CN105092979A - 一种海洋用Ag/AgCl电场传感器内阻测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋用Ag/AgCl电场传感器内阻的测量方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤：将一对电场传感器放到浓度为3.5%的NaCl溶液中浸泡2~3天，极差稳定后，用数据采集仪测量电场传感器的极差V₁；将直流电源、变阻箱、电流表与电场传感器串联，数据采集仪与电场传感器并联；接通电路，记录数据采集仪读数V₂和电流表读数A；计算前后两次电压的变化值U=|V₂-V₁|，根据欧姆定律R=U/I=|(V₂-V₁)/A|即得到此对电极的内阻R。该发明测量时通过电场传感器的电流大小可控，不会对电场传感器产生损坏，测量时间短，不会引起电场传感器的极化。

Description

一种海洋用Ag/AgCl电场传感器内阻测量方法

技术领域

本发明涉及一种海洋用电场传感器的内阻测量方法，具体涉及一种海洋用Ag/AgCl电场传感器的内阻测量方法。

背景技术

Ag/AgCl电场传感器是将周围电场信号转化为电场传感器的电压信号，通过电压信号的变化反演周围电场的变化。Ag/AgCl电场传感器在海水中存在两个相界面，Ag|AgCl|Clˉ，电极表面的Ag和AgCl分别作为阳极和阴极参与反应并趋于平衡，电极电化学反应表示为：

总反应：AgCl Ag⁺+Cl^-

阴极反应：AgCl+e^- Ag+Cl^-

阳极反应：Ag–e^-+Cl^- AgCl

这两个平衡反应只有在理想状态下才会达到平衡，当周围的电场发生变化的时候，平衡发生移动，导致电极电势发生变化。当有较大电流流经电场传感器时，此平衡会被打破，甚至无法恢复。

根据Ag/AgCl电场传感器制备方法的不同主要可分为三种类型：粉末烧结型、热浸涂型、电化学氧化型。粉末烧结法又称干法，是将Ag粉和AgCl粉末均匀混合，经过研磨、清洗、干燥之后，用模具压制成电极胚体，经过高温烧结之后，打磨、活化得到。粉末烧结型使用时间长但其电阻较大，且电极表面易粉化；热浸涂法是将银电极基体浸入熔融的AgCl中，冷却后以浸涂后的电极为阴极，在一定电流密度下将部分AgCl还原为Ag得到。热浸涂型电极结构稳定但其工艺复杂，不利于实施。电化学氧化法又称湿法，是将银箔表面清洗后，将银箔作为阳极，通过外加电流的方法，将银箔表面氧化成AgCl膜，将银箔装入带有微孔的塑料管内用固体填料填充得到。电化学氧化型电场传感器平行性好，灵敏度高，极差较小。

电场传感器之间的内阻是影响电场传感器对周围电场感应能力的重要指标。他对电场传感器的自噪声，抗极化性能有重要影响。内阻越大，在有微弱电流流经电场传感器时，极差漂移越大，则其抗极化能力就越弱。

目前测量电场传感器的内阻并没有统一的测量方法，其中主要的方法有两种：一种是直接用万用电表欧姆档进行测量。此种方法是通过万用电表的电源直接为电场传感器供电，电流为毫安级，测量过程中会发现，电阻数值并不稳定，且持续升高，是电场传感器被外加电源强烈极化造成的。对电场传感器造成极大的破坏。另一种为电化学交流阻抗法。电化学交流阻抗技术是利用电化学工作站，通过三电极体系（参比电极，辅助电极，工作电极）进行测量。这种方法同样存在几点不足之处，一是，这种测量技术流经电场传感器的电流较大达到毫安级，且测量时间较长，对电场传感器的损伤较大，测量完成后，需要较长时间恢复甚至直接损坏电极；二是，三电极体系中的辅助电极(又称对电极)要求比测量电极（又称工作电极）的比表面积大，测量结果才更准确，目前的辅助电极主要为铂电极，其表面积很小约为1cm²，而电场传感器的表面积较大，达到1dm²；三是，交流阻抗技术只能测量单个电场传感器的内阻，而电场传感器实际使用时时成对使用，我们需要的得到的是一对电场传感器在实际使用时的电阻。一对电场传感器的内阻并不是单个电场传感器内阻的简单相加，因为还需要考虑整个系统中其他组份的电阻；四是，在对电化学氧化法制备的电场传感器的内阻测量时，在阻抗复平面图上很难出现半圆型图谱。为了开发电场传感器的应用，一种新的电场传感器的内阻测量方法需求非常迫切。

