CN112924494B - 一种具备原位自校准功能的电导率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种具备原位自校准功能的导电液体电导率传感器，其主体结构包括二个内置溶液的封闭式校准电导管、一个两电极的开放式测量电导管、电极、导线和铠装帽；封闭式的校准电导管的壳体材料包括陶瓷、金属、石英、高分子材料、碳纤维和石墨烯；导电管内的液体包括电解液、酸性、碱性和盐类液体；电导管外的待测物质包括流体或固体；能有效避免温度带来的测量误差，消除极化效应测量误差，并能够进行温度和电导率实时校准，使测量更加准确；具有结构简单、体积小、精度高、稳定性好、集成性强等优点，用于物联网中的传感、海洋探测和航天等电导率和温度检测领域。

Description

一种具备原位自校准功能的电导率传感器

技术领域：

本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种具备原位自校准功能的导电液体电导率传感器，简称电导率传感器，其主体结构由两个用于校准的电导管和一个用于测量的电导管组成。

背景技术：

在现有技术中，温度、盐度和深度是海洋观测中最基本的检测参数的三要素，也是研究海水的物理过程和化学过程的重要物理参数。海洋中发生的许多现象和过程，通常都与盐度的分布和变化有关，因此对海洋中盐度的分布及其变化规律的研究，在海洋科学上占有重要的地位。现有技术中，测量海水盐度的方法多种多样，其中电导率测量方法因其实用方便、可以现场操作而被广泛应用，所以，电导率传感器也就成为重要的器件。一般情况下，电导率传感器可分为电极式和电磁感应式，电极式因其灵敏度高、尺寸小在市场上有更多的应用。电极式电导率传感器的测量电极一般由激励电极和接受电极组成，激励电极产生激励信号在溶液里产生电场，再由接受电极将电场中的电信号接收并传导到信号放大电路，最后通过放大处理电路将信号转换为采集系统可识别的数字信号输出。二电极电导率传感器因其结构简单、低成本和易加工而得到广泛应用，但是采用直流电时，在电极与液体界面会有极化电阻的存在，影响对液体电阻率测量的准确性；三电极电导率传感器具有较好的抗干扰能力和稳定性，但是由于电导管较长，需要增加吸水泵；四电极电导率传感器能有效避免电极极化现象的产生；七电极电导率传感器能减少电极极化阻抗，其使用的电导管比三电极的短，响应时间快，能有效减少外界环境对测量结果的干扰，从而保证测量精度。

上述所列出的二、三、四、七电极电导率传感器都具有各自的优势，但也存在着各自不同的缺陷问题，如极化电阻的存在，或传感器尺寸较大、容易受到海洋生物附着、造成污染、必须外加水泵才能确保测量准确，或制作成本较高、对制造过程中的工艺偏差较敏感，不同制造批次间的工艺变化造成批次间一致性差，成品率低等。

海水电导率不仅与盐度有关，而且还与温度有密不可分的关系。当电导率传感器使用时，温度变化是影响电导率测量不准确的一个重要因素，因此也需要对温度进行校准。海水电导率在一较宽的盐度和温度范围测量时，其电导率温度系数不是常数，这使得海水电导率与盐度的换算关系变得较为复杂，要实现盐度的精准计算，必须考虑温度影响；在实际应用中，控制电路中的元器件会随着时间和环境而出现漂移，造成测量的误差，也需要被校准。因此，发明一种具备原位自校准功能的基于液体导电原理的电导率传感器非常有必要。

在常规条件下，电解液的电导率随温度呈线性或准线性变化，在理论上液体具有不可压缩性，对外部压力耐受力好。在一段电绝缘的壳体中注入已知浓度(电导率)的电解液，在壳体两端的电极上加上恒定的交流电压(或交流电流)，测其交流电流(或交流电压)随环境温度的变化，根据欧姆定律其电阻值为电压值/电流值，由电阻值随外部环境温度变化曲线可以计算出温度的变化，实现对温度的精准检测。对两个已知浓度(电导率)的标准电导管的电阻值的测量可以获得对温度和控制电路进行原位校准，实现对电导率的长期准确的测量，目前，利用这个原理的传感器还尚未见有报道或产品问世。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计制备一种具有原位自校准功能的基于导电液体的电导率传感器，简称电导率传感器。该电导率传感器由两个封闭的校准用电解液电导管和一个开放式测量用电导管组成，两个封闭式校准电导管为开放式测量电导管提供温度校准、测量电路校准与电导率校准，通过校准算法实现原位校准，获得对壳体外电导率测量的高准确性与长期稳定工作。

