一種電極型電導率傳感器絕緣設計方案

傅 巍，周明軍，王 威，尤 佳，金鵬飛

（1.中國電子科技集團公司第四十九研究所，哈爾濱 150001； 2.中國聯通，哈爾濱 150001）

一種電極型電導率傳感器絕緣設計方案

傅 巍1，周明軍1，王 威2，尤 佳1，金鵬飛1

（1.中國電子科技集團公司第四十九研究所，哈爾濱 150001； 2.中國聯通，哈爾濱 150001）

電極型電導率傳感器的絕緣技術研究具有重要的工程應用價值，被廣泛應用在工業、航天以及海洋研究開發等領域，用于測量水質的電導率。介紹了電極型電導率傳感器的工作原理，并對其絕緣特性進行研究，設計了電容器串聯電路。實驗結果表明：此方案使傳感器的絕緣電阻增大2個數量級，為傳感器的長期穩定性和壽命提供有力保障。

電極型；電導率傳感器；絕緣特性

引言

及時有效地對實際工程中電解制氧裝置的水質電導率值進行監測，才能更好地掌握水質狀況，進行有效地除雜和降雜，降低水質的含雜程度，為檢測與控制系統運行情況提供有效數據，對確保人身安全和提高環境質量發揮極其重要作用。

電極型電導率傳感器用于對水質電導率值進行測量，具有測量精度高、結構簡單、使用方便等優點，被廣泛應用在生產、生活以及軍事領域，已成為國內外研究熱點[1～3]。 鑒于工程應用中的實際需要，一體化電導率傳感器被研制和生產，安裝在通水管路中，使得電導電極和測量液體構成非絕緣體，導致電導率傳感器的絕緣性能下降。為解決絕緣特性變差后對傳感器使用壽命和長期穩定性的影響，本文提出了電容串聯電路應用在電導電極兩端，提高傳感器的絕緣性能，從而解決工程實際問題。

1 電極型電導率傳感器絕緣特性方案

1.1 電極型電導率傳感器工作原理

電極型電導率傳感器根據電解導電原理采用電阻測量法[4]對電導率實現測量，其電導測量電極在測量過程中表現為一個復雜的電化學系統[5]。電極型電導率傳感器應用最為廣泛。

兩電極型電導率傳感器電導池由一對電極組成，在電極上施加一恒定的電壓，電導池中液體電阻的變化導致測量電極的電流發生變化，并且符合歐姆定律，用電導率代替電阻率，用電導代替金屬中的電阻，即用電導率和電導來表示液體的導電能力。電導率是單位長度邊長的立方體內所包含液體的電導，表征了液體的導電能力[6]，從而實現液體電導率的測量。

1.2 絕緣特性

電導率傳感器電導電極安裝于通水管路中，其采用鈦合金金屬材料，與管路中介質形成導通回路，降低了傳感器的絕緣性能。為解決此問題，在電路上設計了將電容分別串聯在電導電極的外電極和內電極兩側，將外電極回路與內電極回路作電氣上的隔離，兩個電路之間沒有電氣上的直接聯系，相互絕緣，同時還要保證兩個電路維持能量傳輸的關系，從而起到隔離的作用，提高了傳感器的絕緣性能。

2 提高絕緣特性方案及試驗結果

絕緣材料的電性能統稱為絕緣特性，包括絕緣電阻、耐壓試驗、介電常數等。這里我們主要采用絕緣電阻測試來討論傳感器的絕緣特性。

2.1 水的導電原理及等效電路

圖1 水質導電等效電路

由電化學理論可知，浸入水中的金屬與水的交界處存在雙電層。雙電層具有電容的特性，即可以充電或放電，在電極一側的充電電荷由電極上的電子或正電荷提供，而在溶液一側的充電電荷則由溶液中的陽離子或陰離子來提供。在金屬與水的交界面處，該電位發生突變，稱為金屬在水溶液中的電極電位。電化學理論指出，激發極化是由于介質受外電場電流激發而產生的一種電化學現象，稱為激發極化效應，因此，此時的雙電層電位被稱作極化電位。

