三电极电导率传感器测量电路的研制.pdf

第32卷第3期
海洋技术
2013年9月
OCEAN TECHINOLOGY
Sept 2013
三电极电导率传感器测量电路的研制
贾文娟,兰卉,李红志
(国家海洋技术中心,天津300112)
摘要:三电极电导率传感器是用于海洋环境量的重要仪器之ー。三电极电导率传感器主要由三电极电导池和
信号转換电路组成。主要论述高精度三电极电导率传感器测量电路的工作原理和实现方法,分别从振荡器、自动增
益控制和抗干扰设计三个方面进行阐述。此外,为了实现传感器測量电路的高精度,还要对电路板进行温度补偿,
消除整个缄路器件带来的测量误差。最后选用自行研制的5#三电极电导率传感器与海鸟SBE49三电极电导率传
感器进行比测实验。通过5#传感器与海乌SBE49的比测数据可得,5并电导率传感器的重复性误差均在±00mS/cm
以内,说明电路的性能良好,可实现电导率传感器的高精度测量。
关键词:三电极;电导率;传感器;文氏振荡器;抗干扰
中图分类号:P715,TP212.9
文献标志码:B
文章编号:1003-2029(2013)03-003-05
电导率测量技术是一项非常重要的工程技术,其主要原流入电导池中的待测海水然后由两端电极流出。这样就能测
理是对液体的电导特性进行测量,主要用于工业生产用水、出电导池中两端电极之间海水的等效电阻,从而计算出待测
人类生活用水、海水特性、电池电解液等测量与检测。在海洋海水的电导率。在三电极电导池中,电流由中间电极流向两
观测监测领域中,测量海水电导率是进行海水盐度现场测量端电极,电场由中间电极向两端电极扩散,并完全包含在两
的最重要手段,具有速度快、精度高和便于现场测量等优点,端电极之间,使电场无泄漏,避免了三电极电导池之外物质
已成为日前海水盐度测量的最主要方法和国内外传感器研的干扰和电导率传感器外壳生物污染的影响,使三电极电导
究的热点。海洋电导率传感器按照电导池的结构形式主要分率传感器具有极强的抗干扰性和稳定性。
为两种,一种是电极式,一种是感应式。目前国外广泛应用的
是电极式电导率传感器,国际市场上的主导仪器设备是多电
电极1
电极2
电极3
极式电导率传感器,主要有三电极、四电极、七电极和八电极
等
无论是电极式传感器还是感应式传感器,都要根据电导
池的特性匹配相应的转换电路。转换电路将电导池检测到的
海水电导率转换成电信号,以便进行采集和处理。因此,转换
电路在分辨率、重复性、线形、温度稳定性、与电导池匹配等
图1三电极电导池示意图
方面的性能成为决定电导率传感器性能的关键。
C
1三电极电导率传感器及转换电路工作原理
1.1三电极电导率传感器
倍号放大
号放大
光电
三电极电导率传感器又称三电极电导池,其示意图如图
1所示。测量时用来存储待测海水,并结合转换电路感知、测
自b增
量待测海水的各项物理参数。三电极电导池外壳由玻璃管制
电压系
成,3个电极使用稳定性好、耐腐蚀的金属铂制成。电导池共
有3个电极,分别为电极1,2,3,电极2称为中间电极,电极
3称为端电极,两个端电极电位相同,电流通过中间电极
图2三电极电导率测量电路原理框图
收稿日期:2013-05-10
基金项目:海洋公益性行业科研专项资助项目(201005035)
作者简介:贾文娟(1983-),女,助理工程师,主要研究方向为温盐深传感器研究。
万方数据
海洋技术
第32卷
1.2三电极电导率转换电路工作原理
在转换电路中,R1,R2,C,C2,K为常数,因此电导池中的
图2所示为与三电极电导池匹配的三电极电导率转换海水电导率S与转换电路输出频率∫f是单调关系,即频率f
电路,主要包括文氏振荡器、自动增益控制电路、抗干扰电只由电导率S来确定,那么通过测量转换电路输出的频率值
路、AC-DC电压变换电路及V-F电路等几部分。三电极电导就可以得到所测海水的电导率S。
率转换电路的主要工作原理是,电导池和高精度电阻电容组
成文氏振荡器桥略,文氏振荡器产生频率信号,信号经过放
大后经自动增益控制电路形成负反馈,从而使电路形成闭
环,到达测量过程中的动态平衡,最终输出信号为与被测电
导率相关的频率信号/。
2三电极电导率转换电路的设计
压控信号
直以来,电导率传感器的精度受到了各个组成部分的
制约,如稳定、可靠的电极式电导池,高稳定性的电导率转换
电路,以及补偿修正等。而电导率转换电路的稳定性由电子
图4三电极电导率转换电路自动增益控制原理图
元器件的温度稳定性、电源稳定性和抗外界干扰等因素决2.2三电极电导率转换电路的自动增益控制电路设计
定。文中的转换电路采取的措施很好解决了上述各个因素产
为了抑制电路中各个器件的温度漂移对测量精度的影
生的影响。
响,文中采用放大器的负反馈控制场效应管构成自动增益控
制电路(如图4所示),主要原理是通过放大器的输出电压控
电导池电极
制场效应管的沟道电阻,实现对放大器放大倍数的自动调
节,实现输出平衡。图4中,R为振荡器固定电阻R2和模拟
水电阻R的并联电阻,Q为P沟道结型场效应管。平衡状
态下放大器放大系数为:
电导池
中间电极
信号放大
式中:Ra为Q1漏一源极之间的电阻;R为反馈电阻。当
温度升高时,电路中各元件对温度的响应导致输入信号V
变大,则输出信号V。也变大,Q栅极电极增大,源极电压不
(R和R2为电导池等效电阻R.的两部分)
变,栅-源极电压变大,则耗尽层增大导致R变大,则由
图3测量电路中的文氏振荡器原理图
(3)式得放大器的放大系数Av减小。
2.1三电极电导率转换电路的振荡器电路设计
文氏振荡器的反馈系数F
如图3所示,文氏振荡器由R1,R2,C1,C2及Rr组成,其
R, /
中Rn=Runk为三电极电导池中海水的等效电阳,Rm和
R,+
Rru+Rm?
jvc #(R M
Rg分别为三电极电导池中间电极与两端电极之间海水的等
效电阻。振荡器在经过负反馈电路达到相位和幅值平衡后,
其中令Z2=R21
vQ、Z,=R,+
juc
输人信号变大,即Z2
输出稳定的振荡频率信号。
变大,反馈系数F增大。则可以满足FA,等于1或略大于1
实现稳幅振荡。同理,当温度降低时,电路也可实现稳幅振荡。
2 TVR, C,,(R, /R,)
2.3三电极电导率传感器抗干扰电路设计
当电导池中无海水通过,即电导池空载时,Rw为无穷
为了使测量信号不受外界干扰,必须采取措施尽量提高
大,R2R。近似等于R2,这样可以避免振荡器发生停振。
三电极电导率传感器稳定性,目前主要采用了电源、信号测
海水电导率S=KxG,其中G为海水的电导,G=IMR。K量、自动增益控制与信号输出隔离的电路设计,有效实现海
为电导池中海水的几何参数,由电导池的几何尺寸决定。电水地与电路地的隔离,大大降低了由于地引入干扰对测试信
导池尺寸确定后,K就是一个常数,故称为电导池常数。代人号产生的影响。采取的具体措施如下:
(1)式得:
(1)隔离电源电路设计。以往电