一種電極型電導(dǎo)率傳感器絕緣設(shè)計(jì)方案

傅 巍，周明軍，王 威，尤 佳，金鵬飛

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

一種電極型電導(dǎo)率傳感器絕緣設(shè)計(jì)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(tuán)公司第四十九研究所，哈爾濱 150001； 2.中國聯(lián)通，哈爾濱 150001）

電極型電導(dǎo)率傳感器的絕緣技術(shù)研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、航天以及海洋研究開發(fā)等領(lǐng)域，用于測量水質(zhì)的電導(dǎo)率。介紹了電極型電導(dǎo)率傳感器的工作原理，并對其絕緣特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了電容器串聯(lián)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此方案使傳感器的絕緣電阻增大2個(gè)數(shù)量級，為傳感器的長期穩(wěn)定性和壽命提供有力保障。

電極型；電導(dǎo)率傳感器；絕緣特性

引言

及時(shí)有效地對實(shí)際工程中電解制氧裝置的水質(zhì)電導(dǎo)率值進(jìn)行監(jiān)測，才能更好地掌握水質(zhì)狀況，進(jìn)行有效地除雜和降雜，降低水質(zhì)的含雜程度，為檢測與控制系統(tǒng)運(yùn)行情況提供有效數(shù)據(jù)，對確保人身安全和提高環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮極其重要作用。

電極型電導(dǎo)率傳感器用于對水質(zhì)電導(dǎo)率值進(jìn)行測量，具有測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活以及軍事領(lǐng)域，已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1～3]。 鑒于工程應(yīng)用中的實(shí)際需要，一體化電導(dǎo)率傳感器被研制和生產(chǎn)，安裝在通水管路中，使得電導(dǎo)電極和測量液體構(gòu)成非絕緣體，導(dǎo)致電導(dǎo)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(wěn)定性的影響，本文提出了電容串聯(lián)電路應(yīng)用在電導(dǎo)電極兩端，提高傳感器的絕緣性能，從而解決工程實(shí)際問題。

1 電極型電導(dǎo)率傳感器絕緣特性方案

1.1 電極型電導(dǎo)率傳感器工作原理

電極型電導(dǎo)率傳感器根據(jù)電解導(dǎo)電原理采用電阻測量法[4]對電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)測量，其電導(dǎo)測量電極在測量過程中表現(xiàn)為一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)[5]。電極型電導(dǎo)率傳感器應(yīng)用最為廣泛。

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

1.2 絕緣特性

電導(dǎo)率傳感器電導(dǎo)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(zhì)形成導(dǎo)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(shè)計(jì)了將電容分別串聯(lián)在電導(dǎo)電極的外電極和內(nèi)電極兩側(cè)，將外電極回路與內(nèi)電極回路作電氣上的隔離，兩個(gè)電路之間沒有電氣上的直接聯(lián)系，相互絕緣，同時(shí)還要保證兩個(gè)電路維持能量傳輸?shù)年P(guān)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(yàn)結(jié)果

絕緣材料的電性能統(tǒng)稱為絕緣特性，包括絕緣電阻、耐壓試驗(yàn)、介電常數(shù)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(dǎo)電原理及等效電路

圖1 水質(zhì)導(dǎo)電等效電路

由電化學(xué)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(cè)的充電電荷由電極上的電子或正電荷提供，而在溶液一側(cè)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(fā)生突變，稱為金屬在水溶液中的電極電位。電化學(xué)理論指出，激發(fā)極化是由于介質(zhì)受外電場電流激發(fā)而產(chǎn)生的一種電化學(xué)現(xiàn)象，稱為激發(fā)極化效應(yīng)，因此，此時(shí)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(shí)有電流流過而產(chǎn)生激發(fā)極化效應(yīng)，此時(shí)水的導(dǎo)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(gè)值與溶液、電極的材料及幾何形狀有關(guān)，并隨外加電壓大小及環(huán)境溫度高低而改變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分貯水的傳感器，Cp值在5～10 μF 范圍內(nèi)，Rp1+Rx + Rp2值多數(shù)在50～500 kΩ范圍內(nèi)，此電路的等效電阻值即為Rp1+Rx + Rp2值。

由此可見，貯水的電導(dǎo)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(dǎo)電極兩端分別串聯(lián)電容的方案。

2.2 解決方案

由于電容電極之間的介質(zhì)不是絕對的絕緣體，它的電阻不是無限大而是一個(gè)有限的數(shù)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(yán)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(lián)在電極的兩側(cè)，等效電路如圖2中AB端所示。

圖2所示主要是電容串聯(lián)電路，電容串聯(lián)電路的電路形式與電阻串聯(lián)電路一樣。電路中，電容C1、C2、C3、C4和水的等效電路相串聯(lián)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 傳感器輸出特性圖

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對圖1、圖2所示方案分別進(jìn)行電導(dǎo)率傳感器的絕緣電阻測試。在正常環(huán)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(diǎn)與傳感器殼體之間的絕緣電阻。具體驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表1所示。

結(jié)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(gè)數(shù)量級，即串聯(lián)電容器方案大大提高了電極型電導(dǎo)率傳感器的絕緣特性，解決了電極型電導(dǎo)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(shí)要兼顧傳感器的精度要求，影響精度指標(biāo)主要與電容容值有關(guān)，如電容容值分別取0.1 μF、0.2 μF、0.33 μF、0.43 μF時(shí)進(jìn)行精度和輸出特性驗(yàn)證，輸出特性見圖3所示，精度驗(yàn)證見表2所示。

結(jié)果表明：在保持原電路參數(shù)不變的情況下，進(jìn)行了傳感器電導(dǎo)率輸出特性測試和分析，其中輸出特性曲線由線性變?yōu)榉蔷€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(jié)論

通過電路理論分析和絕緣電阻試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的電容串聯(lián)電路，在選取不同電容容值時(shí)，絕緣電阻均從（1～5）到500 MΩ/50 VDC，提高了2個(gè)數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了對電極型電導(dǎo)率傳感器絕緣特性的改善。同時(shí)，對傳感器電導(dǎo)率精度指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，不同容值時(shí)的精度不同，容值越小，精度越高。在兼顧絕緣特性和精度關(guān)鍵

表2 傳感器絕緣電阻和精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

指標(biāo)滿足要求后，有效地避免使用環(huán)境的特殊性對電導(dǎo)率傳感器性能帶來的問題，保證了電導(dǎo)率傳感器長期穩(wěn)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?。?981-），女，黑龍江哈爾濱，碩士，主要從事水質(zhì)傳感器研究。