为了实现上述目的，本发明涉及的具有原位自校准功能的电导率传感器的主体结构包括二个内置溶液的封闭式校准电导管、一个两电极的开放式测量电导管、电极、导线和铠装帽；封闭式的校准电导管的壳体材料包括但不限于陶瓷、带有电绝缘层的金属、石英、聚四氟乙烯、高分子材料、塑料、碳纤维和石墨烯；导电管内的液体包括但不限于电解液、酸性液体、碱性液体和盐类液体；电导管外的待测物质包括但不限于流体或固体，如海水和土壤。

本发明涉及的原位自校准式电导率传感器属于基于电解液体电导管温度与电导率自校准功能的原位自校准式电导率传感器，其主体结构包括第一铠装帽、第一校准电导管、第二校准电导管、开放式测量电导管、第一电极、第三电极、第一开放电极、第一导线、第二导线、第三导线、第二铠装帽、第二电极、第四电极、第二开放电极、第四导线、第五导线和第六导线；第一铠装帽和第二铠装帽为对称式匹配结构，均为圆盘状盒盖式结构；内部封有电导率为S1(如高纯水)的第一校准电导管和内部封有电导率为S2(如标准海水)的第二校准电导管均为管筒状结构；带有二个电极(如铂金电极)的开放式测量电导管为管筒状结构，第一校准电导管内连有第一电极和第二电极，第二校准电导管内连有第三电极和第四电极，用于二个电极测量的开放式测量电导管的内腔中设有第一开放电极和第二开放电极；与第一校准电导管电极相连接的有第一导线和第四导线，与第二校准电导管电极相连接的有第二导线和第五导线，与开放式测量电导管的电极相连接的有第三导线和第六导线；其中电导率S1的值包括0.01S/m；S2包括9.0S/m；第一铠装帽上固定安装有第一电极、第三电极和第一开放电极，并分别与第一导线、第二导线和第三导线电连接；第二铠装帽上固定安装有第二电极、第四电极和第二开放电极，并分别与第四导线、第五导线和第六导线电连接；第一铠装帽和第二铠装帽之间并排式固定制有第一校准电导管和第二校准电导管，并分别密封式包套在第一电极与第二电极、第三电极与第四电极上，构成固装式结构；并行排列的第一校准电导管和第二校准电导管的上侧并行式固定制有开放式测量电导管，测量电导管中密封式分别套有电连接的第一开放电极和第二开放电极；第一铠装帽和第二铠装帽的材料包括但不限于环氧树脂；第一校准电导管、第二校准电导管和开放式测量电导管的排布结构为三角形排布或并列平行排布；第一校准电导管和第二校准电导管的外形为圆筒状或长方体筒状。

本发明涉及的电导率传感器，其主体结构由一个开放式测量电导管和二个封闭式校准电导管组成；为了避免上述所列的二电极电导率传感器的缺点，电导管的壳体为耐海水腐蚀、导热且电绝缘的材料；开放式测量电导管的二个电极相对位置和距离固定，置于海水或液体中用来测量海水电导率；电极材料具备耐腐蚀且稳定的性能，包括但不限于金属材料、铂电极、不锈钢电极、导电石墨烯、导电碳材料、碳黑、高掺杂半导体材料、导电高分子材料和导电塑料；二个封闭式校准电导管内充有已知电导率的液体，其电导率值位于待测液体电导率范围的两端，如分别为高纯水和9S/m，覆盖测量范围并用于原位实时校准；三根电导管电极外侧均连有一节导线，用来连接控制电路，三根电导管相邻排布，其电极与导线连接处由铠装固定，使测量更加方便；壳体为非绝缘材料时，其内壁与外壁均涂有一层导热绝缘涂层材料；壳体内的导电液体包括但不限于盐水、酸性液体、碱性液体、酒精、油类、丙酮、甲醇和无机溶液。

