一种电极型电导率传感器绝缘设计方案

傅 巍，周明军，王 威，尤 佳，金鹏飞

（1.中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001； 2.中国联通，哈尔滨 150001）

一种电极型电导率传感器绝缘设计方案

傅 巍1，周明军1，王 威2，尤 佳1，金鹏飞1

（1.中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001； 2.中国联通，哈尔滨 150001）

电极型电导率传感器的绝缘技术研究具有重要的工程应用价值，被广泛应用在工业、航天以及海洋研究开发等领域，用于测量水质的电导率。介绍了电极型电导率传感器的工作原理，并对其绝缘特性进行研究，设计了电容器串联电路。实验结果表明：此方案使传感器的绝缘电阻增大2个数量级，为传感器的长期稳定性和寿命提供有力保障。

电极型；电导率传感器；绝缘特性

引言

及时有效地对实际工程中电解制氧装置的水质电导率值进行监测，才能更好地掌握水质状况，进行有效地除杂和降杂，降低水质的含杂程度，为检测与控制系统运行情况提供有效数据，对确保人身安全和提高环境质量发挥极其重要作用。

电极型电导率传感器用于对水质电导率值进行测量，具有测量精度高、结构简单、使用方便等优点，被广泛应用在生产、生活以及军事领域，已成为国内外研究热点[1～3]。 鉴于工程应用中的实际需要，一体化电导率传感器被研制和生产，安装在通水管路中，使得电导电极和测量液体构成非绝缘体，导致电导率传感器的绝缘性能下降。为解决绝缘特性变差后对传感器使用寿命和长期稳定性的影响，本文提出了电容串联电路应用在电导电极两端，提高传感器的绝缘性能，从而解决工程实际问题。

1 电极型电导率传感器绝缘特性方案

1.1 电极型电导率传感器工作原理

电极型电导率传感器根据电解导电原理采用电阻测量法[4]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[5]。电极型电导率传感器应用最为广泛。

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，并且符合欧姆定律，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。电导率是单位长度边长的立方体内所包含液体的电导，表征了液体的导电能力[6]，从而实现液体电导率的测量。

1.2 绝缘特性

电导率传感器电导电极安装于通水管路中，其采用钛合金金属材料，与管路中介质形成导通回路，降低了传感器的绝缘性能。为解决此问题，在电路上设计了将电容分别串联在电导电极的外电极和内电极两侧，将外电极回路与内电极回路作电气上的隔离，两个电路之间没有电气上的直接联系，相互绝缘，同时还要保证两个电路维持能量传输的关系，从而起到隔离的作用，提高了传感器的绝缘性能。

2 提高绝缘特性方案及试验结果

绝缘材料的电性能统称为绝缘特性，包括绝缘电阻、耐压试验、介电常数等。这里我们主要采用绝缘电阻测试来讨论传感器的绝缘特性。

2.1 水的导电原理及等效电路

图1 水质导电等效电路

由电化学理论可知，浸入水中的金属与水的交界处存在双电层。双电层具有电容的特性，即可以充电或放电，在电极一侧的充电电荷由电极上的电子或正电荷提供，而在溶液一侧的充电电荷则由溶液中的阳离子或阴离子来提供。在金属与水的交界面处，该电位发生突变，称为金属在水溶液中的电极电位。电化学理论指出，激发极化是由于介质受外电场电流激发而产生的一种电化学现象，称为激发极化效应，因此，此时的双电层电位被称作极化电位。

由于电极在水中有双电层存在并且传感器测量时有电流流过而产生激发极化效应，此时水的导电可等效为如图1所示的电路。

RP是电极的极化电阻；CP是双电层电容；RX是水溶液电阻。RP、CP、RX三个值与溶液、电极的材料及几何形状有关，并随外加电压大小及环境温度高低而改变。据统计，大部分贮水的传感器，Cp值在5～10 μF 范围内，Rp1+Rx + Rp2值多数在50～500 kΩ范围内，此电路的等效电阻值即为Rp1+Rx + Rp2值。

由此可见，贮水的电导电极的绝缘性能较差，影响了传感器的绝缘特性，为提高传感器的绝缘性能，本文提出了在电导电极两端分别串联电容的方案。

2.2 解决方案

由于电容电极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大而是一个有限的数值，一般在1 000 MΩ以上。电容电极之间的电阻叫做绝缘电阻，或者叫做漏电电阻，大小是额定工作电压下的直流电压与通过电容的漏电流的比值。漏电电阻越小，漏电越严重。电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作。因此，漏电电阻越大越好。

对于传感器来说，C1、C2、C3、C4均选用了0.1μF的瓷介电容，此电容漏电电阻大于10 000 MΩ，分别串联在电极的两侧，等效电路如图2中AB端所示。

图2所示主要是电容串联电路，电容串联电路的电路形式与电阻串联电路一样。电路中，电容C1、C2、C3、C4和水的等效电路相串联，如果将电容器的容抗用电阻的形式来等效，可以等效成如图2中CD端所示的电路图。由于R1、R2、R3、R4的电阻值均大于10 000 MΩ，因此，CD端的等效电阻值大于40 000 MΩ，远远大于图1中水的等效电阻，有效提高了传感器的绝缘电阻。