发明内容

本发明是一种测量时间短，不会引起Ag/AgCl电场传感器的极化，测量后极差能够迅速恢复，简单易行，测量结果准确的Ag/AgCl电场传感器的内阻测量方法。为实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

在恒温条件下，将一组电场传感器紧靠在一起放入浓度为3.5%的NaCl溶液中浸泡，稳定2~3天。

待其极差稳定之后，选取其中一对电场传感器，用高精度数据采集仪测量此对电场传感器的极差V₁。

将数控直流电源、可调变阻箱、高精度电流表与电场传感器串联，高精度数据采集仪与电场传感器并联；通过直流电源控制流经电场传感器的电流大小，将电阻箱调节到最大值，直流电源的输出电压根据流经电场传感器的电流大小进行调节，电流的控制范围为0~20μA，开关闭和，电流表读数稳定之后，立刻记录高精度数据采集仪测量到的极差V₂和电流表的读数A。

求得前后两次电场传感器的极差变化值U=|V₂-V₁|，根据欧姆定律R=U/I=|(V₂-V₁)/A|，即可得到此对电极之间的内阻R。

本发明提供的Ag/AgCl电场传感器内阻的测量方法用到的基础理论知识为欧姆定律。由于电场传感器之间本身存在电势差，理论上，将电场传感器等价为一个纯电阻和一个纯电源。在用数据采集仪直接测量电压的过程中，数据采集仪的内阻约为10⁷Ω，而配对成功的电场传感器之间的极差为1×10^-4V以下，则根据欧姆定律，测量极差的回路中的电流为10^-11A，此时回路中的电流基本忽略，则测量到的极差就是纯电源的电动势。设计如图1所示的电路，提高回路中的电流，使其达到可测量范围。电流表测量到的电流为流经数据采集仪和电场传感器的电流之和。电解法制备的电场传感器的内阻与数据采集仪的内阻比例约为1:10⁷，则流经电流的比例为电阻的反比，为10⁷：1，在总电流为10μA的情况下，流经数据采集仪的电流为10^-6μA，忽略不计。所以电流表测量的电流直接理解为流经电场传感器的电流。

AgCl电场传感器有较大电流通过时会引起极化，导致电极电势发生严重漂移，甚至无法修复。所以流经电场传感器的电流大小要在可控范围之内，控制在20μA以下，以免对电场传感器产生较大的损坏。另外，电场传感器的内阻并非一成不变，在通过不同电流的情况下，电场传感器的极化程度不同，会产生极化内阻。因此在控制流经电场传感器的电流的条件下，标定在不同极化电流的情况下，电场传感器的内阻变化规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明是一种海洋用Ag/AgCl电场传感器的内阻测量方法，去除了其他海洋用Ag/AgCl电场传感器的内阻测量方法中的诸多不足，测量方法简单快捷，不需要昂贵的测量仪器。测量结果准确。

2、测量过程中电流流经电场传感器的时间较短，仅为几秒钟的时间，减少了外加电源对电场传感器极化时间，减小对电场传感器的极化作用。测量完成后，电场传感器的极差能够迅速恢复到初始状态。

3、在测量过程中一方面要控制极化时间，另一方面要控制极化电流。因此在实际操作过程中，调节电流大小和控制时间的步骤要简单快捷。本测量过程中，通过调节外加电源的输出电压或电阻箱阻值，来改变流经电场传感器的电流大小，方便快捷，且容易操控。

