四電極海水電導率傳感器設計*

孫風光， 張洪泉， 劉秀潔， 周 巖

(1.中國電子科技集團公司第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

在海洋研究開發與工業生產應用中，海水電導率檢測儀是一種非常重要的檢測和監測海水電導率的裝置，其發展對海洋中的通信和導航效果影響很大。近年來，電極型海水電導率測量成為海水電導率檢測技術的一個重要發展方向。目前，我國正在朝著海洋強國方向發展，海洋開發及其工業應用得到了前所未有的重視。研究海水電導率檢測技術將對此產生非常大的貢獻，對研究海洋結構、海水成分、海洋通信、資源開發等都非常有意義。

目前在電導電極的參數上國內儀器的發展還遠遠落后于國外，國內應用廣泛的電極仍然是兩電極探頭，而國外已經普遍應用四電極、六電極等多電極探頭。我國目前也加強了對四電極測量電導率[1～3]研究工作的重視，許多科研單位及高校如國家海洋技術中心、中國科學院、清華大學、浙江大學等都開展了多電極參數檢測技術的研究，并取得了一定成果。為提高測量精度，增加電極數目是未來電導率傳感器發展的必然道路。

海水這一特殊的測量環境對傳感器芯體的制作材料提出了更高的要求。傳統的電極材料主要有不銹鋼、銀、銅等，近年來隨著新材料的發展和應用，鉑電極、鈦合金電極[4]、導電陶瓷電極開始推廣并得到廣泛應用。隨著生產和科研工作的不斷發展和深入研究，新的電極材料必將成為以后研究和發展的重點方向。

考慮到上述需求，本文設計了一種新型的基于石英[5]玻璃導流管、金屬鈦電極結構的四電極海水電導率傳感器芯體，目的在于從材料選擇、結構設計方面解決傳統電導率傳感器芯體結構復雜、體積大、性能差、精度低等問題。

1 芯體基本結構

四電極海水電導率傳感器芯體的基本結構如圖1(a)，總長度32 mm，內徑8 mm，外徑12 mm，其中1和4為電流電極，寬度為2 mm，2和3為電壓電極，寬度為1.5 mm。4個圓環形鈦電極與內外徑相同的石英玻璃管粘接在一起，每個石英管寬度為5 mm。1，4端施加外部電源激勵，也稱為激勵電極，2，3為輸出電極。當海水從芯體內部流通時，會形成一個通路。經樹脂膠封裝后的芯體結構如圖1(b)所示，僅允許內壁與海水接觸，外壁完全絕緣密封。

圖1 芯體結構示意

2 檢測原理與實驗

2.1 檢測原理

四電極海水電導率傳感器芯體可以將電壓電極、電流電極分離開來，摒棄了二電極法的共用電極，能有效減少電極極化的不利影響。對于電壓電極上所施加的激勵源，可以選用交流恒壓源或交流恒流源，同時應使電極間流過的電流盡可能小，這樣都可以減小極化影響。電壓激勵法檢測原理[6～9]如圖2所示。

圖2 交流電壓激勵法原理

其中G為交流信號電壓發生器，b，b′為電流電極，a，a′為電壓電極。當電流流經電壓電極a，a′時，由于集成運放A的輸入阻抗非常高，電壓電極之間產生的極化電壓極小，故而減小了極化效應所帶來的不利影響。激勵電流Ic通過兩個電流電極b，b′加到電導池，在兩個電壓電極a，a′之間就會有電壓降產生，被測水樣的電導率決定了電壓降的大小。于是，通過兩個電壓電極間的電流即線性比例于液體電導率，電導率的表達式為

(1)

式中σ為電導率,K為電導池常數,Rc為電導池的阻抗,Vc為Rc兩端的電壓,Ic為通過電流電極的電流。

而實際測量時，希望能夠直接測得電壓的出電導率，可采用交流恒流源激勵法測量電導率，其測量原理如圖3所示。圖中3，4電極為電流電極，1，2電極為電壓電極，當較小的電流流過3，4電極時，通過測得1,2電極的輸出電壓，由式(1)就可得出電導率值。

圖3 交流恒流源激勵法原理

綜上，無論是電壓激勵還是電流激勵，四電極電導率檢測法具有的共同特點有：電流電極和電壓電極不再共用，有效地消除了極化阻抗的影響；四電極電導池還具有小型化構造、大跨度導流空間、傳輸距離短等特點；測量精度得到提升，靈敏度、抗污染能力等都大大提高。