表1 传感器绝缘电阻试验数据表

图3 传感器输出特性图

2.3 试验验证

针对图1、图2所示方案分别进行电导率传感器的绝缘电阻测试。在正常环境条件下，用绝缘电阻测试仪或兆欧表测量传感器的电连接器各接点与传感器壳体之间的绝缘电阻。具体验证数据见表1所示。

结果表明：图1、图2所示方案中的绝缘电阻值，从（1～5）到500 MΩ/50 VDC，增加了2个数量级，即串联电容器方案大大提高了电极型电导率传感器的绝缘特性，解决了电极型电导率传感器绝缘特性差的问题。

在提高传感器绝缘性能的同时要兼顾传感器的精度要求，影响精度指标主要与电容容值有关，如电容容值分别取0.1 μF、0.2 μF、0.33 μF、0.43 μF时进行精度和输出特性验证，输出特性见图3所示，精度验证见表2所示。

结果表明：在保持原电路参数不变的情况下，进行了传感器电导率输出特性测试和分析，其中输出特性曲线由线性变为非线性，以直线方程工作，其输出精度将受到影响，且容值越小，精度越高。

3 结论

通过电路理论分析和绝缘电阻试验验证，本文设计的电容串联电路，在选取不同电容容值时，绝缘电阻均从（1～5）到500 MΩ/50 VDC，提高了2个数量级，实现了对电极型电导率传感器绝缘特性的改善。同时，对传感器电导率精度指标进行验证，不同容值时的精度不同，容值越小，精度越高。在兼顾绝缘特性和精度关键

表2 传感器绝缘电阻和精度试验数据表

指标满足要求后，有效地避免使用环境的特殊性对电导率传感器性能带来的问题，保证了电导率传感器长期稳定性和寿命要求。

[1]邱善乐.一种新型感应式电导率传感器的设计[J].录井工程, 2005, 9(48)： 35-36.

[2]万明球.半导体行业中超纯水的质控[J].测试与测量技术, 2004, (112) ： 35-39.

[3]周明军,尤佳,秦浩.电导率传感器发展状况[J].传感器与微系统, 2010, 29(4)：9-11.

[4]傅卫卫,应伯根.工业水处理过程中电导率测量方法的研究[J].浙江大学学报,1999,33(2)：204-208.

[5]徐海滨.双向电流法测量溶液电导[J].自动化与仪器仪表, 1995, 5：15-17.

[6]兰敬辉.溶液电导率测量方法的研究[D]：[硕士学位论文].大连：大连理工大学, 2002.

[7]刘敏飞.绝缘电阻对差动电阻式传感器测值的影响[J]. Dam and Safety, 2010, 2： 28.

[8] LIU M F. Inf uence of insulated resistance to measuring value of differential resistance sensor[J].Dam and Safety, 2010. 2： 28-32.

[9]郑鹏.电导率仪检定中存在的若干问题[J].中国计量, 2006, 6： 28-29.

[10]Dickin F J, Wang M.Eletrical resistance tomography for process applications[J]. Measurement Science ＆Technology, 1996, 7(3)：247-60.

[11]刘铁军.工程电导测试技术及应用研究[D]：[硕士学位论文].杭州：浙江大学, 2006.

[12] Hamed Shadpour, Mateusz L. Hupert, Donald Patterson, Changgeng Liu, Michelle Galloway, Wieslaw Stryjewski, Jost Goettert, Steven A. Soper.. Multichannel Microchip Electrophoresis Device Fabricated in Polycarbonate with an Integrated Contact Conductivity Sensor Array[J]. Anal. Chem., 2007, 79(3)： 870-878.

[13]Jordana J., Gasulla M., Pallàs-Areny R.. Electrical resisitance tomography to detect leaks from buried pipes[J]. Measurement Science ＆ Technology, 2001, 12(8)： 1061-1068.

[14]Shekeil E.,Khader A.,et al.Electrical conductivity of poly[J]. Journal of Macromolecular Science-Pure and Applide Chemistry, 2004, 14(5)： 501-502.

Design Scheme of Insulation of An Electrode Type Conductivity Sensor

FU Wei1, ZHOU Ming-jun1, WANG Wei2, YOU Jia1, JIN Peng-fei1
(1.The 49thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001; 2.China United Telecommunications Co., Ltd., Harbin 150001)

Study on insulation technology of the electrode conductivity sensor has important application value in engineering. It is used in measuring the conductivity of water, which is widely applied in the industry, aerospace and marine areas of research and development and other fields. This paper introduces the working principle of the electrode conductivity sensor, and studies on its insulation characteristics. The capacitor in series circuit is designed. The experimental results show that this scheme can effectively improve the insulation resistance of the sensor, which is increased by two orders of magnitude. And it provides a strong guarantee for the long-term stability and service life of sensor.

electrode type; conductivity sensor; insulation characteristics

TP212

A

1004-7204（2015）04-0047-04

傅巍（1981-），女，黑龙江哈尔滨，硕士，主要从事水质传感器研究。