本发明涉及的电导率传感器在使用前要先进行校准，将组成电导率传感器的三个电导管放入恒温(-5～40℃)水槽中，分别测量第一校准电导管、第二校准电导管的电导值与温度的关系曲线，再分别放入水三相点瓶(温度0.01℃)和金属镓点瓶(温度29.7666)中，进行温度校准；然后将三个电导管放入不同电导率值的电解液(或海水)中，测量在不同温度下的电导-电导率曲线；在现场应用时，先根据第一校准电导管和第二校准电导管测得的电导-温度曲线，获得温度值，再在测量电导管的电导-电导率曲线上查找相同温度下的电导和电导率曲线，通过测得的电导值实现对管外海水(液体)的电导率测量；每间隔一定(5～10分钟)时间，用已知电导率值的标准电导管对电路进行校准，消除测量误差，其校准方法为，在已知校准电导管中溶液的电导率的情况下，能够测得海水此时的温度值；再用此温度值和两个校准电导管获得的电导值产生新的电导—电导率曲线；然后用新曲线去校准内存中的老曲线，实现原位实时校准；在新曲线下，通过测量电导管获得的电导测量值即得此时海水的电导率。

本发明涉及的电导率传感器与现有技术相比，基于液体的温度传感器和电导率传感器能有效避免温度带来的测量误差，有效消除极化效应带来的测量误差，使电导率测量更加准确；能够进行温度和电导率的现场实时校准，使得电导率测量更加准确；其尺寸可在纳米—几十厘米量级，具有结构简单、体积小、精度高、长期稳定性高、集成性好等优点，对物联网中的传感、海洋探测、航天等需要电导率和温度监测和检测领域有重要意义。

附图说明：

图1为本发明涉及的电导率传感器的主体结构侧向投影示意图。

图2为本发明涉及的电导率传感器结构的横向截面投影图。

图3为本发明涉及的电导率传感器的三维立体主体结构原理示意图。

图4为本发明涉及的电导率传感器频率与液体电阻曲线关系图。

图5为本发明涉及的电导率传感器测量与校准电路结构理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的原位自校准式电导率传感器属于基于电解液体电导管温度与电导率自校准功能的原位自校准式电导率传感器，其主体结构包括第一铠装帽1、第一校准电导管2、第二校准电导管3、开放式测量电导管4、第一电极5、第三电极6、第一开放电极7、第一导线8、第二导线9、第三导线10、第二铠装帽11、第二电极12、第四电极13、第二开放电极14、第四导线15、第五导线16和第六导线17；第一铠装帽1和第二铠装帽11为对称式匹配结构，均为圆盘状盒盖式结构；内部封有电导率为S1(如高纯水)的第一校准电导管2和内部封有电导率为S2(如标准海水)的第二校准电导管3均为管筒状结构；带有二个电极(如铂金电极)的开放式测量电导管4为管筒状结构，第一校准电导管2内连有第一电极5和第二电极12，第二校准电导管3内连有第三电极6和第四电极13，用于二个电极测量的开放式测量电导管4的内腔中设有第一开放电极7和第二开放电极14；与第一校准电导管2电极相连接的有第一导线8和第四导线15，与第二校准电导管3电极相连接的有第二导线9和第五导线16，与开放式测量电导管4的电极相连接的有第三导线10和第六导线17；其中电导率S1的值包括0.01S/m；S2包括9.0S/m；第一铠装帽1上固定安装有第一电极5、第三电极6和第一开放电极7，并分别与第一导线8、第二导线9和第三导线10电连接；第二铠装帽11上固定安装有第二电极12、第四电极13和第二开放电极14，并分别与第四导线15、第五导线16和第六导线17电连接；第一铠装帽1和第二铠装帽11之间并排式固定制有第一校准电导管2和第二校准电导管3，并分别密封式包套在第一电极5与第二电极12、第三电极6与第四电极13上，构成固装式结构；并行排列的第一校准电导管2和第二校准电导管3的上侧并行式固定制有开放式测量电导管4，测量电导管4中密封式分别套有电连接的第一开放电极7和第二开放电极14；第一铠装帽1和第二铠装帽11的材料包括但不限于环氧树脂；第一校准电导管2、第二校准电导管3和开放式测量电导管4的排布结构为三角形排布或并列平行排布；第一校准电导管2和第二校准电导管3的外形为圆筒状或长方体筒状。

本实施例涉及的电导率传感器的传感头需要与配套电路使用，激励源为交流，出厂前，电导率传感器需要经过实验室校准，并提供一条电导—电导率校准曲线；使用时，将电导率传感器导线连入电路相应接口，电路内部通过转换模块，将测量电导管的二个电极测得的电导值通过校准曲线转换为对应的电导率值，并通过两个校准电导管进行温度校准与电导率值的校准，实现电导率的实时测量与原位校准。

