電導(dǎo)率變送器的設(shè)計

摘要：變送器是一種能夠與傳感器相配合的、能夠?qū)⒎菢?biāo)準信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準信號的電氣元件，其中標(biāo)準信號是指物理量形式符合控制器采集規(guī)范的信號。電導(dǎo)率傳感器是設(shè)備中一種常用的能夠檢測介質(zhì)電導(dǎo)率進而反應(yīng)介質(zhì)成分構(gòu)成的儀表元件，需與電導(dǎo)率變送器相互配合才能實現(xiàn)檢測的功能。本文中，設(shè)計了一種適用于電極型電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)率變送器。

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)率；變送器設(shè)計；電流

1.緒論

電導(dǎo)率是一種介質(zhì)在單位電場內(nèi)導(dǎo)電能力的量度單位，在設(shè)備中，測量液態(tài)介質(zhì)的電導(dǎo)率對于維持設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)有著重要的作用，例如變壓器的絕緣浸油電導(dǎo)率檢測，連續(xù)運轉(zhuǎn)設(shè)備的潤滑油含水量檢測等，蓄電池的電解液壽命檢測等，在科研方面，電導(dǎo)率傳感器，還可以對實驗室內(nèi)的超純水、純水、及其各種溶液的電導(dǎo)性或水標(biāo)本整體離子的濃度進行相應(yīng)的測量。不僅在滿足設(shè)計運轉(zhuǎn)標(biāo)準方面至關(guān)重要，對于安全生產(chǎn)還有著不可忽視的意義。

一般的來說，在機械設(shè)備中對電導(dǎo)率進行檢測時候，應(yīng)將電導(dǎo)率這種不易于處理的非標(biāo)準轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)化為可被PLC或其他控制設(shè)備識別的標(biāo)準信號，這種過程在控制領(lǐng)域稱為變送，實現(xiàn)這一變送功能的器材稱為變送器。變送器是把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號（或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號同時放大以便供遠方測量和控制的信號源）的轉(zhuǎn)換器。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動控制的監(jiān)測信號源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的變送器。由于電導(dǎo)率在數(shù)學(xué)上與電阻互為倒數(shù)，因此在本文中，所介紹的變送器本質(zhì)上為電阻變送器。

一般地來說，在市場上，針對常見型號的電導(dǎo)率探針均有其對應(yīng)的變送器型號可供選擇與使用，但是，當(dāng)設(shè)備的安裝部位不適于安裝上述型號的探針時，則需要在市場中選購普及度較低的探針型號，甚至需要自行制作探針以進行電導(dǎo)率的檢測，對于此種情況，市場上并無對應(yīng)的傳感器可供選型使用，因此，研發(fā)一種針對多種不同電導(dǎo)率檢測傳感器的變送電路對于設(shè)備生產(chǎn)與制造有著重要作用。針對上述訴求，本文介紹了一種具備將電導(dǎo)率信號轉(zhuǎn)化為四線制電流量信號功能的變送器，保證了電導(dǎo)率傳感器在設(shè)備上的正常使用。

2.變送器設(shè)計

此種電導(dǎo)率檢測傳感器的探針為兩個電極，根據(jù)電導(dǎo)率的物理定義，檢測探針之間的電流與被檢測介質(zhì)的電阻成反比，與電導(dǎo)率成正比，可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)歐姆定律，通過檢測固定電壓下的電流值可以檢測到介質(zhì)電導(dǎo)率，實現(xiàn)將電阻值轉(zhuǎn)化為電流值的目的，當(dāng)檢測電極處于電導(dǎo)率極低的介質(zhì)中時，其電導(dǎo)率為0，此時，電流值也為0，說明該比例曲線經(jīng)過原點，即兩者間呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此，根據(jù)該原理，可以通過對傳感器探針施加已知電壓U，并對反饋回路的電流進行測量，達到電阻檢測。即將電導(dǎo)率的檢測轉(zhuǎn)化為電阻的檢測，進而轉(zhuǎn)化為電流的檢測，達到將非標(biāo)準信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準信號檢測的目的。

根據(jù)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準，PLC能夠處理的電流量一般為4-20mA的四線制電流信號，而上述電路中由于電導(dǎo)率的不同，電流是在一定范圍內(nèi)變化的，當(dāng)電導(dǎo)率很大的時候，即電阻接近于0，此時，電流回路的反饋信號將遠遠超過PLC的電流量檢測范圍，此時，該這工程量將無法被PLC正確讀取，甚至在嚴重情況下會造成PLC模塊的燒毀，因此，必須通過電路設(shè)計將電流限制在4-20mA的范圍內(nèi)，且應(yīng)該在電路中增加限流措施或信號隔離措施保證PLC模塊的安全。因此，本變送器主要包含以下幾個部分：恒定電壓源、電流變送器、必要的PLC信號讀取模塊。

