李學(xué)勝，盧欣春，羅孝兵，劉冠軍，王軍濤，袁穎華

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京210003)

0 引言

電導(dǎo)率傳感器作為測(cè)量水溶液電導(dǎo)率的重要手段，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)、電子工業(yè)用水水質(zhì)評(píng)定、木材烘干、糧食水份檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域。電導(dǎo)率的測(cè)量方法主要有感應(yīng)式和電極式2種，電極式電導(dǎo)率傳感器以其具有結(jié)構(gòu)尺寸小、測(cè)量電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、成本低、能較好地消除電極極化效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而得以快速發(fā)展［1］。

目前，國(guó)外一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家已相繼開發(fā)出了具有高技術(shù)水平的四電極、六電極、七電極、八電極電導(dǎo)率傳感器［2］。國(guó)內(nèi)的電極式電導(dǎo)率傳感器一般都為二電極、三電極，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際水平。近年來(lái)，四電極法測(cè)量電導(dǎo)率技術(shù)發(fā)展迅速，但國(guó)內(nèi)開發(fā)四電極電導(dǎo)率儀的公司較少，用戶使用的電導(dǎo)率儀主要是美國(guó)哈希公司、意大利HANNA公司等國(guó)外產(chǎn)品［3］，而且國(guó)外的產(chǎn)品價(jià)格過(guò)高。

本文設(shè)計(jì)的四電極式電導(dǎo)率傳感，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、電導(dǎo)池穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，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(cè)、水質(zhì)控制、海洋水文、化工等領(lǐng)域中。

1 四電極電導(dǎo)率傳感器的設(shè)計(jì)與制作

1.1 四電極電導(dǎo)率傳感器的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理

四電極探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由2對(duì)電極構(gòu)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(cè)量時(shí)在其兩端施加一交流信號(hào)并通過(guò)電流，在溶液中建立電場(chǎng)，以消除極化作用的影響，此時(shí)被測(cè)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(lái)感應(yīng)由電流電極產(chǎn)生的電壓。通過(guò)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(dāng)溶液的電導(dǎo)率發(fā)生變化時(shí)，電壓電極兩端的電壓Uc相應(yīng)發(fā)生變化。電壓電極回路的電壓對(duì)應(yīng)于被測(cè)溶液的電導(dǎo)率存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系可通過(guò)測(cè)量電壓電極回路的電壓來(lái)求得溶液的電導(dǎo)率，即有

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

圖1 電導(dǎo)池測(cè)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(zhǎng)期使用過(guò)程中，為了保證電導(dǎo)池常數(shù)恒定，進(jìn)而保證電導(dǎo)率傳感器的測(cè)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(jī)械強(qiáng)度高、剛性大、硬度高、耐磨性、抗蠕變性能好、抗沖擊強(qiáng)度高，有非常好的尺寸穩(wěn)定性，并具有良好的耐化學(xué)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(chǎn)生裂紋、破損。在常溫下具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易受任何強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及有機(jī)溶劑的侵蝕。同時(shí)，石墨的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能接近于金屬，且其可塑性強(qiáng)、易加工，價(jià)格便宜，正是可應(yīng)用于制作電導(dǎo)電極的良好材料［4］。

由于電導(dǎo)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(shí)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(jìn)行電極封裝?？紤]到電導(dǎo)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(qiáng)度、固化收縮率小、耐化學(xué)性能好、電絕緣性優(yōu)良、制品尺寸穩(wěn)定、吸水率低等特點(diǎn)。

在探頭制作過(guò)程中，要求電壓電極和電流電極同軸，兩側(cè)電極保持嚴(yán)格對(duì)稱，并相對(duì)其他電極的距離固定。另外，封裝過(guò)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(shí)，然后，把灌封好的傳感器探頭放入烘箱中加熱固化。

1.3 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

測(cè)量電路設(shè)計(jì)要考慮電路在分辨率、溫度補(bǔ)償、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間等方面的性能。測(cè)量電路框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量電路框圖Fig 2 Block diagram of measurement circuit

