电导率传感器技术是一个非常重要的工程技术研究领域,用于对液体的电导率进行测量,被广泛应用于人类生产生活中,成为电力、化工、环保、食品、半导体工业、海洋研究开发等工业生产与技术开发中必不可少的一种检测与监测装置。电导率传感器主要对工业生产用水、人类生活用水、海水特性、电池中电解液性质等进行测量与检测。

电导率传感器的种类


电导率传感器根据测量原理与方法的不同可以分为电极型电导率传感器、电感型电导率传感器以及超声波电导率传感器。


电极型电导率传感器根据电解导电原理采用电阻测量法对电导率实现测量，其电导测量电极在测量过程中表现为一个复杂的电化学系统；电感型电导率传感器依据电磁感应原理实现对液体电导率的测量；超声波电导率传感器根据超声波在液体中变化对电导率进行测量，其中以前2种传感器应用最为广。


电极型电导率传感器


1、两电极型电导率传感器技术现状与特点

两电极型电导率传感器电导池由一对电极组成，在电极上施加一恒定的电压，电导池中液体电阻的变化导致测量电极的电流发生变化，并符合欧姆定律，用电导率代替电阻率，用电导代替金属中的电阻，即用电导率和电导来表示液体的导电能力，从而实现液体电导率的测量。


目前，两电极型电导率传感器测量范围为0~20000μS/cm，并电极常数不同具有不同的量程：电极常数为0.01／cm，测量范围为0~20μS／cm；电极常数为0.1／cm，测量范围为0.1-200μS／cm；电极常数为1.0／cm，测量范围为10-20 000μS/cm。


传统电极型电导率传感器电极是由一对平板电极组成，电极的正对面积与距离决定了电极常数。这种电极结构简单，制作工艺简单，但这种电极存在电力线边缘效应以及电极正对面积、电极间距难以确定等问题，电极常数不能通过尺寸测量计算得出，需要通过标准进行标定，最常用的一种标准溶液是0．010 0 mol／L氯化钾标准溶液。结合电导池原理对平板电极进行改进，开发出了圆柱形电极、点电极、线电极、复合电极等。


电极型电导率传感器具有以下特点：1)结构简单、制造方便；2)后续处理电路简单、容易实现；3)测量精度高；4)使用方便。


2、四电极电导率传感器技术现状与特点

四电极电导池由2个电流电极和2个电压电极组成，电压电极和电流电极同轴，测量时被测液体在2个电流电极间的缝隙中通过，电流电极两端施加了一个交流信号并通过电流，在液体介质里建立起电�。�2个电压电极感应产生电压，使2个电压电极两端的电压保持恒定，通过2个电流电极间的电流和液体电导率呈线性关系。


为了满足海洋研究开发的需要，中国国家海洋技术中心李建国对开放式四电极电导率传感器展开了研究与开发，成功研制了用于海水电导率测量的四电极电导率传感器，其性能指标达到了国际先进水平：测量范围为0～65 mS／cm；测量精度为±O．007 mS／cm。


目前成熟的四电极电导率传感器其测量范围为0—2S／cm，并且电极常数不同具有不同的测量范围。


四电极电导率传感器具有以下特点：1)电流电极同电压电极分开，电流电极上采用恒流源供电，有效的避免了极化阻抗的影响；2)灵敏度高、抗污染能力强；3)四电极电导池具有超微结构、导流空间大、距离短，适于长期现场测量。


3、电极型电导率传感器的应用


电极型电导率传感器被广泛应用在生产、生活以及军事领域：1)人类饮用水水质的监测；2)工业用水水质监测；3)蓄电池电解液密度的监测；4)电解制氧、制氢装置中水质的监测；5)海洋测量、海洋资源调查、海洋环境监测。


4、电极型电导率传感器关键技术


1)电极极化效应的消除


为降低电极极化带来的测量偏差，通常采取提高供电电源的频率、电极极板涂铂黑、加大极板面积等方法。


2)电容效应的消除


为了消除电容效应，提高测量灵敏度，通常采取2种方法：一是加大液体电阻，这种方法不容易实现；二是提高频率，降低电容容抗。但频率的提高会受到一定的限制，一般是高阻时采用低频，低阻采用高频。