根據(jù)上述描述，電導(dǎo)率檢測模塊的電路原理圖如下所示：

為了使檢測探針的兩個電極之間產(chǎn)生電流，需要對其施加一穩(wěn)定的恒定電壓，因此，則需要配置恒定電壓源，由于探針是直接安放至設(shè)備或被檢測容器的外殼上的，探針的外殼與容器外殼直接接觸，當(dāng)容器外殼上有靜電放電或焊接作業(yè)時，則較大的電流會經(jīng)由電壓激勵回路流經(jīng)電壓源，從而燒毀電壓源。為了保護上游供電母線的安全，此恒定電壓源應(yīng)當(dāng)與主供電母線有著良好的電氣隔離。

電壓源的電壓大小與被檢測介質(zhì)的電導(dǎo)率大小有關(guān)，當(dāng)電壓較小時，則會造成電流環(huán)形成的電流過小無法被電流傳感器檢測到，或檢測精度不足等問題。當(dāng)電壓較大時，則會由于電流相應(yīng)的增大而需選用量程更大的電流傳感器。因此電壓源的電壓大小需要根據(jù)介質(zhì)電導(dǎo)率的變化范圍不同而根據(jù)歐姆定律公式進行選擇。

電壓源的電壓類型一般的有交流與直流兩種類型，上述兩種類型的恒定電壓均可用于電導(dǎo)率的檢測，不過需要注意的是電流傳感器的類型需要與電壓源的類型相匹配，即若采用交流電流傳感器，則應(yīng)當(dāng)選用交流電壓源，反之則選用直流電壓源。

由于檢測探針的兩個電極之間存在一定的電容效應(yīng)，會對檢測結(jié)果的精度以及檢測速度造成影響，電容越大，此種影響越明顯，為了減小電容效應(yīng)對點道路檢測的相關(guān)影響，工程上較為有效且可行的方案是提高交流電壓源的激勵頻率，以抵消電容積分環(huán)節(jié)對電路的影響，不過由于高頻電壓源的發(fā)熱更為明顯，所以頻率的提高也伴隨著電能的浪費，因此，電壓源頻率的提高應(yīng)當(dāng)在一定的前提之下，當(dāng)被側(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率較小的情況下，電壓源頻率無需過大，當(dāng)被側(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率較大時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高電壓源頻率，以提高檢測精度。

3.總結(jié)

上述形式的電導(dǎo)率變送器在分類上適應(yīng)于電極型電導(dǎo)率傳感器的信號變送，除此之外，還有一種常見的電導(dǎo)率變送器型式，即電感型電導(dǎo)率變送器，其工作原理是利用對電感施加恒定的勵磁電壓，此時電導(dǎo)率與感應(yīng)電壓的正比關(guān)系實現(xiàn)的。兩種電導(dǎo)率傳感器及其配套的變送器適用于不同的工作場合。

在傳感器方面，電極型傳感器也在經(jīng)歷著突飛猛進的發(fā)展，目前，電導(dǎo)率傳感器已經(jīng)從之前的單電極傳感器發(fā)展成為如今的多電極傳感器，并通過對電極的金屬工藝實現(xiàn)電極的耐腐蝕、耐酸堿等處理，大大拓寬了點道路傳感器的適用范圍。

隨著電導(dǎo)率變送器的發(fā)展，其對于變送器的技術(shù)也提出了許多的新的要求，在未來，電導(dǎo)率變送器將繼承以往變送精準度高、測量范圍廣等優(yōu)點，同時在與單片機或嵌入式技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過集成濾波技術(shù)、信號通訊技術(shù)等相關(guān)功能，使電導(dǎo)率傳感器成為真正的智能儀表。

作者簡介：宮萍，女，1979年生，2001年畢業(yè)于北華大學(xué)電氣工程學(xué)院，本科學(xué)歷，中國有色（沈陽）冶金機械有限公司。副主管工程師，從事電解天車、堆垛天車、焙燒天車、球磨機等設(shè)備電控系統(tǒng)的設(shè)計工作。

（作者單位：中國有色（沈陽）冶金機械有限公司）