電導(dǎo)率傳感器測(cè)量液體中導(dǎo)電離子的含量，它也代表了溶液的導(dǎo)電能力。相比于電導(dǎo)率的概念，電阻對(duì)于大多數(shù)人來說是一個(gè)更加直觀的概念，它描述的是一段確定物體的導(dǎo)電能力，根據(jù)歐姆定律，導(dǎo)體兩端所產(chǎn)生的壓降，除以通過它的電流，就是該導(dǎo)體的電阻，其倒數(shù)就是電導(dǎo)。對(duì)于電阻或電導(dǎo)，它們是對(duì)于有固定形態(tài)的整個(gè)導(dǎo)體導(dǎo)電能力的描述，但是對(duì)于水或其他不具有固定形態(tài)的液體，我們只能去描述他們的自身固有屬性，或是組成成分，這也就是我們?yōu)槭裁匆獪y(cè)量電導(dǎo)率的原因。

 

在對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們首先人為構(gòu)造一個(gè)固定的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。想象一段有固定外形的長方形導(dǎo)體，截面積為A，長度為L，我們通過電極常數(shù)k=L/A來記錄這一結(jié)構(gòu)特征。通過對(duì)該段認(rèn)為構(gòu)造導(dǎo)體電導(dǎo)的測(cè)量，結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)k，就可以計(jì)算出被測(cè)量溶液的電導(dǎo)率數(shù)值。

 

 

電導(dǎo)率傳感器的作用就是構(gòu)造一個(gè)穩(wěn)定合理的電導(dǎo)池結(jié)構(gòu)，并且在批量生產(chǎn)的過程中具有極好的一致性，以減少甚至消除探頭生產(chǎn)所帶來的標(biāo)定成本。除了結(jié)構(gòu)尺寸上的一致性要求外，傳感器在液體中長期浸泡并參與反應(yīng)，因此電極材料的選擇也至關(guān)重要。

 

溫度會(huì)明顯影響液體的導(dǎo)電能力（如圖2）。液體導(dǎo)電需要借助離子運(yùn)動(dòng)完成，與金屬不同，液體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而增強(qiáng)。對(duì)于不同液體，溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響程度也不盡相同，這主要是因?yàn)闇囟葘?duì)溶液中起導(dǎo)電作用的成分影響不同。超純水的導(dǎo)電能力來自水的電離，電導(dǎo)率受到溫度的影響最大，可以達(dá)到5%/℃以上；大部分一般濃度的離子鹽溶液在2%/℃左右，酸，堿或濃度較高的鹽溶液電導(dǎo)率受溫度的影響進(jìn)一步降低，通常為1.5%/℃。上面已經(jīng)說到，液體電導(dǎo)率代表了液體組分的性質(zhì)，為了消除溫度因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的巨大影響，一般我們會(huì)將測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化到25℃以進(jìn)行比較。

 

 

圖1中所示的極板結(jié)構(gòu)是一種基于原理的描述，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，電導(dǎo)池的外形往往不必拘泥于此。與常見的結(jié)構(gòu)外形如同軸異體或平行環(huán)結(jié)構(gòu)不同，Innovative Sensor Technology IST AG 結(jié)合薄膜和厚膜技術(shù)開發(fā)了陶瓷基電導(dǎo)率傳感器，傳感器中包含一個(gè)電阻式溫度傳感器 (Pt1000 IEC 60751 F0.3)，從而可以在測(cè)量時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償。電導(dǎo)率傳感器由兩根電流電極和兩根測(cè)量電極組成。這一基本設(shè)計(jì)可以根據(jù)特定應(yīng)用和要求進(jìn)行調(diào)整。

 

 

選用鉑作為電極，是因?yàn)殂K具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，抗酸腐蝕能力略弱于金，但是有非常強(qiáng)的抗堿腐蝕能力。基于電導(dǎo)率的測(cè)量原理，圖中的測(cè)量與激勵(lì)電極必須裸露在外，直接與被測(cè)溶液接觸，其余部分由一層玻璃鈍化層覆蓋，使得溫度測(cè)量電阻與溶液具有電氣隔離。

 

IST-AG所有電導(dǎo)率傳感器均為四電極配置，提供寬廣的測(cè)量范圍與極佳的長期穩(wěn)定性。在測(cè)量較低電導(dǎo)的溶液時(shí)，也可以靈活切換為兩電極進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)的電導(dǎo)率傳感器電極常數(shù)覆蓋0.44cm-1到0.86cm-1，可以實(shí)現(xiàn)10uS到200mS的測(cè)量范圍，溫度可以覆蓋-30℃到130℃。同時(shí)我們提供對(duì)傳感器的定制服務(wù)，從外觀尺寸，到材料配置與結(jié)構(gòu)組成，我們可以為用戶設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出最貼合應(yīng)用的傳感器產(chǎn)品。例如為了進(jìn)一步減小傳感器尺寸，LFS1107采用環(huán)狀電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證穩(wěn)定且準(zhǔn)確測(cè)量能力的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化基板的空間利用率，整支傳感器的尺寸僅有：11.3 x 7 x 0.63 mm (LxWxH)

 

 

IST-AG的電導(dǎo)率傳感器雖然具有特殊的外形結(jié)構(gòu)，但是它的測(cè)量原理與電路設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電導(dǎo)率傳感器無異（如圖5）。在4電極模式下，對(duì)外側(cè)的激勵(lì)電極施加交流源，通過回路中的采樣電阻運(yùn)算出電流的峰峰值，同時(shí)記錄居中的測(cè)量電極上的電壓峰峰值，結(jié)合電導(dǎo)池常數(shù)k與片上溫度信息即可準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)前電導(dǎo)率；在2電極模式下，根據(jù)相同的方法記錄回路電流與電導(dǎo)池兩端的電壓，結(jié)合其他參數(shù)信息即可得到當(dāng)前的電導(dǎo)率。值得注意的是施加在在傳感器兩側(cè)的交流源必須具有嚴(yán)格的0V直流電壓，否則將損壞傳感器與被測(cè)液。

 

 

作者：IST應(yīng)用工程師 李馳

 

 

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