4、测量过程中，为了减少外加电源对电极的破坏，应该严格控制流经电场传感器的电流大小，通过实验验证，电流在0~20μA之间，在这个范围内，电场传感器不会引起强烈的极化，测量完成后电场传感器的极差恢复较快。不会对电极产生损伤。

5、电场传感器实际使用时，整个电极对系统的电阻包括传感器的欧姆内阻，溶液内阻，极化内阻等诸多因素的影响。所以测量时不能只测量一个电场传感器的内阻。此种方法测量对象为成对电极，且测量得到的电阻是溶液电阻，欧姆内阻，极化内阻等的总和，结果更加准确。

6、海洋用电场传感器的使用环境为天然海水。此方法测量过程中的溶液为3.5%的NaCl溶液，最大程度的模拟海洋条件下的实际环境，测量得到的电阻值更加贴近实际使用时电场传感器的内阻值。

7、在实际测量过程中，可以得到不同极化电流、不同极化时间、不同极化温度的条件下Ag/AgCl电场传感器的内阻变化规律。

附图说明

图1为本发明的测量原理图

（1）保温箱（2）水浴（3）电场传感器（4）NaCl溶液（5）电阻箱

图2为本发明的设计电路图

（1）电场传感器等效图（2）等效内阻（3）等效纯电源。

具体实施方式

下面根据实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

将电解法制备的一对Ag/AgCl电场传感器紧靠在一起放在浓度为3.5%的NaCl溶液中，然后将其放入20℃的恒温箱中，稳定3天。待溶液温度稳定，且电场传感器的极差稳定之后，将电场传感器、数据采集仪、电流表、直流电源、电阻箱按照图1的连接方式连接好电路。直流电源的输出电压设置为0.1V，电阻箱阻值设置为最大值20KΩ。开关K打开，测得V₁=0.036mV，闭合开关K，待电流稳定之后迅速读出数据采集仪的电压值V₂=0.040mV，电流表读数A=0.63μA，根据公式R=U/I=|(V₂-V₁)/A|计算得到电阻R=6.35Ω。切断电源，同时记录数据采集仪的电压值从0.04mV降到0.036mV的时间为2S。按照上述方法，分别调节直流电源的输出电压为0.5V、1.5V、2.5V、4V时，计算得到的电阻值以及恢复时间见表1。

表1常温，不同外加电压下电阻值的测量结果

电源电压	V1(mV)	A(μA)	V2(mV)	恢复时间T	内阻R(Ω)
						0.1V	0.036	0.63	0.040	3S	6.35
0.5V	0.036	2.63	0.055	8S	7.22
						1.5V	0.036	7.64	0.095	24s	7.72
2.5V	0.037	12.63	0.135	70S	7.76
						4V	0.038	20.13	0.195	120S	7.80

测量过程中，A与V₂的数值是瞬时记录的，并没有对电场传感器通电过长时间，从计算得到的电阻值可以发现，极化电流越大，内组值越高，且电场传感器的极差恢复时间越长。所以用来测量电阻的最佳极化电流为0.63~7.63μA之间。

实施例2

将电解法制备的一对Ag/AgCl电场传感器紧靠在一起放在浓度为3.5%的NaCl溶液中，然后将其放入20℃的恒温箱中，稳定3天。待溶液温度稳定，且电场传感器的极差稳定之后，将电场传感器、数据采集仪、电流表、直流电源、电阻箱按照图1的连接方式连接好电路。直流电源的输出电压设置为0.1V，电阻箱的阻值设置为20KΩ。开关K打开，测得V₁=0.035mV，闭合开关K，待电流稳定之后迅速读出数据采集仪的电压值V₂=0.039mV，电流表读数A=0.63μA，根据公式R=U/I=|(V₂-V₁)/A|计算得到电阻R=6.35Ω。切断电源，同时记录数据采集仪的电压值从0.039mV降到0.035mV的时间为2S。按照上述方法，分别调节电阻箱的阻值为10KΩ、5KΩ、2KΩ、1KΩ时，计算得到的电阻值以及恢复时间见表2。

