四电极海水电导率传感器设计*

孙风光， 张洪泉， 刘秀洁， 周 岩

(1.中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

在海洋研究开发与工业生产应用中，海水电导率检测仪是一种非常重要的检测和监测海水电导率的装置，其发展对海洋中的通信和导航效果影响很大。近年来，电极型海水电导率测量成为海水电导率检测技术的一个重要发展方向。目前，我国正在朝着海洋强国方向发展，海洋开发及其工业应用得到了前所未有的重视。研究海水电导率检测技术将对此产生非常大的贡献，对研究海洋结构、海水成分、海洋通信、资源开发等都非常有意义。

目前在电导电极的参数上国内仪器的发展还远远落后于国外，国内应用广泛的电极仍然是两电极探头，而国外已经普遍应用四电极、六电极等多电极探头。我国目前也加强了对四电极测量电导率[1～3]研究工作的重视，许多科研单位及高校如国家海洋技术中心、中国科学院、清华大学、浙江大学等都开展了多电极参数检测技术的研究，并取得了一定成果。为提高测量精度，增加电极数目是未来电导率传感器发展的必然道路。

海水这一特殊的测量环境对传感器芯体的制作材料提出了更高的要求。传统的电极材料主要有不锈钢、银、铜等，近年来随着新材料的发展和应用，铂电极、钛合金电极[4]、导电陶瓷电极开始推广并得到广泛应用。随着生产和科研工作的不断发展和深入研究，新的电极材料必将成为以后研究和发展的重点方向。

考虑到上述需求，本文设计了一种新型的基于石英[5]玻璃导流管、金属钛电极结构的四电极海水电导率传感器芯体，目的在于从材料选择、结构设计方面解决传统电导率传感器芯体结构复杂、体积大、性能差、精度低等问题。

1 芯体基本结构

四电极海水电导率传感器芯体的基本结构如图1(a)，总长度32 mm，内径8 mm，外径12 mm，其中1和4为电流电极，宽度为2 mm，2和3为电压电极，宽度为1.5 mm。4个圆环形钛电极与内外径相同的石英玻璃管粘接在一起，每个石英管宽度为5 mm。1，4端施加外部电源激励，也称为激励电极，2，3为输出电极。当海水从芯体内部流通时，会形成一个通路。经树脂胶封装后的芯体结构如图1(b)所示，仅允许内壁与海水接触，外壁完全绝缘密封。

图1 芯体结构示意

2 检测原理与实验

2.1 检测原理

四电极海水电导率传感器芯体可以将电压电极、电流电极分离开来，摒弃了二电极法的共用电极，能有效减少电极极化的不利影响。对于电压电极上所施加的激励源，可以选用交流恒压源或交流恒流源，同时应使电极间流过的电流尽可能小，这样都可以减小极化影响。电压激励法检测原理[6～9]如图2所示。

图2 交流电压激励法原理

其中G为交流信号电压发生器，b，b′为电流电极，a，a′为电压电极。当电流流经电压电极a，a′时，由于集成运放A的输入阻抗非常高，电压电极之间产生的极化电压极小，故而减小了极化效应所带来的不利影响。激励电流Ic通过两个电流电极b，b′加到电导池，在两个电压电极a，a′之间就会有电压降产生，被测水样的电导率决定了电压降的大小。于是，通过两个电压电极间的电流即线性比例于液体电导率，电导率的表达式为

(1)

式中σ为电导率,K为电导池常数,Rc为电导池的阻抗,Vc为Rc两端的电压,Ic为通过电流电极的电流。

而实际测量时，希望能够直接测得电压的出电导率，可采用交流恒流源激励法测量电导率，其测量原理如图3所示。图中3，4电极为电流电极，1，2电极为电压电极，当较小的电流流过3，4电极时，通过测得1,2电极的输出电压，由式(1)就可得出电导率值。

图3 交流恒流源激励法原理

综上，无论是电压激励还是电流激励，四电极电导率检测法具有的共同特点有：电流电极和电压电极不再共用，有效地消除了极化阻抗的影响；四电极电导池还具有小型化构造、大跨度导流空间、传输距离短等特点；测量精度得到提升，灵敏度、抗污染能力等都大大提高。

