IST-AG电导率传感器原理入门讲解

电导率传感器测量液体中导电离子的含量，它也代表了溶液的导电能力。相比于电导率的概念，电阻对于大多数人来说是一个更加直观的概念，它描述的是一段确定物体的导电能力，根据欧姆定律，导体两端所产生的压降，除以通过它的电流，就是该导体的电阻，其倒数就是电导。对于电阻或电导，它们是对于有固定形态的整个导体导电能力的描述，但是对于水或其他不具有固定形态的液体，我们只能去描述他们的自身固有属性，或是组成成分，这也就是我们为什么要测量电导率的原因。

在对电导率进行测量时，我们首先人为构造一个固定的导体结构。想象一段有固定外形的长方形导体，截面积为A，长度为L，我们通过电极常数k=L/A来记录这一结构特征。通过对该段认为构造导体电导的测量，结合结构参数k，就可以计算出被测量溶液的电导率数值。

电导率传感器的作用就是构造一个稳定合理的电导池结构，并且在批量生产的过程中具有极好的一致性，以减少甚至消除探头生产所带来的标定成本。除了结构尺寸上的一致性要求外，传感器在液体中长期浸泡并参与反应，因此电极材料的选择也至关重要。

温度会明显影响液体的导电能力（如图2）。液体导电需要借助离子运动完成，与金属不同，液体的导电能力随着温度的升高而增强。对于不同液体，温度对电导率的影响程度也不尽相同，这主要是因为温度对溶液中起导电作用的成分影响不同。超纯水的导电能力来自水的电离，电导率受到温度的影响最大，可以达到5%/℃以上；大部分一般浓度的离子盐溶液在2%/℃左右，酸，碱或浓度较高的盐溶液电导率受温度的影响进一步降低，通常为1.5%/℃。上面已经说到，液体电导率代表了液体组分的性质，为了消除温度因素对测量结果的巨大影响，一般我们会将测量结果标准化到25℃以进行比较。

图1中所示的极板结构是一种基于原理的描述，但是在实际应用的过程中，电导池的外形往往不必拘泥于此。与常见的结构外形如同轴异体或平行环结构不同，Innovative Sensor Technology IST AG 结合薄膜和厚膜技术开发了陶瓷基电导率传感器，传感器中包含一个电阻式温度传感器 (Pt1000 IEC 60751 F0.3)，从而可以在测量时进行准确补偿。电导率传感器由两根电流电极和两根测量电极组成。这一基本设计可以根据特定应用和要求进行调整。

选用铂作为电极，是因为铂具有稳定的化学性质，抗酸腐蚀能力略弱于金，但是有非常强的抗碱腐蚀能力。基于电导率的测量原理，图中的测量与激励电极必须裸露在外，直接与被测溶液接触，其余部分由一层玻璃钝化层覆盖，使得温度测量电阻与溶液具有电气隔离。

IST-AG所有电导率传感器均为四电极配置，提供宽广的测量范围与极佳的长期稳定性。在测量较低电导的溶液时，也可以灵活切换为两电极进行测量。标准的电导率传感器电极常数覆盖0.44cm-1到0.86cm-1，可以实现10uS到200mS的测量范围，温度可以覆盖-30℃到130℃。同时我们提供对传感器的定制服务，从外观尺寸，到材料配置与结构组成，我们可以为用户设计并生产出最贴合应用的传感器产品。例如为了进一步减小传感器尺寸，LFS1107采用环状电极的结构设计，在保证稳定且准确测量能力的前提下，进一步优化基板的空间利用率，整支传感器的尺寸仅有：11.3 x 7 x 0.63 mm (LxWxH)

IST-AG的电导率传感器虽然具有特殊的外形结构，但是它的测量原理与电路设计与传统电导率传感器无异（如图5）。在4电极模式下，对外侧的激励电极施加交流源，通过回路中的采样电阻运算出电流的峰峰值，同时记录居中的测量电极上的电压峰峰值，结合电导池常数k与片上温度信息即可准确计算出当前电导率；在2电极模式下，根据相同的方法记录回路电流与电导池两端的电压，结合其他参数信息即可得到当前的电导率。值得注意的是施加在在传感器两侧的交流源必须具有严格的0V直流电压，否则将损坏传感器与被测液。

作者：IST应用工程师 李驰

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