本发明涉及的电导率传感器的激励信号为交流电流或电压信号，通过频谱扫描实验测试，获得测量电导管两电极间电阻值的极小值所对应的交流信号频率，附图4为测得的电阻极化效应最小时对应的频率，在此频率下的极化效应最小(或为零)，能够有效消除极化效应带来的影响；附图5为将一只标准电阻Rs与待测海水电阻Rc串联，向串联电路两端施加一交流信号V，电路测得标准电阻电压Vs、总电压V，那么由此可推出测量电导管所测到的的电阻值为：

由此测得海水电导值1/Rc，通过原位实时校准的电导—电导率关系曲线，得到准确的海水电导率值。

Claims (3)

1.一种具备原位自校准功能的电导率传感器，其特征在于：基于电解液体电导管温度与电导率自校准功能的原位自校准式电导率传感器，其主体结构包括第一铠装帽、第一校准电导管、第二校准电导管、开放式测量电导管、第一电极、第三电极、第一开放电极、第一导线、第二导线、第三导线、第二铠装帽、第二电极、第四电极、第二开放电极、第四导线、第五导线和第六导线；第一铠装帽和第二铠装帽为对称式匹配结构，均为圆盘状盒盖式结构；内部封有电导率为S1的第一校准电导管和内部封有电导率为S2的第二校准电导管均为管筒状结构；带有二个电极的开放式测量电导管为管筒状结构，第一校准电导管内连有第一电极和第二电极，第二校准电导管内连有第三电极和第四电极，用于二个电极测量的开放式测量电导管的内腔中设有第一开放电极和第二开放电极；与第一校准电导管电极相连接的有第一导线和第四导线，与第二校准电导管电极相连接的有第二导线和第五导线，与开放式测量电导管的电极相连接的有第三导线和第六导线；第一铠装帽上固定安装有第一电极、第三电极和第一开放电极，并分别与第一导线、第二导线和第三导线电连接；第二铠装帽上固定安装有第二电极、第四电极和第二开放电极，并分别与第四导线、第五导线和第六导线电连接；第一铠装帽和第二铠装帽之间并排式固定制有第一校准电导管和第二校准电导管，并分别密封式包套在第一电极与第二电极、第三电极与第四电极上，构成固装式结构；并行排列的第一校准电导管和第二校准电导管的上侧并行式固定制有开放式测量电导管，测量电导管中密封式分别套有电连接的第一开放电极和第二开放电极；第一铠装帽和第二铠装帽的材料包括环氧树脂；第一校准电导管、第二校准电导管和开放式测量电导管的排布结构为三角形排布或并列平行排布；第一校准电导管和第二校准电导管的外形为圆筒状或长方体筒状。

2.根据权利要求1所述的一种具备原位自校准功能的电导率传感器，其特征在于：电导管的壳体为耐海水腐蚀、导热且电绝缘的材料；开放式测量电导管的二个电极相对位置和距离固定，置于海水或液体中用来测量海水电导率；电极材料具备耐腐蚀且稳定的性能，包括金属材料、铂电极、不锈钢电极、导电石墨烯、导电碳材料、碳黑、高掺杂半导体材料、导电高分子材料和导电塑料；电导管的壳体为非绝缘材料时，其内壁与外壁均涂有一层导热绝缘涂层材料；电导管的壳体内的导电液体包括盐水、酸性液体、碱性液体、酒精、油类、丙酮、甲醇和无机溶液。

3.根据权利要求1所述的一种具备原位自校准功能的电导率传感器，其特征在于在使用前要先进行校准，将组成电导率传感器的三个电导管放入恒温水槽中，分别测量第一校准电导管、第二校准电导管的电导值与温度的关系曲线，再分别放入水三相点瓶和金属镓点瓶中，进行温度校准；然后将三个电导管放入不同电导率值的电解液中，测量在不同温度下的电导-电导率曲线；在现场应用时，先根据第一校准电导管和第二校准电导管测得的电导-温度曲线，获得温度值，再在测量电导管的电导-电导率曲线上查找相同温度下的电导和电导率曲线，通过测得的电导值实现对管外液体的电导率测量；每间隔5～10分钟的时间，用已知电导率值的标准电导管对电路进行校准，消除测量误差，其校准方法为，在已知校准电导管中溶液的电导率的情况下，能够测得液体此时的温度值；再用此温度值和两个校准电导管获得的电导值产生新的电导—电导率曲线；然后用新曲线去校准内存中的老曲线，实现原位实时校准；在新曲线下，通过测量电导管获得的电导测量值即得此时海水的电导率。

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