由于電極在水中有雙電層存在并且傳感器測量時有電流流過而產生激發極化效應，此時水的導電可等效為如圖1所示的電路。

RP是電極的極化電阻；CP是雙電層電容；RX是水溶液電阻。RP、CP、RX三個值與溶液、電極的材料及幾何形狀有關，并隨外加電壓大小及環境溫度高低而改變。據統計，大部分貯水的傳感器，Cp值在5～10 μF 范圍內，Rp1+Rx + Rp2值多數在50～500 kΩ范圍內，此電路的等效電阻值即為Rp1+Rx + Rp2值。

由此可見，貯水的電導電極的絕緣性能較差，影響了傳感器的絕緣特性，為提高傳感器的絕緣性能，本文提出了在電導電極兩端分別串聯電容的方案。

2.2 解決方案

由于電容電極之間的介質不是絕對的絕緣體，它的電阻不是無限大而是一個有限的數值，一般在1 000 MΩ以上。電容電極之間的電阻叫做絕緣電阻，或者叫做漏電電阻，大小是額定工作電壓下的直流電壓與通過電容的漏電流的比值。漏電電阻越小，漏電越嚴重。電容漏電會引起能量損耗，這種損耗不僅影響電容的壽命，而且會影響電路的工作。因此，漏電電阻越大越好。

對于傳感器來說，C1、C2、C3、C4均選用了0.1μF的瓷介電容，此電容漏電電阻大于10 000 MΩ，分別串聯在電極的兩側，等效電路如圖2中AB端所示。

圖2所示主要是電容串聯電路，電容串聯電路的電路形式與電阻串聯電路一樣。電路中，電容C1、C2、C3、C4和水的等效電路相串聯，如果將電容器的容抗用電阻的形式來等效，可以等效成如圖2中CD端所示的電路圖。由于R1、R2、R3、R4的電阻值均大于10 000 MΩ，因此，CD端的等效電阻值大于40 000 MΩ，遠遠大于圖1中水的等效電阻，有效提高了傳感器的絕緣電阻。

表1 傳感器絕緣電阻試驗數據表

圖3 傳感器輸出特性圖

2.3 試驗驗證

針對圖1、圖2所示方案分別進行電導率傳感器的絕緣電阻測試。在正常環境條件下，用絕緣電阻測試儀或兆歐表測量傳感器的電連接器各接點與傳感器殼體之間的絕緣電阻。具體驗證數據見表1所示。

結果表明：圖1、圖2所示方案中的絕緣電阻值，從（1～5）到500 MΩ/50 VDC，增加了2個數量級，即串聯電容器方案大大提高了電極型電導率傳感器的絕緣特性，解決了電極型電導率傳感器絕緣特性差的問題。

在提高傳感器絕緣性能的同時要兼顧傳感器的精度要求，影響精度指標主要與電容容值有關，如電容容值分別取0.1 μF、0.2 μF、0.33 μF、0.43 μF時進行精度和輸出特性驗證，輸出特性見圖3所示，精度驗證見表2所示。

結果表明：在保持原電路參數不變的情況下，進行了傳感器電導率輸出特性測試和分析，其中輸出特性曲線由線性變為非線性，以直線方程工作，其輸出精度將受到影響，且容值越小，精度越高。

3 結論

通過電路理論分析和絕緣電阻試驗驗證，本文設計的電容串聯電路，在選取不同電容容值時，絕緣電阻均從（1～5）到500 MΩ/50 VDC，提高了2個數量級，實現了對電極型電導率傳感器絕緣特性的改善。同時，對傳感器電導率精度指標進行驗證，不同容值時的精度不同，容值越小，精度越高。在兼顧絕緣特性和精度關鍵

表2 傳感器絕緣電阻和精度試驗數據表

指標滿足要求后，有效地避免使用環境的特殊性對電導率傳感器性能帶來的問題，保證了電導率傳感器長期穩定性和壽命要求。

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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，黑龍江哈爾濱，碩士，主要從事水質傳感器研究。