表2常温，不同电阻箱阻值下电阻值的测量结果

电阻箱阻值	V1(mV)	A(μA)	V2(mV)	恢复时间T	内阻R(Ω)
						20KΩ	0.035	0.63	0.039	2S	6.35
10KΩ	0.035	1.13	0.043	2S	7.08
						5KΩ	0.035	2.16	0.051	10s	7.40
2KΩ	0.035	5.19	0.075	10S	7.71
						1KΩ	0.035	10.20	0.114	15S	7.74

测量过程中，A与V₂的数值是瞬时记录的，并没有对电场传感器通电过长时间，从计算得到的电阻值可以发现，极化电流越大，内阻值缓慢升高，且电场传感器的极差恢复时间越长。

实施例3

将电解法制备的一对Ag/AgCl电场传感器紧靠在一起放在浓度为3.5%的NaCl溶液中，然后将其放入20℃的恒温箱中，稳定3天。待溶液温度稳定，且电场传感器的极差稳定之后，将电场传感器、数据采集仪、电流表、直流电源、电阻箱按照图1的连接方式连接好电路。直流电源的输出电压设置为0.5V，电阻箱的阻值设置为20KΩ。开关K打开，测得V₁=0.031mV，闭合开关K，待电流稳定之后（约3秒）迅速读出数据采集仪的电压值V₂=0.050mV，电流表读数A=2.65μA，根据公式R=U/I=|(V₂-V₁)/A|计算得到电阻R=7.17Ω。数据记录完成后，继续通电极化，每隔30S记录数据采集仪的读数，并计算得到电阻值见表3。

表3常温，小电流长时间极化时内阻的变化结果

时间	3 S	30 S	60 S	90 S	120 S	150 S	180 S	210 S	240 S
										V2(mV)	0.050	0.052	0.053	0.054	0.055	0.055	0.055	0.056	0.056
R(Ω)	7.17	7.92	8.30	8.68	9.06	9.06	9.06	9.43	9.43

通过测量发现，随着极化时间的延长，电场传感器的内阻不断总加。断电后，电场传感器的极差约2分钟之后才恢复，比读完第一组数据就立刻切断电源时所需要的恢复时间延长。

实施例4

将电解法制备的一对Ag/AgCl电场传感器紧靠在一起放在浓度为3.5%的NaCl溶液中，然后将其放入20℃的恒温箱中，稳定3天。待溶液温度稳定，且电场传感器的极差稳定之后，将电场传感器、数据采集仪、电流表、直流电源、电阻箱按照图1的连接方式连接好电路。直流电源的输出电压设置为2.5V，电阻箱的阻值设置为20KΩ。开关K打开，测得V₁=0.037mV，闭合开关K，待电流稳定之后（约3秒）迅速读出数据采集仪的电压值V₂=0.131mV，电流表读数A=12.63μA，根据公式R=U/I=|(V₂-V₁)/A|计算得到电阻R=7.44Ω。数据记录完成后，继续通电极化，记录30S记录数据采集仪的读数，并计算得到电阻值见表4。

表4常温，大电流长时间极化时内阻的变化结果

时间	3 S	30 S	60 S	90 S	120 S	150 S	180 S	210 S	240 S
										V2(mV)	0.131	0.141	0.147	0.150	0.153	0.155	0.156	0.158	0.161
R(Ω)	7.44	8.23	8.71	8.95	9.18	9.34	9.42	9.58	9.82

通过测量发现，随着极化时间的延长，电场传感器的内阻不断总加。断电后，电场传感器的极差约30分钟之后才恢复到比较稳定的值，比读完第一组数据就立刻切断电源时所需要的恢复时间延长。但此时的极差值为0.039mV略大于初始值0.037mV，说明此过程对电场传感器的极差产生了一定的影响。

