一種四電極電導率傳感器的研制

李學勝，盧欣春，羅孝兵，劉冠軍，王軍濤，袁穎華

(國網電力科學研究院南京南瑞集團公司，江蘇南京210003)

0 引言

電導率傳感器作為測量水溶液電導率的重要手段，被廣泛應用于環(huán)境水質監(jiān)測、電子工業(yè)用水水質評定、木材烘干、糧食水份檢測等技術領域。電導率的測量方法主要有感應式和電極式2種，電極式電導率傳感器以其具有結構尺寸小、測量電路簡單、工作穩(wěn)定可靠、成本低、能較好地消除電極極化效應等優(yōu)點而得以快速發(fā)展［1］。

目前，國外一些技術先進國家已相繼開發(fā)出了具有高技術水平的四電極、六電極、七電極、八電極電導率傳感器［2］。國內的電極式電導率傳感器一般都為二電極、三電極，遠遠落后于國際水平。近年來，四電極法測量電導率技術發(fā)展迅速，但國內開發(fā)四電極電導率儀的公司較少，用戶使用的電導率儀主要是美國哈希公司、意大利HANNA公司等國外產品［3］，而且國外的產品價格過高。

本文設計的四電極式電導率傳感，具有測量精度高、測量范圍廣、電導池穩(wěn)定、使用壽命長、價格便宜等特點，并且具有很好的沖水性，提高了抗污染和抗生物附著的能力，特別適用于水環(huán)境監(jiān)測、水質控制、海洋水文、化工等領域中。

1 四電極電導率傳感器的設計與制作

1.1 四電極電導率傳感器的結構與測量原理

四電極探頭結構如圖1所示。它是由2對電極構成。電流電極為圓柱形，相向固定于支架的兩平行絕緣壁面上，測量時在其兩端施加一交流信號并通過電流，在溶液中建立電場，以消除極化作用的影響，此時被測溶液可等效為純電阻;電壓電極為圓環(huán)形，分別與電流電極精確同軸，用來感應由電流電極產生的電壓。通過反饋電路控制電流電極間的交變電流，使電流Ic維持恒定，當溶液的電導率發(fā)生變化時，電壓電極兩端的電壓Uc相應發(fā)生變化。電壓電極回路的電壓對應于被測溶液的電導率存在某種對應關系，根據(jù)這種關系可通過測量電壓電極回路的電壓來求得溶液的電導率，即有

式中 C為電導率;K為電導池常數(shù);Rc為電導池的阻抗;Ic為通過電流電極的恒定電流;Uc為Rc兩端電壓降。

圖1 電導池測量原理圖Fig 1 Measuring principle diagram of conductivity cell

1.2 傳感器探頭的制作

傳感器長期使用過程中，為了保證電導池常數(shù)恒定，進而保證電導率傳感器的測量精度，所以，本文中探頭殼體采用黑色POM棒材加工而成，POM棒機械強度高、剛性大、硬度高、耐磨性、抗蠕變性能好、抗沖擊強度高，有非常好的尺寸穩(wěn)定性，并具有良好的耐化學腐蝕性能。

本文中電極是采用致密的石墨為原料而制，石墨具有良好的熱穩(wěn)定性，在溫度驟變的情況下，體積變化不大，不易產生裂紋、破損。在常溫下具有很好的化學穩(wěn)定性，不易受任何強酸、強堿及有機溶劑的侵蝕。同時，石墨的導熱和導電性能接近于金屬，且其可塑性強、易加工，價格便宜，正是可應用于制作電導電極的良好材料［4］。

由于電導電極采用的是石墨材料，為使電極和封裝殼體在受到溫度變化時不易分離，封裝液需與石墨有非常接近的膨脹系數(shù)，因此，本文中采用低吸水率、高絕緣性的環(huán)氧樹脂進行電極封裝。考慮到電導率儀使用環(huán)境和儀器性能，要求環(huán)氧樹脂具有高粘接強度、固化收縮率小、耐化學性能好、電絕緣性優(yōu)良、制品尺寸穩(wěn)定、吸水率低等特點。

在探頭制作過程中，要求電壓電極和電流電極同軸，兩側電極保持嚴格對稱，并相對其他電極的距離固定。另外，封裝過程中采用特殊的工藝趕出殼體、封裝液、電極之間的空氣，使封裝更密實，然后，把灌封好的傳感器探頭放入烘箱中加熱固化。