3)多电极电导池设计制作


多电极电导池要求每对电极保持严格对称，并相对其他电极的距离固定，这对电极基座的加工提出了很高的要求。电极基座多采用高性能陶瓷材料制作，电极材料多采用高性能金属材料，二者膨胀系数存在较大差异，造成电极的烧结、封装困难。通常采用中间温度系数的过渡材料进行烧结，封装，但效果不是十分理想。


5、电极型电导率传感器未来发展趋势


1)多电极与微电极成为电极型电导率传感器发展方向之一。两电极型电导率传感器由于存在电极极化，其测量范围、测量精度受到极大的限制，多电极体系电导率传感器在测量范围、测量精度方面均取得了突破。经过多年的研究开发，目前，四电极结构的电导率传感器已经研制成功，并成功商业化。中国国家海洋技术中心已经开展了七电极电导率传感器的研究与开发，并已经在电极结构设计、烧结、封装等方面取得了一定的成就。


2)电导率传感器与单片机技术、微系统技术结合，电导率传感器与单片机技术、微系统技术结合，实现电导测量的自动化，使电导测量的适应性和测量精度均得到提高。


3)优化激励信号的形式使测量数据精度更高，采用速度更快。


4)在电极数目增加受到限制的情况下，优化激励顺序，针对同一个电导率分布尽可能得到最多的独立测量数据。


6、电极材料发展


由于电导率传感器电导电极具有一定的特殊性，因此对用于制作电极的材料有一定的要求：1)良好的导电性能；2)由于电极与被测介质之间发生化学或电化学反应会腐蚀电极表面，要求电极有稳定的化学特性。


常用的电极材料有铂、不锈钢、铜、银等。铂是一种极好的电极材料，但价格较高，在实际应用中，一般采用不锈钢和金属铜做电极材料。


随着材料科学的发展与进步，一些新型的材料被用来加工电导率传感器电极，如导电陶瓷、钛合金等，取得了较好的效果。


电感型电导率传感器


1、电感型电导率传感器技术现状与特点

电感型电导率传感器采用电磁感应原理对电导率进行测量，液体的电导率在一定范围内与感应电压／激磁电压呈正比关系，激磁电压保持不变，电导率与感应电压成正比。


电感型电导率传感器检测器不直接与被测液体接触，因此，不存在电极极化与电极被污染的问题。电感型电导率传感器的原理决定了这类传感器仅适用于测量具有高电导率的液体：测量范围为1000-2000000μS／cm。


电感型电导率传感器具有以下特点：1)极强的抗污染能力与耐腐蚀性；2)不存在电极极化、电容效应，可以用于高电导率液体测量；3)结构简单，使用方便；4)制作工艺简单。


2、电感型电导率传感器的应用


电感型电导率传感器多用于高电导率液体的测量与检测：1)海洋开发与研究，对海水的盐度进行测量分析(深海温盐深剖面自记仪)；2)生活废水、工业废水水质的检测；3)化工生产过程中单一组分溶液浓度的监测分析；4)用于强酸、强碱浓度的测量。


3、电感型电导率传感器关键技术


1)传感器检测器制作封装


激磁线圈与感应线圈需要严格在同一轴线，为了提高测量精度，线匝需要紧密排列，并且线匝之间需要具有良好的屏蔽，降低干扰性耦合的产生。


2)激励电压、频率


激励电压、频率决定了电感型电导率传感器的灵敏度与线性度，在传感器结构确定的基础上，通过试验确定激励电压、频率等参数，使传感器获得最佳的灵敏度与线性。


3)检测器微型化


电感型电导率传感器检测由线圈构成，检测器微型化就是将线圈直径减小、减少匝数，线圈直径过小、匝数过少将会影响传感器测量的灵敏度以及测量范围。


4、电感型电导率传感器未来发展趋势


1)传感器微型化成为电感型电导率传感器发展方向之一。材料加工制备技术的发展使得检测器有可能实现微型化，从而使传感器实现微型化。


2)电感型电导率传感器与单片机、微系统技术结合，实现电导率测量的自动化。通过采用这些技术实现激励信号可调控性，从而使测量精度、线性度得到提高。


随着电导率测量技术的发展，电导率传感器已由最初的两电极型、电感型电导率传感器发展到多电极、微电极电导率传感器，可以看出：多电极、微电极、微结构已经成为电导率传感器发展方向，并与单片机、微系统等技术相结合，实现电导率测量的自动化、精密化。