【導讀】電導率傳感器技術是一個非常重要的工程技術研究領域 ,用于對液體的電導率進行測量 ,被廣泛應用于人類生產(chǎn)生活中 ,成為電力、 化工、 環(huán)保、 食品、 半導體工業(yè)、 海洋研究開發(fā)等工業(yè)生產(chǎn)與技術開發(fā)中必不可少的一種檢測與監(jiān)測裝置。電導率傳感器主要對工業(yè)生產(chǎn)用水、 人類生活用水、 海水特性、 電池中電解液性質等進行測量與檢測。
電導率傳感器的種類
電導率傳感器根據(jù)測量原理與方法的不同可以分為電極型電導率傳感器、電感型電導率傳感器以及超聲波電導率傳感器。
電極型電導率傳感器根據(jù)電解導電原理采用電阻測量法對電導率實現(xiàn)測量，其電導測量電極在測量過程中表現(xiàn)為一個復雜的電化學系統(tǒng)；電感型電導率傳感器依據(jù)電磁感應原理實現(xiàn)對液體電導率的測量；超聲波電導率傳感器根據(jù)超聲波在液體中變化對電導率進行測量，其中以前2種傳感器應用最為廣。
電極型電導率傳感器
1、兩電極型電導率傳感器技術現(xiàn)狀與特點
兩電極型電導率傳感器電導池由一對電極組成，在電極上施加一恒定的電壓，電導池中液體電阻的變化導致測量電極的電流發(fā)生變化，并符合歐姆定律，用電導率代替電阻率，用電導代替金屬中的電阻，即用電導率和電導來表示液體的導電能力，從而實現(xiàn)液體電導率的測量。
目前，兩電極型電導率傳感器測量范圍為0~20000μS/cm，并電極常數(shù)不同具有不同的量程：電極常數(shù)為0.01／cm，測量范圍為0~20μS／cm；電極常數(shù)為0.1／cm，測量范圍為0.1-200μS／cm；電極常數(shù)為1.0／cm，測量范圍為10-20 000μS/cm。
傳統(tǒng)電極型電導率傳感器電極是由一對平板電極組成，電極的正對面積與距離決定了電極常數(shù)。這種電極結構簡單，制作工藝簡單，但這種電極存在電力線邊緣效應以及電極正對面積、電極間距難以確定等問題，電極常數(shù)不能通過尺寸測量計算得出，需要通過標準進行標定，最常用的一種標準溶液是0．010 0 mol／L氯化鉀標準溶液。結合電導池原理對平板電極進行改進，開發(fā)出了圓柱形電極、點電極、線電極、復合電極等。
電極型電導率傳感器具有以下特點：1)結構簡單、制造方便；2)后續(xù)處理電路簡單、容易實現(xiàn)；3)測量精度高；4)使用方便。
2、四電極電導率傳感器技術現(xiàn)狀與特點
四電極電導池由2個電流電極和2個電壓電極組成，電壓電極和電流電極同軸，測量時被測液體在2個電流電極間的縫隙中通過，電流電極兩端施加了一個交流信號并通過電流，在液體介質里建立起電場，2個電壓電極感應產(chǎn)生電壓，使2個電壓電極兩端的電壓保持恒定，通過2個電流電極間的電流和液體電導率呈線性關系。
為了滿足海洋研究開發(fā)的需要，中國國家海洋技術中心李建國對開放式四電極電導率傳感器展開了研究與開發(fā)，成功研制了用于海水電導率測量的四電極電導率傳感器，其性能指標達到了國際先進水平：測量范圍為0～65 mS／cm；測量精度為±O．007 mS／cm。
目前成熟的四電極電導率傳感器其測量范圍為0—2S／cm，并且電極常數(shù)不同具有不同的測量范圍。
四電極電導率傳感器具有以下特點：1)電流電極同電壓電極分開，電流電極上采用恒流源供電，有效的避免了極化阻抗的影響；2)靈敏度高、抗污染能力強；3)四電極電導池具有超微結構、導流空間大、距離短，適于長期現(xiàn)場測量。
3、電極型電導率傳感器的應用
電極型電導率傳感器被廣泛應用在生產(chǎn)、生活以及軍事領域：1)人類飲用水水質的監(jiān)測；2)工業(yè)用水水質監(jiān)測；3)蓄電池電解液密度的監(jiān)測；4)電解制氧、制氫裝置中水質的監(jiān)測；5)海洋測量、海洋資源調查、海洋環(huán)境監(jiān)測。
4、電極型電導率傳感器關鍵技術
1)電極極化效應的消除
為降低電極極化帶來的測量偏差，通常采取提高供電電源的頻率、電極極板涂鉑黑、加大極板面積等方法。
2)電容效應的消除
為了消除電容效應，提高測量靈敏度，通常采取2種方法：一是加大液體電阻，這種方法不容易實現(xiàn)；二是提高頻率，降低電容容抗。但頻率的提高會受到一定的限制，一般是高阻時采用低頻，低阻采用高頻。
3)多電極電導池設計制作