2.2 實 驗

容量瓶、移液管、燒杯、試管等實驗器材必須用蒸餾水洗凈并烘干，用托盤天平稱量時先調零。稱取在105 ℃干燥2 h的優級純氯化鉀74.246 g，用新制備的二級試劑水溶解后移入1 000 mL的容量瓶中，在(20±2)℃下稀釋至刻度，混勻，放入聚乙烯塑料瓶或硬質玻璃瓶中密封保存，所配制的氯化鉀溶液濃度為1 mol/L。照此法配制具有一定濃度梯度的氯化鉀溶液，并按照絕對鹽度(SA)為3.5 %配制海水溶液。為避免極化效應，實驗采用交流恒壓源作為激勵源，接入傳感器激勵電極兩端，同時傳感器串聯一參考電阻器，阻值為2 kΩ。輸出電極兩端的信號經信號調理電路接入計算機進行數據采集和進一步分析處理。電導率傳感器試驗是在具有發生不同電導率溶液濃度和不同溫度下的實驗系統中進行的。

3 結果分析與討論

3.1 電導池常數的校正

用校正電導池常數的電極測定已知電導率的氯化鉀標準溶液(其溫度為((25±0.1)℃))的電導，按式(2)計算電導池常數

K=(S0+S1)/S2

(2)

式中K為電導池常數，cm-1；S0為氯化鉀標準溶液的電導率，μS/cm((25±0.1)℃)；S1為配制氯化鉀溶液所用試劑水的電導率，μS/cm((25±0.1)℃)；S2為用校正電導池常數的電極。

溫度為25 ℃時，濃度為1 mol/L的氯化鉀標準溶液的電導率為111 342 μS/cm，測得的氯化鉀標準溶液的電導為47 416.67 μS，代入式(2)計算電導池常數，按此法配制不同濃度的氯化鉀溶液進行多次測量計算，最終得到電導池常數K=2.35 cm-1。

3.2 電導率的測量

溫度在25 ℃時傳感器在不同濃度的氯化鉀溶液中輸出電極兩端電壓、參考電阻器兩端電壓及換算出的溶液電導率如表1所示。溶液濃度越高，輸出電極兩端電壓越小，導電能力強，電阻值小，分壓能力弱。

根據表1記錄的測量數據繪制擬合曲線如圖4所示，并獲得電導率和濃度的關系式

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

(3)

圖4 二次多項式擬合曲線

3.3 電導池溫度系數

濃度為1，0.1，0.01 mol/L的氯化鉀溶液，在溫度從10～30 ℃變化時，電導率隨溫度變化的關系曲線如圖5所示。

圖5 3種不同濃度氯化鉀溶液的電導率隨溫度變化曲線

圖5可反映出溶液電導率隨溫度的升高而升高，溫度在10～30 ℃范圍之間變化時，同一溶液的電導率和溫度的關系是呈線性變化。溫度系數表示溫度變化1 ℃時電導率變化的百分比，此百分比基于溫度為25 ℃時的電導率值計算。溫度系數的計算公式為

(4)

式中β1為溶液電導的溫度系數,(℃)-1;σ為溫度每變化1 ℃，溶液電導率的變化值，μS/cm/℃；σ25為25 ℃下溶液的電導率，μS/cm。

圖5(a)曲線斜率為1 924，表示溫度每升高1 ℃，電導率增加1 924 μS/cm，而25 ℃下1 mol/L氯化鉀溶液的電導率為111 429.174 μS/cm。由此可得到濃度為1 mol/L時電導池的溫度系數β11(℃)-1為

β11=1 924/111 429.174×100 %=1.72 %

同理電導池濃度0.1 mol/L時溫度系數β12(℃)-1為

β12=239.73/12 583.427 5×100 %=1.905 %

電導池濃度0.01 mol/L時溫度系數β13(℃)-1為

β13=2.798/1 399.143×100 %=1.915 %

3.4 溫度補償

為了克服溫度的影響[10，11]，將溶液在實際溫度下的電導率值轉換為參考溫度下的電導率值。使得溶液在不同溫度下的電導率具有可比性，以滿足各行業比對或控制指標的需要。將25 ℃作為參考溫度時，近似的溫度補償公式為

(5)

式中σt為t溫度下溶液的電導率，μS/cm；σ25為25 ℃下溶液的電導率，μS/cm；β1為溶液電導的溫度系數。

根據式(5)給出的溫度補償公式，以25 ℃作為參考溫度，將非25 ℃下測得的電導率轉換為25 ℃下的電導率，然后計算測量誤差。1，0.1，0.01 mol/L的氯化鉀溶液在不同溫度下的溫度補償實驗測量數據如表2所示。由實驗數據知，3種濃度下，溫度補償后精度誤差均小于±1 % 。

表2 3種氯化鉀溶液溫度補償實驗數據

4 結 論

結果表明：本文設計的四電極電導率芯體應用于測試系統進行電導率的測試，能夠實時采集不同濃度不同溫度下與溶液電導率相敏感的電壓信號，且用3種溶液在不同溫度下的電導率進行溫度補償后精度誤差在1%以內。