感器, 数模转换器和模数转换器,频率 发 生 器 , 其最高频率可达 100kHz, 且分辨 率小于0.1Hz, 频率发生器能以设定的频率对外部复杂的阻抗进行扫描。此外芯片还内置有直接数字合成器 (DDS) 、放大器滤波器等, 能通过对采样信号的数字化处理实现阻抗的测量。它是一种 1MSPS (megasamples per second) 12- bit 高精度阻抗转换系统。具有 0.5%系统精度; 能直接测量的阻抗范围是 100Ω到 10MΩ, 也可测量小于 100Ω的电阻; 能在- 40℃到+125℃的范围内稳定工作。这种片上系统可为相关测试系统设计带来极大的方便, 可大大降低有关仪器的成本。

    2.2 AD5933 的工作原理

    用 AD5933 来实现阻抗测量, 这种测量方法实质上是一种软测量方法, 即在待测变量难于直接测量的情况下,进行与之相关的易测变量的测量, 并依据易测变量与待测变量之间的数学关系, 建立数学模型, 运用各种数学计算和估计方法, 实现待测变量的测量[10]。