实施例5

将电解法制备的一对Ag/AgCl电场传感器紧靠在一起放在浓度为3.5%的NaCl溶液中，然后将其放入5℃的恒温箱中，稳定3天。待溶液温度稳定，且电场传感器的极差稳定之后，将电场传感器、数据采集仪、电流表、直流电源、电阻箱按照图1的连接方式连接好电路。直流电源的输出电压设置为0.5V，电阻箱的阻值设置为20KΩ。开关K打开，测得V₁=0.046mV，闭合开关K，待电流稳定之后（约3秒）迅速读出数据采集仪的电压值V₂=0.080mV，电流表读数A=2.66μA，根据公式R=U/I=|(V₂-V₁)/A|计算得到电阻R=12.78Ω。数据记录完成后，继续通电极化，每隔30S记录数据采集仪的读数，并计算得到电阻值见表5。

表5低温，小电流长时间极化时内阻的变化结果

时间	3 S	30 S	60 S	90 S	120 S	150 S	180 S	210 S	240 S
										V2(mV)	0.080	0.088	0.093	0.096	0.097	0.099	0.102	0.104	0.106
R(Ω)	12.78	15.79	17.67	18.80	19.17	19.93	21.05	21.80	22.57

通过测量发现，在低温条件下，测得的电阻值明显提高，且随着电阻的提高，同样电流条件下，电极的极化速度加快。30分钟后，极差恢复到0.046mV。比开始时略有增加，长时间的极化作用，对电场传感器的极差产生了细微的影响。

实施例6

将电解法制备的一对Ag/AgCl电场传感器紧靠在一起放在浓度为3.5%的NaCl溶液中，然后将其放入5℃的恒温箱中，稳定3天。待溶液温度稳定，且电场传感器的极差稳定之后，将电场传感器、数据采集仪、电流表、直流电源、电阻箱按照图1的连接方式连接好电路。直流电源的输出电压设置为0.5V，电阻箱的阻值设置为9KΩ。开关K打开，测得V₁=0.042mV，闭合开关K，待电流稳定之后（约3秒）迅速读出数据采集仪的电压值V₂=0.123mV，电流表读数A=5.79μA，根据公式R=U/I=|(V₂-V₁)/A|计算得到电阻R=14.0Ω。数据记录完成后，继续通电极化，每隔30S记录数据采集仪的读数，并计算得到电阻值见表6。

表6低温，大电流长时间极化时内阻的变化结果

时间	3 S	30 S	60 S	90 S	120 S	150 S	180 S	210 S	240 S
										V2(mV)	0.123	0.141	0.147	0.154	0.157	0.162	0.166	0.170	0.173
R(Ω)	13.99	17.10	18.13	19.34	19.86	20.73	21.42	22.11	22.63

通过测量发现，低温条件下，极化电流越大，测得的电场传感器的内阻越大，这与极化内阻的升高有关。

Claims (4)

1.一种海洋用Ag/AgCl电场传感器的内阻测量方法，其特征在于所述的方法包括下述的步骤：将一对电场传感器紧靠在一起放到NaCl溶液中浸泡2~3天，待其极差稳定之后，用高精度数据采集仪测量此对电场传感器的极差V₁；将直流电源、变阻箱、电流表与电场传感器串联，高精度数据采集仪与电场传感器并联；电路接通后记录高精度数据采集仪测量到的极差V₂和电流表的读数A；求得前后两次电场传感器的极差变化值U=|V₂-V₁|，根据欧姆定律R=U/I=|(V₂-V₁)/A|即可得到此对电极之间的内阻R。

2.根据权利要求1所述的一种海洋用Ag/AgCl电场传感器的内阻测量方法，其特征在于浸泡电场传感器用的NaCl溶液为模拟海水而配制，NaCl的质量浓度为3.5%。

3.根据权利要求1所述的一种海洋用Ag/AgCl电场传感器的内阻测量方法，其特种在于通过电阻箱或直流电源调节流经电场传感器的电流大小，电流控制在0~20μA。

4.根据权利要求1所述的一种海洋用Ag/AgCl电场传感器的内阻测量方法，其特征在于通过控制流经电场传感器的电流，标定不同温度、不同极化电流不同极化时间的条件下电场传感器的内阻变化规律。