孫風光， 張洪泉， 劉秀潔， 周 巖

(1.中國電子科技集團公司第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

在海洋研究開發(fā)與工業(yè)生產(chǎn)應用中，海水電導率檢測儀是一種非常重要的檢測和監(jiān)測海水電導率的裝置，其發(fā)展對海洋中的通信和導航效果影響很大。近年來，電極型海水電導率測量成為海水電導率檢測技術的一個重要發(fā)展方向。目前，我國正在朝著海洋強國方向發(fā)展，海洋開發(fā)及其工業(yè)應用得到了前所未有的重視。研究海水電導率檢測技術將對此產(chǎn)生非常大的貢獻，對研究海洋結構、海水成分、海洋通信、資源開發(fā)等都非常有意義。

目前在電導電極的參數(shù)上國內(nèi)儀器的發(fā)展還遠遠落后于國外，國內(nèi)應用廣泛的電極仍然是兩電極探頭，而國外已經(jīng)普遍應用四電極、六電極等多電極探頭。我國目前也加強了對四電極測量電導率[1～3]研究工作的重視，許多科研單位及高校如國家海洋技術中心、中國科學院、清華大學、浙江大學等都開展了多電極參數(shù)檢測技術的研究，并取得了一定成果。為提高測量精度，增加電極數(shù)目是未來電導率傳感器發(fā)展的必然道路。

海水這一特殊的測量環(huán)境對傳感器芯體的制作材料提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電極材料主要有不銹鋼、銀、銅等，近年來隨著新材料的發(fā)展和應用，鉑電極、鈦合金電極[4]、導電陶瓷電極開始推廣并得到廣泛應用。隨著生產(chǎn)和科研工作的不斷發(fā)展和深入研究，新的電極材料必將成為以后研究和發(fā)展的重點方向。

考慮到上述需求，本文設計了一種新型的基于石英[5]玻璃導流管、金屬鈦電極結構的四電極海水電導率傳感器芯體，目的在于從材料選擇、結構設計方面解決傳統(tǒng)電導率傳感器芯體結構復雜、體積大、性能差、精度低等問題。

1 芯體基本結構

四電極海水電導率傳感器芯體的基本結構如圖1(a)，總長度32 mm，內(nèi)徑8 mm，外徑12 mm，其中1和4為電流電極，寬度為2 mm，2和3為電壓電極，寬度為1.5 mm。4個圓環(huán)形鈦電極與內(nèi)外徑相同的石英玻璃管粘接在一起，每個石英管寬度為5 mm。1，4端施加外部電源激勵，也稱為激勵電極，2，3為輸出電極。當海水從芯體內(nèi)部流通時，會形成一個通路。經(jīng)樹脂膠封裝后的芯體結構如圖1(b)所示，僅允許內(nèi)壁與海水接觸，外壁完全絕緣密封。

圖1 芯體結構示意

2 檢測原理與實驗

2.1 檢測原理

四電極海水電導率傳感器芯體可以將電壓電極、電流電極分離開來，摒棄了二電極法的共用電極，能有效減少電極極化的不利影響。對于電壓電極上所施加的激勵源，可以選用交流恒壓源或交流恒流源，同時應使電極間流過的電流盡可能小，這樣都可以減小極化影響。電壓激勵法檢測原理[6～9]如圖2所示。

圖2 交流電壓激勵法原理

其中G為交流信號電壓發(fā)生器，b，b′為電流電極，a，a′為電壓電極。當電流流經(jīng)電壓電極a，a′時，由于集成運放A的輸入阻抗非常高，電壓電極之間產(chǎn)生的極化電壓極小，故而減小了極化效應所帶來的不利影響。激勵電流Ic通過兩個電流電極b，b′加到電導池，在兩個電壓電極a，a′之間就會有電壓降產(chǎn)生，被測水樣的電導率決定了電壓降的大小。于是，通過兩個電壓電極間的電流即線性比例于液體電導率，電導率的表達式為

(1)

式中σ為電導率,K為電導池常數(shù),Rc為電導池的阻抗,Vc為Rc兩端的電壓,Ic為通過電流電極的電流。

而實際測量時，希望能夠直接測得電壓的出電導率，可采用交流恒流源激勵法測量電導率，其測量原理如圖3所示。圖中3，4電極為電流電極，1，2電極為電壓電極，當較小的電流流過3，4電極時，通過測得1,2電極的輸出電壓，由式(1)就可得出電導率值。

圖3 交流恒流源激勵法原理

綜上，無論是電壓激勵還是電流激勵，四電極電導率檢測法具有的共同特點有：電流電極和電壓電極不再共用，有效地消除了極化阻抗的影響；四電極電導池還具有小型化構造、大跨度導流空間、傳輸距離短等特點；測量精度得到提升，靈敏度、抗污染能力等都大大提高。

