全自动自校准电导率测量系统

Fully AutomaTIc Self-Calibrated ConducTIvity Measurement System

全自动自校准电导率测量系统

作者：Robert Lee 和Walt Kester

简介

随着水质监测变得日益重要，人们开发了多种相关传感器和信号调理电路。水质的测量指标包括细菌数、pH值、化学成分、浊度和电导率。所有水溶液都在一定程度上导电。向纯水中添加电解质，例如盐、酸或碱，可以提高电导率并降低电阻率。本文重点讨论电导率测量。

纯水中不包含大量电解质，当样本处于一定的电压下时，只能传导很小的电流 — 因此它的电导率很低。相反，如果样本中存在大量电解质，将会传导更多电流 — 它的电导率更高。

我们更多从电阻而不是电导的角度来看待导电能力，但两者互为倒数。材料或液体的电阻率ρ定义为：当立方体形状的材料相对面完全导电接触时，该材料的电阻。其他形状材料的电阻R可按以下方式计算：

R = ρ L /A （1）

其中：

L 是接触面间距。

A 是接触面积。

电阻率的测量单位为? cm。当接触1 cm &TImes; 1 cm &TImes; 1 cm 立方体的向对面时，1 ? cm材料的电阻为1 ?。

电导是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。电导的测量单位为西门子（S），电导率的测量单位为S/cm、mS/cm或μS/cm。

在本文中，Y为电导率的通用符号，测量单位为S/cm、mS/cm或µS/cm。但在很多情况下，为方便起见，我们会省略距离项，电导率仅表示为S、mS或µS。

使用电导池测量电导率

电导率测量电路通过连接到沉浸在溶液中的传感器（称为电导池）来测量电导率，如图1所示。

图1.电导池与电导率测量电路的连接（EVAL-CN0359-EB1Z）

测量电路对传感器施加交流电压，并测量产生的电流大小，电流与电导率相关。由于电导率具有很大温度系数（最高达到4%/°C），因此电路中集成了必需的温度传感器，用于将读数调整为标准温度，通常为25°C （77°F）。对溶液进行测量时，必须考虑水本身的电导率的温度系数。为了精确地补偿温度，必须使用额外的温度传感器和补偿网络。

接触型传感器通常包括相互绝缘的两个电极。电极通常为316型不锈钢、钛钯合金或石墨，具有特定的大小和间距，以提供已知的电极常数。从理论上说，1.0/cm的电极常数表示两个电极，每个电极面积为1 cm2，间距为1 cm。对于特定的工作范围，电极常数必须与测量系统相匹配。例如，如果在电导率为1 µS/cm的纯水中使用电极常数为1.0/cm的传感器，则电导池的电阻为1 MΩ。相反，相同电导池在海水中的电阻为30 Ω。由于电阻变化范围过大，普通仪器很难在单一电极常数情况下精确测量此类极端情况。

对1 µS/cm溶液进行测量时，电导池配置了大面积电极，相距很小的电极间距。例如，对于电导池常数为0.01/cm的电导池，其电导池电阻测量值约为10 k?，而非1 MΩ。精确测量10 k?比测量1 M?更加容易；因此，对于超纯水和高电导率海水，使用具有不同电极常数的电导池，测量仪表可在相同的电导池电阻范围内工作。

电极常数K定义为电极之间距离L与电极面积A的比值：

K = L/A （2）

然后，仪器测量电导池电导Y：

Y = I/V （3）

液体电导率YX可计算如下：

YX = K × Y （4）

有两类电导池：一类采用两个电极，另一类采用四个电极，如图2所示。电极通常称为极。

图2.双极和四极电导池。

双极传感器比较适合低电导率测量时使用，比如纯净水和各种生物与医药液体四极传感器更适合高电导率测量，比如废水和海水分析。

双极电导池的电极常数范围大致是从0.1/cm到1/cm，而四极电导池的电极常数范围是从1/cm到10/cm。

四极电导池可以消除电极极化和电场效应引起的误差；这些误差可能会干扰测量。

电极的实际配置可以是平行环、同轴导体等，而不会是如图2所示的简单平行板。

无论电导池为何种类型，都不可在电极上施加直流电压，因为液体中的离子会在电极表面聚集，从而导致极化效应并产生测量误差，更有可能损坏电极。

若采用同轴传感器，则应当注意传感器的屏蔽。屏蔽电极必须连接与盛放液体的金属容器相同的电位。如果容器接地，则屏蔽电极必须连接电路板的接地端。

另外需要保证激励信号不要超过电导池激励电压或激励电流的额定值。电路允许的可编程激励电压范围为100 mV至10 V，并且R23 （1 kΩ）串联电阻将最大电导池电流限制为10 mA。

电路描述

图3中的电路是一个完全独立运行、微处理器控制的高精度电导率测量系统，适用