2.2 实 验

容量瓶、移液管、烧杯、试管等实验器材必须用蒸馏水洗净并烘干，用托盘天平称量时先调零。称取在105 ℃干燥2 h的优级纯氯化钾74.246 g，用新制备的二级试剂水溶解后移入1 000 mL的容量瓶中，在(20±2)℃下稀释至刻度，混匀，放入聚乙烯塑料瓶或硬质玻璃瓶中密封保存，所配制的氯化钾溶液浓度为1 mol/L。照此法配制具有一定浓度梯度的氯化钾溶液，并按照绝对盐度(SA)为3.5 %配制海水溶液。为避免极化效应，实验采用交流恒压源作为激励源，接入传感器激励电极两端，同时传感器串联一参考电阻器，阻值为2 kΩ。输出电极两端的信号经信号调理电路接入计算机进行数据采集和进一步分析处理。电导率传感器试验是在具有发生不同电导率溶液浓度和不同温度下的实验系统中进行的。

3 结果分析与讨论

3.1 电导池常数的校正

用校正电导池常数的电极测定已知电导率的氯化钾标准溶液(其温度为((25±0.1)℃))的电导，按式(2)计算电导池常数

K=(S0+S1)/S2

(2)

式中K为电导池常数，cm-1；S0为氯化钾标准溶液的电导率，μS/cm((25±0.1)℃)；S1为配制氯化钾溶液所用试剂水的电导率，μS/cm((25±0.1)℃)；S2为用校正电导池常数的电极。

温度为25 ℃时，浓度为1 mol/L的氯化钾标准溶液的电导率为111 342 μS/cm，测得的氯化钾标准溶液的电导为47 416.67 μS，代入式(2)计算电导池常数，按此法配制不同浓度的氯化钾溶液进行多次测量计算，最终得到电导池常数K=2.35 cm-1。

3.2 电导率的测量

温度在25 ℃时传感器在不同浓度的氯化钾溶液中输出电极两端电压、参考电阻器两端电压及换算出的溶液电导率如表1所示。溶液浓度越高，输出电极两端电压越小，导电能力强，电阻值小，分压能力弱。

根据表1记录的测量数据绘制拟合曲线如图4所示，并获得电导率和浓度的关系式

y=2 602.706 08x2+108 334.714 16x+610.659 63

(3)

图4 二次多项式拟合曲线

3.3 电导池温度系数

浓度为1，0.1，0.01 mol/L的氯化钾溶液，在温度从10～30 ℃变化时，电导率随温度变化的关系曲线如图5所示。

图5 3种不同浓度氯化钾溶液的电导率随温度变化曲线

图5可反映出溶液电导率随温度的升高而升高，温度在10～30 ℃范围之间变化时，同一溶液的电导率和温度的关系是呈线性变化。温度系数表示温度变化1 ℃时电导率变化的百分比，此百分比基于温度为25 ℃时的电导率值计算。温度系数的计算公式为

(4)

式中β1为溶液电导的温度系数,(℃)-1;σ为温度每变化1 ℃，溶液电导率的变化值，μS/cm/℃；σ25为25 ℃下溶液的电导率，μS/cm。

图5(a)曲线斜率为1 924，表示温度每升高1 ℃，电导率增加1 924 μS/cm，而25 ℃下1 mol/L氯化钾溶液的电导率为111 429.174 μS/cm。由此可得到浓度为1 mol/L时电导池的温度系数β11(℃)-1为

β11=1 924/111 429.174×100 %=1.72 %

同理电导池浓度0.1 mol/L时温度系数β12(℃)-1为

β12=239.73/12 583.427 5×100 %=1.905 %

电导池浓度0.01 mol/L时温度系数β13(℃)-1为

β13=2.798/1 399.143×100 %=1.915 %

3.4 温度补偿

为了克服温度的影响[10，11]，将溶液在实际温度下的电导率值转换为参考温度下的电导率值。使得溶液在不同温度下的电导率具有可比性，以满足各行业比对或控制指标的需要。将25 ℃作为参考温度时，近似的温度补偿公式为

(5)

式中σt为t温度下溶液的电导率，μS/cm；σ25为25 ℃下溶液的电导率，μS/cm；β1为溶液电导的温度系数。

根据式(5)给出的温度补偿公式，以25 ℃作为参考温度，将非25 ℃下测得的电导率转换为25 ℃下的电导率，然后计算测量误差。1，0.1，0.01 mol/L的氯化钾溶液在不同温度下的温度补偿实验测量数据如表2所示。由实验数据知，3种浓度下，温度补偿后精度误差均小于±1 % 。

表2 3种氯化钾溶液温度补偿实验数据

4 结 论

结果表明：本文设计的四电极电导率芯体应用于测试系统进行电导率的测试，能够实时采集不同浓度不同温度下与溶液电导率相敏感的电压信号，且用3种溶液在不同温度下的电导率进行温度补偿后精度误差在1%以内。