一种四电极电导率传感器的研制

李学胜，卢欣春，罗孝兵，刘冠军，王军涛，袁颖华

(国网电力科学研究院南京南瑞集团公司，江苏南京210003)

0 引言

电导率传感器作为测量水溶液电导率的重要手段，被广泛应用于环境水质监测、电子工业用水水质评定、木材烘干、粮食水份检测等技术领域。电导率的测量方法主要有感应式和电极式2种，电极式电导率传感器以其具有结构尺寸小、测量电路简单、工作稳定可靠、成本低、能较好地消除电极极化效应等优点而得以快速发展［1］。

目前，国外一些技术先进国家已相继开发出了具有高技术水平的四电极、六电极、七电极、八电极电导率传感器［2］。国内的电极式电导率传感器一般都为二电极、三电极，远远落后于国际水平。近年来，四电极法测量电导率技术发展迅速，但国内开发四电极电导率仪的公司较少，用户使用的电导率仪主要是美国哈希公司、意大利HANNA公司等国外产品［3］，而且国外的产品价格过高。

本文设计的四电极式电导率传感，具有测量精度高、测量范围广、电导池稳定、使用寿命长、价格便宜等特点，并且具有很好的冲水性，提高了抗污染和抗生物附着的能力，特别适用于水环境监测、水质控制、海洋水文、化工等领域中。

1 四电极电导率传感器的设计与制作

1.1 四电极电导率传感器的结构与测量原理

四电极探头结构如图1所示。它是由2对电极构成。电流电极为圆柱形，相向固定于支架的两平行绝缘壁面上，测量时在其两端施加一交流信号并通过电流，在溶液中建立电场，以消除极化作用的影响，此时被测溶液可等效为纯电阻;电压电极为圆环形，分别与电流电极精确同轴，用来感应由电流电极产生的电压。通过反馈电路控制电流电极间的交变电流，使电流Ic维持恒定，当溶液的电导率发生变化时，电压电极两端的电压Uc相应发生变化。电压电极回路的电压对应于被测溶液的电导率存在某种对应关系，根据这种关系可通过测量电压电极回路的电压来求得溶液的电导率，即有

式中 C为电导率;K为电导池常数;Rc为电导池的阻抗;Ic为通过电流电极的恒定电流;Uc为Rc两端电压降。

图1 电导池测量原理图Fig 1 Measuring principle diagram of conductivity cell

1.2 传感器探头的制作

传感器长期使用过程中，为了保证电导池常数恒定，进而保证电导率传感器的测量精度，所以，本文中探头壳体采用黑色POM棒材加工而成，POM棒机械强度高、刚性大、硬度高、耐磨性、抗蠕变性能好、抗冲击强度高，有非常好的尺寸稳定性，并具有良好的耐化学腐蚀性能。

本文中电极是采用致密的石墨为原料而制，石墨具有良好的热稳定性，在温度骤变的情况下，体积变化不大，不易产生裂纹、破损。在常温下具有很好的化学稳定性，不易受任何强酸、强碱及有机溶剂的侵蚀。同时，石墨的导热和导电性能接近于金属，且其可塑性强、易加工，价格便宜，正是可应用于制作电导电极的良好材料［4］。

由于电导电极采用的是石墨材料，为使电极和封装壳体在受到温度变化时不易分离，封装液需与石墨有非常接近的膨胀系数，因此，本文中采用低吸水率、高绝缘性的环氧树脂进行电极封装。考虑到电导率仪使用环境和仪器性能，要求环氧树脂具有高粘接强度、固化收缩率小、耐化学性能好、电绝缘性优良、制品尺寸稳定、吸水率低等特点。

在探头制作过程中，要求电压电极和电流电极同轴，两侧电极保持严格对称，并相对其他电极的距离固定。另外，封装过程中采用特殊的工艺赶出壳体、封装液、电极之间的空气，使封装更密实，然后，把灌封好的传感器探头放入烘箱中加热固化。