2.2 實 驗

容量瓶、移液管、燒杯、試管等實驗器材必須用蒸餾水洗凈并烘干，用托盤天平稱量時先調(diào)零。稱取在105 ℃干燥2 h的優(yōu)級純氯化鉀74.246 g，用新制備的二級試劑水溶解后移入1 000 mL的容量瓶中，在(20±2)℃下稀釋至刻度，混勻，放入聚乙烯塑料瓶或硬質(zhì)玻璃瓶中密封保存，所配制的氯化鉀溶液濃度為1 mol/L。照此法配制具有一定濃度梯度的氯化鉀溶液，并按照絕對鹽度(SA)為3.5 %配制海水溶液。為避免極化效應，實驗采用交流恒壓源作為激勵源，接入傳感器激勵電極兩端，同時傳感器串聯(lián)一參考電阻器，阻值為2 kΩ。輸出電極兩端的信號經(jīng)信號調(diào)理電路接入計算機進行數(shù)據(jù)采集和進一步分析處理。電導率傳感器試驗是在具有發(fā)生不同電導率溶液濃度和不同溫度下的實驗系統(tǒng)中進行的。

3 結果分析與討論

3.1 電導池常數(shù)的校正

用校正電導池常數(shù)的電極測定已知電導率的氯化鉀標準溶液(其溫度為((25±0.1)℃))的電導，按式(2)計算電導池常數(shù)

K=(S0+S1)/S2

(2)

式中K為電導池常數(shù)，cm-1；S0為氯化鉀標準溶液的電導率，μS/cm((25±0.1)℃)；S1為配制氯化鉀溶液所用試劑水的電導率，μS/cm((25±0.1)℃)；S2為用校正電導池常數(shù)的電極。

溫度為25 ℃時，濃度為1 mol/L的氯化鉀標準溶液的電導率為111 342 μS/cm，測得的氯化鉀標準溶液的電導為47 416.67 μS，代入式(2)計算電導池常數(shù)，按此法配制不同濃度的氯化鉀溶液進行多次測量計算，最終得到電導池常數(shù)K=2.35 cm-1。

3.2 電導率的測量

溫度在25 ℃時傳感器在不同濃度的氯化鉀溶液中輸出電極兩端電壓、參考電阻器兩端電壓及換算出的溶液電導率如表1所示。溶液濃度越高，輸出電極兩端電壓越小，導電能力強，電阻值小，分壓能力弱。

根據(jù)表1記錄的測量數(shù)據(jù)繪制擬合曲線如圖4所示，并獲得電導率和濃度的關系式

y=2 602.706 08x2+108 334.714 16x+610.659 63

(3)

圖4 二次多項式擬合曲線

3.3 電導池溫度系數(shù)

濃度為1，0.1，0.01 mol/L的氯化鉀溶液，在溫度從10～30 ℃變化時，電導率隨溫度變化的關系曲線如圖5所示。

圖5 3種不同濃度氯化鉀溶液的電導率隨溫度變化曲線

圖5可反映出溶液電導率隨溫度的升高而升高，溫度在10～30 ℃范圍之間變化時，同一溶液的電導率和溫度的關系是呈線性變化。溫度系數(shù)表示溫度變化1 ℃時電導率變化的百分比，此百分比基于溫度為25 ℃時的電導率值計算。溫度系數(shù)的計算公式為

(4)

式中β1為溶液電導的溫度系數(shù),(℃)-1;σ為溫度每變化1 ℃，溶液電導率的變化值，μS/cm/℃；σ25為25 ℃下溶液的電導率，μS/cm。

圖5(a)曲線斜率為1 924，表示溫度每升高1 ℃，電導率增加1 924 μS/cm，而25 ℃下1 mol/L氯化鉀溶液的電導率為111 429.174 μS/cm。由此可得到濃度為1 mol/L時電導池的溫度系數(shù)β11(℃)-1為

β11=1 924/111 429.174×100 %=1.72 %

同理電導池濃度0.1 mol/L時溫度系數(shù)β12(℃)-1為

β12=239.73/12 583.427 5×100 %=1.905 %

電導池濃度0.01 mol/L時溫度系數(shù)β13(℃)-1為

β13=2.798/1 399.143×100 %=1.915 %

3.4 溫度補償

為了克服溫度的影響[10，11]，將溶液在實際溫度下的電導率值轉(zhuǎn)換為參考溫度下的電導率值。使得溶液在不同溫度下的電導率具有可比性，以滿足各行業(yè)比對或控制指標的需要。將25 ℃作為參考溫度時，近似的溫度補償公式為

(5)

式中σt為t溫度下溶液的電導率，μS/cm；σ25為25 ℃下溶液的電導率，μS/cm；β1為溶液電導的溫度系數(shù)。

根據(jù)式(5)給出的溫度補償公式，以25 ℃作為參考溫度，將非25 ℃下測得的電導率轉(zhuǎn)換為25 ℃下的電導率，然后計算測量誤差。1，0.1，0.01 mol/L的氯化鉀溶液在不同溫度下的溫度補償實驗測量數(shù)據(jù)如表2所示。由實驗數(shù)據(jù)知，3種濃度下，溫度補償后精度誤差均小于±1 % 。

表2 3種氯化鉀溶液溫度補償實驗數(shù)據(jù)

4 結 論

結果表明：本文設計的四電極電導率芯體應用于測試系統(tǒng)進行電導率的測試，能夠?qū)崟r采集不同濃度不同溫度下與溶液電導率相敏感的電壓信號，且用3種溶液在不同溫度下的電導率進行溫度補償后精度誤差在1%以內(nèi)。