1.3 測量電路設計

測量電路設計要考慮電路在分辨率、溫度補償、穩(wěn)定性、響應時間等方面的性能。測量電路框圖如圖2所示。

圖2 測量電路框圖Fig 2 Block diagram of measurement circuit

測量時，PC機發(fā)出命令，通過信號線傳到MCU，MCU控制激勵信號源產生所需頻率的交流激勵信號，對激勵信號進行濾波放大處理后，MCU根據(jù)測量檔位，選擇適當?shù)募钚盘柗?，激勵信號電流流過校準電阻和電導池;MCU先后選擇校準電阻和電導池反饋信號，放大后，經過交直流轉換，再進行A/D轉換，獲得相應的電阻值;同時，MCU通過采集獲得溶液溫度值，然后根據(jù)溫度、電導池常數(shù)等參數(shù)進行計算、修正獲得溶液的電導率。

1.4 儀器結構

儀器結構圖如圖3所示，儀器分上下2部分，下部由電極探頭、溫度傳感器、保護套等組成，上部由測量電路板、電路板封裝殼體、密封件等組成。

圖3 結構圖Fig 3 Structure diagram

2 實驗

經過精心設計和嚴格工藝制造的電導率傳感器，其技術指標的檢驗必須經過嚴格的實驗。性能實驗主要從2個方面進行:1)在不同溫度下，測量溶液的電導率值，進行溫度補償后精度實驗。2)在保持被測溶液溫度不變的情況下，進行溶液電導率值的穩(wěn)定性實驗。

2.1 溫度補償實驗

被測溶液的電導率受溫度影響較大，同種溶液溫度越高，電導率越大;反之，則減小。溫度補償是為了克服溫度的影響，將溶液在實際溫度下的電導率值轉換為參考溫度(一般為25℃)下的電導率值。使得溶液在不同溫度下的電導率具有可比性，以滿足各行各業(yè)比對或控制指標的需要［5］。

分別取自制溶液濃度約為0.1，0.02 mol/L的NaCl溶液進行實驗，將電極探頭放入待測溶液中，再將待測溶液放入恒溫槽，從5～35℃對恒溫槽逐步進行升溫，待溫度達到設定值，穩(wěn)定一段時間后，開始讀取電導率數(shù)值，以此進行溫度補償后精度實驗。2種濃度溶液在不同溫度下測量數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。

表1 0.1mol/L溶液溫度補償實驗數(shù)據(jù)Tab 1 Temperature compensation experimental data of 0.1mol/L solution

表2 0.02mol/L溶液溫度補償實驗數(shù)據(jù)Tab 2 Temperature compensation experimental data of 0.02mol/L solution

由實驗數(shù)據(jù)知，在溫度從5～35℃變化過程中，2種濃度下，溫度補償后儀器精度誤差均小于1%，儀器能滿足精度要求。

2.2 穩(wěn)定性實驗

將儀器調試到正常工作狀態(tài)，把溶液置于25℃的恒溫槽中，使溶液的溫度恒定，將電極探頭置于被測溶液中，溶液為自制某一濃度NaCl溶液，待溫度達到25℃后開始計時，本實驗時間從2011年8月19號20:30～2011年8月22號上午8:30，歷時60 h，測量頻率為每0.5 h/次，實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)Fig 4 Stability experimental data

從圖4的實驗數(shù)據(jù)可知，經過60h的測試，實驗數(shù)據(jù)在9397μS/cm上下波動，且最小值與最大值的誤差在0.17%以內，顯示出儀器具有良好的穩(wěn)定性。

3 結論

本文從電導率傳感器的發(fā)展歷程和實際應用出發(fā)，介紹了四電極電導率儀的測量原理、結構和測量電路，通過對儀器進行特殊的結構設計和制作工藝流程，保證了四電極中兩兩的對稱性和封裝的密實性，提高了測量精度，通過材料的選擇，保證了電導池的穩(wěn)定性，提高了使用壽命，又因其采用的電極是半封閉式結構，使其具有很好的沖水性，提高了抗污染和抗生物附著的能力，既具有電極式傳感器靈敏度高的特點，又提高了電導率測量的穩(wěn)定性，特別適用于水環(huán)境監(jiān)測、水質控制、海洋水文、化工等領域中。

［1］李建國.開放式四電極電導率傳感器的研制與實驗［J］.海洋技術，2005，24(3):5-9.

［2］李建國.高性能七電極電導率傳感器技術研究［J］.海洋技術，2009，28(2):4-10.

［3］韓 威，丁海銘，馬凌宇.四電極法電導率儀電計檢測技術的探討［J］.中國計量，2003(6):63.

［4］高仁先.石墨電導電極的試驗研究［J］.山東水利科技，1990(1):47-51.

［5］張國城.電導率儀溫度補償兩套公式的根源及其優(yōu)劣［J］.中國計量，2010(8):86-88.