1.3 测量电路设计

测量电路设计要考虑电路在分辨率、温度补偿、稳定性、响应时间等方面的性能。测量电路框图如图2所示。

图2 测量电路框图Fig 2 Block diagram of measurement circuit

测量时，PC机发出命令，通过信号线传到MCU，MCU控制激励信号源产生所需频率的交流激励信号，对激励信号进行滤波放大处理后，MCU根据测量档位，选择适当的激励信号幅度，激励信号电流流过校准电阻和电导池;MCU先后选择校准电阻和电导池反馈信号，放大后，经过交直流转换，再进行A/D转换，获得相应的电阻值;同时，MCU通过采集获得溶液温度值，然后根据温度、电导池常数等参数进行计算、修正获得溶液的电导率。

1.4 仪器结构

仪器结构图如图3所示，仪器分上下2部分，下部由电极探头、温度传感器、保护套等组成，上部由测量电路板、电路板封装壳体、密封件等组成。

图3 结构图Fig 3 Structure diagram

2 实验

经过精心设计和严格工艺制造的电导率传感器，其技术指标的检验必须经过严格的实验。性能实验主要从2个方面进行:1)在不同温度下，测量溶液的电导率值，进行温度补偿后精度实验。2)在保持被测溶液温度不变的情况下，进行溶液电导率值的稳定性实验。

2.1 温度补偿实验

被测溶液的电导率受温度影响较大，同种溶液温度越高，电导率越大;反之，则减小。温度补偿是为了克服温度的影响，将溶液在实际温度下的电导率值转换为参考温度(一般为25℃)下的电导率值。使得溶液在不同温度下的电导率具有可比性，以满足各行各业比对或控制指标的需要［5］。

分别取自制溶液浓度约为0.1，0.02 mol/L的NaCl溶液进行实验，将电极探头放入待测溶液中，再将待测溶液放入恒温槽，从5～35℃对恒温槽逐步进行升温，待温度达到设定值，稳定一段时间后，开始读取电导率数值，以此进行温度补偿后精度实验。2种浓度溶液在不同温度下测量数据分别如表1和表2所示。

表1 0.1mol/L溶液温度补偿实验数据Tab 1 Temperature compensation experimental data of 0.1mol/L solution

表2 0.02mol/L溶液温度补偿实验数据Tab 2 Temperature compensation experimental data of 0.02mol/L solution

由实验数据知，在温度从5～35℃变化过程中，2种浓度下，温度补偿后仪器精度误差均小于1%，仪器能满足精度要求。

2.2 稳定性实验

将仪器调试到正常工作状态，把溶液置于25℃的恒温槽中，使溶液的温度恒定，将电极探头置于被测溶液中，溶液为自制某一浓度NaCl溶液，待温度达到25℃后开始计时，本实验时间从2011年8月19号20:30～2011年8月22号上午8:30，历时60 h，测量频率为每0.5 h/次，实验数据如图4所示。

图4 稳定性实验数据Fig 4 Stability experimental data

从图4的实验数据可知，经过60h的测试，实验数据在9397μS/cm上下波动，且最小值与最大值的误差在0.17%以内，显示出仪器具有良好的稳定性。

3 结论

本文从电导率传感器的发展历程和实际应用出发，介绍了四电极电导率仪的测量原理、结构和测量电路，通过对仪器进行特殊的结构设计和制作工艺流程，保证了四电极中两两的对称性和封装的密实性，提高了测量精度，通过材料的选择，保证了电导池的稳定性，提高了使用寿命，又因其采用的电极是半封闭式结构，使其具有很好的冲水性，提高了抗污染和抗生物附着的能力，既具有电极式传感器灵敏度高的特点，又提高了电导率测量的稳定性，特别适用于水环境监测、水质控制、海洋水文、化工等领域中。

［1］李建国.开放式四电极电导率传感器的研制与实验［J］.海洋技术，2005，24(3):5-9.

［2］李建国.高性能七电极电导率传感器技术研究［J］.海洋技术，2009，28(2):4-10.

［3］韩 威，丁海铭，马凌宇.四电极法电导率仪电计检测技术的探讨［J］.中国计量，2003(6):63.

［4］高仁先.石墨电导电极的试验研究［J］.山东水利科技，1990(1):47-51.

［5］张国城.电导率仪温度补偿两套公式的根源及其优劣［J］.中国计量，2010(8):86-88.