測(cè)量時(shí)，PC機(jī)發(fā)出命令，通過(guò)信號(hào)線傳到MCU，MCU控制激勵(lì)信號(hào)源產(chǎn)生所需頻率的交流激勵(lì)信號(hào)，對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理后，MCU根據(jù)測(cè)量檔位，選擇適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)幅度，激勵(lì)信號(hào)電流流過(guò)校準(zhǔn)電阻和電導(dǎo)池;MCU先后選擇校準(zhǔn)電阻和電導(dǎo)池反饋信號(hào)，放大后，經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得相應(yīng)的電阻值;同時(shí)，MCU通過(guò)采集獲得溶液溫度值，然后根據(jù)溫度、電導(dǎo)池常數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、修正獲得溶液的電導(dǎo)率。

1.4 儀器結(jié)構(gòu)

儀器結(jié)構(gòu)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(hù)套等組成，上部由測(cè)量電路板、電路板封裝殼體、密封件等組成。

圖3 結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram

2 實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和嚴(yán)格工藝制造的電導(dǎo)率傳感器，其技術(shù)指標(biāo)的檢驗(yàn)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)。性能實(shí)驗(yàn)主要從2個(gè)方面進(jìn)行:1)在不同溫度下，測(cè)量溶液的電導(dǎo)率值，進(jìn)行溫度補(bǔ)償后精度實(shí)驗(yàn)。2)在保持被測(cè)溶液溫度不變的情況下，進(jìn)行溶液電導(dǎo)率值的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。

2.1 溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

被測(cè)溶液的電導(dǎo)率受溫度影響較大，同種溶液溫度越高，電導(dǎo)率越大;反之，則減小。溫度補(bǔ)償是為了克服溫度的影響，將溶液在實(shí)際溫度下的電導(dǎo)率值轉(zhuǎn)換為參考溫度(一般為25℃)下的電導(dǎo)率值。使得溶液在不同溫度下的電導(dǎo)率具有可比性，以滿足各行各業(yè)比對(duì)或控制指標(biāo)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將電極探頭放入待測(cè)溶液中，再將待測(cè)溶液放入恒溫槽，從5～35℃對(duì)恒溫槽逐步進(jìn)行升溫，待溫度達(dá)到設(shè)定值，穩(wěn)定一段時(shí)間后，開始讀取電導(dǎo)率數(shù)值，以此進(jìn)行溫度補(bǔ)償后精度實(shí)驗(yàn)。2種濃度溶液在不同溫度下測(cè)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(bǔ)償實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 2 Temperature compensation experimental data of 0.02mol/L solution

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，在溫度從5～35℃變化過(guò)程中，2種濃度下，溫度補(bǔ)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(shí)驗(yàn)

將儀器調(diào)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(cè)溶液中，溶液為自制某一濃度NaCl溶液，待溫度達(dá)到25℃后開始計(jì)時(shí)，本實(shí)驗(yàn)時(shí)間從2011年8月19號(hào)20:30～2011年8月22號(hào)上午8:30，歷時(shí)60 h，測(cè)量頻率為每0.5 h/次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig 4 Stability experimental data

從圖4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)60h的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在9397μS/cm上下波動(dòng)，且最小值與最大值的誤差在0.17%以內(nèi)，顯示出儀器具有良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文從電導(dǎo)率傳感器的發(fā)展歷程和實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，介紹了四電極電導(dǎo)率儀的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路，通過(guò)對(duì)儀器進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作工藝流程，保證了四電極中兩兩的對(duì)稱性和封裝的密實(shí)性，提高了測(cè)量精度，通過(guò)材料的選擇，保證了電導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(diǎn)，又提高了電導(dǎo)率測(cè)量的穩(wěn)定性，特別適用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)控制、海洋水文、化工等領(lǐng)域中。

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

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

［3］韓 威，丁海銘，馬凌宇.四電極法電導(dǎo)率儀電計(jì)檢測(cè)技術(shù)的探討［J］.中國(guó)計(jì)量，2003(6):63.

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

［5］張國(guó)城.電導(dǎo)率儀溫度補(bǔ)償兩套公式的根源及其優(yōu)劣［J］.中國(guó)計(jì)量，2010(8):86-88.