【導(dǎo)讀】電導(dǎo)率傳感器技術(shù)是一個非常重要的工程技術(shù)研究領(lǐng)域 ,用于對液體的電導(dǎo)率進行測量 ,被廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活中 ,成為電力、 化工、 環(huán)保、 食品、 半導(dǎo)體工業(yè)、 海洋研究開發(fā)等工業(yè)生產(chǎn)與技術(shù)開發(fā)中必不可少的一種檢測與監(jiān)測裝置。電導(dǎo)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(zhì)等進行測量與檢測。
電導(dǎo)率傳感器的種類
電導(dǎo)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(dǎo)率傳感器、電感型電導(dǎo)率傳感器以及超聲波電導(dǎo)率傳感器。
電極型電導(dǎo)率傳感器根據(jù)電解導(dǎo)電原理采用電阻測量法對電導(dǎo)率實現(xiàn)測量，其電導(dǎo)測量電極在測量過程中表現(xiàn)為一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)；電感型電導(dǎo)率傳感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)對液體電導(dǎo)率的測量；超聲波電導(dǎo)率傳感器根據(jù)超聲波在液體中變化對電導(dǎo)率進行測量，其中以前2種傳感器應(yīng)用最為廣。
電極型電導(dǎo)率傳感器
1、兩電極型電導(dǎo)率傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與特點
兩電極型電導(dǎo)率傳感器電導(dǎo)池由一對電極組成，在電極上施加一恒定的電壓，電導(dǎo)池中液體電阻的變化導(dǎo)致測量電極的電流發(fā)生變化，并符合歐姆定律，用電導(dǎo)率代替電阻率，用電導(dǎo)代替金屬中的電阻，即用電導(dǎo)率和電導(dǎo)來表示液體的導(dǎo)電能力，從而實現(xiàn)液體電導(dǎo)率的測量。
目前，兩電極型電導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，制作工藝簡單，但這種電極存在電力線邊緣效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)進行標(biāo)定，最常用的一種標(biāo)準(zhǔn)溶液是0．010 0 mol／L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液。結(jié)合電導(dǎo)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(fù)合電極等。
電極型電導(dǎo)率傳感器具有以下特點：1)結(jié)構(gòu)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(dǎo)率傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與特點
四電極電導(dǎo)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(zhì)里建立起電場，2個電壓電極感應(yīng)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(dǎo)率呈線性關(guān)系。
為了滿足海洋研究開發(fā)的需要，中國國家海洋技術(shù)中心李建國對開放式四電極電導(dǎo)率傳感器展開了研究與開發(fā)，成功研制了用于海水電導(dǎo)率測量的四電極電導(dǎo)率傳感器，其性能指標(biāo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)池具有超微結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流空間大、距離短，適于長期現(xiàn)場測量。
3、電極型電導(dǎo)率傳感器的應(yīng)用
電極型電導(dǎo)率傳感器被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活以及軍事領(lǐng)域：1)人類飲用水水質(zhì)的監(jiān)測；2)工業(yè)用水水質(zhì)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(zhì)的監(jiān)測；5)海洋測量、海洋資源調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測。
4、電極型電導(dǎo)率傳感器關(guān)鍵技術(shù)
1)電極極化效應(yīng)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(yīng)的消除
為了消除電容效應(yīng)，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(dǎo)池設(shè)計制作
多電極電導(dǎo)池要求每對電極保持嚴(yán)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(jié)、封裝困難。通常采用中間溫度系數(shù)的過渡材料進行燒結(jié)，封裝，但效果不是十分理想。
5、電極型電導(dǎo)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(dǎo)率傳感器發(fā)展方向之一。兩電極型電導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的電導(dǎo)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(shù)中心已經(jīng)開展了七電極電導(dǎo)率傳感器的研究與開發(fā)，并已經(jīng)在電極結(jié)構(gòu)設(shè)計、燒結(jié)、封裝等方面取得了一定的成就。
2)電導(dǎo)率傳感器與單片機技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，電導(dǎo)率傳感器與單片機技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)電導(dǎo)測量的自動化，使電導(dǎo)測量的適應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)率傳感器電導(dǎo)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(dǎo)電性能；2)由于電極與被測介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)會腐蝕電極表面，要求電極有穩(wěn)定的化學(xué)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(yīng)用中，一般采用不銹鋼和金屬銅做電極材料。
隨著材料科學(xué)的發(fā)展與進步，一些新型的材料被用來加工電導(dǎo)率傳感器電極，如導(dǎo)電陶瓷、鈦合金等，取得了較好的效果。
電感型電導(dǎo)率傳感器
1、電感型電導(dǎo)率傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與特點
電感型電導(dǎo)率傳感器采用電磁感應(yīng)原理對電導(dǎo)率進行測量，液體的電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)與感應(yīng)電壓／激磁電壓呈正比關(guān)系，激磁電壓保持不變，電導(dǎo)率與感應(yīng)電壓成正比。
電感型電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率的液體：測量范圍為1000-2000000μS／cm。
電感型電導(dǎo)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(yīng)，可以用于高電導(dǎo)率液體測量；3)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；4)制作工藝簡單。
2、電感型電導(dǎo)率傳感器的應(yīng)用
電感型電導(dǎo)率傳感器多用于高電導(dǎo)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(zhì)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(dǎo)率傳感器關(guān)鍵技術(shù)
1)傳感器檢測器制作封裝
激磁線圈與感應(yīng)線圈需要嚴(yán)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(dǎo)率傳感器的靈敏度與線性度，在傳感器結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)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(dǎo)率傳感器檢測由線圈構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)率傳感器發(fā)展方向之一。材料加工制備技術(shù)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(dǎo)率傳感器與單片機、微系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)電導(dǎo)率測量的自動化。通過采用這些技術(shù)實現(xiàn)激勵信號可調(diào)控性，從而使測量精度、線性度得到提高。
隨著電導(dǎo)率測量技術(shù)的發(fā)展，電導(dǎo)率傳感器已由最初的兩電極型、電感型電導(dǎo)率傳感器發(fā)展到多電極、微電極電導(dǎo)率傳感器，可以看出：多電極、微電極、微結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為電導(dǎo)率傳感器發(fā)展方向，并與單片機、微系統(tǒng)等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電導(dǎo)率測量的自動化、精密化。
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