多電極電導池要求每對電極保持嚴格對稱，并相對其他電極的距離固定，這對電極基座的加工提出了很高的要求。電極基座多采用高性能陶瓷材料制作，電極材料多采用高性能金屬材料，二者膨脹系數(shù)存在較大差異，造成電極的燒結、封裝困難。通常采用中間溫度系數(shù)的過渡材料進行燒結，封裝，但效果不是十分理想。
5、電極型電導率傳感器未來發(fā)展趨勢
1)多電極與微電極成為電極型電導率傳感器發(fā)展方向之一。兩電極型電導率傳感器由于存在電極極化，其測量范圍、測量精度受到極大的限制，多電極體系電導率傳感器在測量范圍、測量精度方面均取得了突破。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，目前，四電極結構的電導率傳感器已經(jīng)研制成功，并成功商業(yè)化。中國國家海洋技術中心已經(jīng)開展了七電極電導率傳感器的研究與開發(fā)，并已經(jīng)在電極結構設計、燒結、封裝等方面取得了一定的成就。
2)電導率傳感器與單片機技術、微系統(tǒng)技術結合，電導率傳感器與單片機技術、微系統(tǒng)技術結合，實現(xiàn)電導測量的自動化，使電導測量的適應性和測量精度均得到提高。
3)優(yōu)化激勵信號的形式使測量數(shù)據(jù)精度更高，采用速度更快。
4)在電極數(shù)目增加受到限制的情況下，優(yōu)化激勵順序，針對同一個電導率分布盡可能得到最多的獨立測量數(shù)據(jù)。
6、電極材料發(fā)展
由于電導率傳感器電導電極具有一定的特殊性，因此對用于制作電極的材料有一定的要求：1)良好的導電性能；2)由于電極與被測介質之間發(fā)生化學或電化學反應會腐蝕電極表面，要求電極有穩(wěn)定的化學特性。
常用的電極材料有鉑、不銹鋼、銅、銀等。鉑是一種極好的電極材料，但價格較高，在實際應用中，一般采用不銹鋼和金屬銅做電極材料。
隨著材料科學的發(fā)展與進步，一些新型的材料被用來加工電導率傳感器電極，如導電陶瓷、鈦合金等，取得了較好的效果。
電感型電導率傳感器
1、電感型電導率傳感器技術現(xiàn)狀與特點
電感型電導率傳感器采用電磁感應原理對電導率進行測量，液體的電導率在一定范圍內與感應電壓／激磁電壓呈正比關系，激磁電壓保持不變，電導率與感應電壓成正比。
電感型電導率傳感器檢測器不直接與被測液體接觸，因此，不存在電極極化與電極被污染的問題。電感型電導率傳感器的原理決定了這類傳感器僅適用于測量具有高電導率的液體：測量范圍為1000-2000000μS／cm。
電感型電導率傳感器具有以下特點：1)極強的抗污染能力與耐腐蝕性；2)不存在電極極化、電容效應，可以用于高電導率液體測量；3)結構簡單，使用方便；4)制作工藝簡單。
2、電感型電導率傳感器的應用
電感型電導率傳感器多用于高電導率液體的測量與檢測：1)海洋開發(fā)與研究，對海水的鹽度進行測量分析(深海溫鹽深剖面自記儀)；2)生活廢水、工業(yè)廢水水質的檢測；3)化工生產(chǎn)過程中單一組分溶液濃度的監(jiān)測分析；4)用于強酸、強堿濃度的測量。
3、電感型電導率傳感器關鍵技術
1)傳感器檢測器制作封裝
激磁線圈與感應線圈需要嚴格在同一軸線，為了提高測量精度，線匝需要緊密排列，并且線匝之間需要具有良好的屏蔽，降低干擾性耦合的產(chǎn)生。
2)激勵電壓、頻率
激勵電壓、頻率決定了電感型電導率傳感器的靈敏度與線性度，在傳感器結構確定的基礎上，通過試驗確定激勵電壓、頻率等參數(shù)，使傳感器獲得最佳的靈敏度與線性。
3)檢測器微型化
電感型電導率傳感器檢測由線圈構成，檢測器微型化就是將線圈直徑減小、減少匝數(shù)，線圈直徑過小、匝數(shù)過少將會影響傳感器測量的靈敏度以及測量范圍。
4、電感型電導率傳感器未來發(fā)展趨勢
1)傳感器微型化成為電感型電導率傳感器發(fā)展方向之一。材料加工制備技術的發(fā)展使得檢測器有可能實現(xiàn)微型化，從而使傳感器實現(xiàn)微型化。
2)電感型電導率傳感器與單片機、微系統(tǒng)技術結合，實現(xiàn)電導率測量的自動化。通過采用這些技術實現(xiàn)激勵信號可調控性，從而使測量精度、線性度得到提高。
隨著電導率測量技術的發(fā)展，電導率傳感器已由最初的兩電極型、電感型電導率傳感器發(fā)展到多電極、微電極電導率傳感器，可以看出：多電極、微電極、微結構已經(jīng)成為電導率傳感器發(fā)展方向，并與單片機、微系統(tǒng)等技術相結合，實現(xiàn)電導率測量的自動化、精密化。
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