電導率傳感器測量液體中導電離子的含量，它也代表了溶液的導電能力。相比于電導率的概念，電阻對于大多數人來說是一個更加直觀的概念，它描述的是一段確定物體的導電能力，根據歐姆定律，導體兩端所產生的壓降，除以通過它的電流，就是該導體的電阻，其倒數就是電導。對于電阻或電導，它們是對于有固定形態的整個導體導電能力的描述，但是對于水或其他不具有固定形態的液體，我們只能去描述他們的自身固有屬性，或是組成成分，這也就是我們為什么要測量電導率的原因。

 

在對電導率進行測量時，我們首先人為構造一個固定的導體結構。想象一段有固定外形的長方形導體，截面積為A，長度為L，我們通過電極常數k=L/A來記錄這一結構特征。通過對該段認為構造導體電導的測量，結合結構參數k，就可以計算出被測量溶液的電導率數值。

 

 

電導率傳感器的作用就是構造一個穩定合理的電導池結構，并且在批量生產的過程中具有極好的一致性，以減少甚至消除探頭生產所帶來的標定成本。除了結構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，因此電極材料的選擇也至關重要。

 

溫度會明顯影響液體的導電能力（如圖2）。液體導電需要借助離子運動完成，與金屬不同，液體的導電能力隨著溫度的升高而增強。對于不同液體，溫度對電導率的影響程度也不盡相同，這主要是因為溫度對溶液中起導電作用的成分影響不同。超純水的導電能力來自水的電離，電導率受到溫度的影響最大，可以達到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率受溫度的影響進一步降低，通常為1.5%/℃。上面已經說到，液體電導率代表了液體組分的性質，為了消除溫度因素對測量結果的巨大影響，一般我們會將測量結果標準化到25℃以進行比較。

 

 

圖1中所示的極板結構是一種基于原理的描述，但是在實際應用的過程中，電導池的外形往往不必拘泥于此。與常見的結構外形如同軸異體或平行環結構不同，Innovative Sensor Technology IST AG 結合薄膜和厚膜技術開發了陶瓷基電導率傳感器，傳感器中包含一個電阻式溫度傳感器 (Pt1000 IEC 60751 F0.3)，從而可以在測量時進行準確補償。電導率傳感器由兩根電流電極和兩根測量電極組成。這一基本設計可以根據特定應用和要求進行調整。

 

 

選用鉑作為電極，是因為鉑具有穩定的化學性質，抗酸腐蝕能力略弱于金，但是有非常強的抗堿腐蝕能力。基于電導率的測量原理，圖中的測量與激勵電極必須裸露在外，直接與被測溶液接觸，其余部分由一層玻璃鈍化層覆蓋，使得溫度測量電阻與溶液具有電氣隔離。

 

IST-AG所有電導率傳感器均為四電極配置，提供寬廣的測量范圍與極佳的長期穩定性。在測量較低電導的溶液時，也可以靈活切換為兩電極進行測量。標準的電導率傳感器電極常數覆蓋0.44cm-1到0.86cm-1，可以實現10uS到200mS的測量范圍，溫度可以覆蓋-30℃到130℃。同時我們提供對傳感器的定制服務，從外觀尺寸，到材料配置與結構組成，我們可以為用戶設計并生產出最貼合應用的傳感器產品。例如為了進一步減小傳感器尺寸，LFS1107采用環狀電極的結構設計，在保證穩定且準確測量能力的前提下，進一步優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的電導率傳感器雖然具有特殊的外形結構，但是它的測量原理與電路設計與傳統電導率傳感器無異（如圖5）。在4電極模式下，對外側的激勵電極施加交流源，通過回路中的采樣電阻運算出電流的峰峰值，同時記錄居中的測量電極上的電壓峰峰值，結合電導池常數k與片上溫度信息即可準確計算出當前電導率；在2電極模式下，根據相同的方法記錄回路電流與電導池兩端的電壓，結合其他參數信息即可得到當前的電導率。值得注意的是施加在在傳感器兩側的交流源必須具有嚴格的0V直流電壓，否則將損壞傳感器與被測液。

 

 

作者：IST應用工程師 李馳

 

 

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