電導率變送器的設計

摘要：變送器是一種能夠與傳感器相配合的、能夠將非標準信號轉化為標準信號的電氣元件，其中標準信號是指物理量形式符合控制器采集規范的信號。電導率傳感器是設備中一種常用的能夠檢測介質電導率進而反應介質成分構成的儀表元件，需與電導率變送器相互配合才能實現檢測的功能。本文中，設計了一種適用于電極型電導率傳感器的電導率變送器。

關鍵詞：電導率；變送器設計；電流

1.緒論

電導率是一種介質在單位電場內導電能力的量度單位，在設備中，測量液態介質的電導率對于維持設備的正常運轉有著重要的作用，例如變壓器的絕緣浸油電導率檢測，連續運轉設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，電導率傳感器，還可以對實驗室內的超純水、純水、及其各種溶液的電導性或水標本整體離子的濃度進行相應的測量。不僅在滿足設計運轉標準方面至關重要，對于安全生產還有著不可忽視的意義。

一般的來說，在機械設備中對電導率進行檢測時候，應將電導率這種不易于處理的非標準轉信號轉化為可被PLC或其他控制設備識別的標準信號，這種過程在控制領域稱為變送，實現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變為可被控制器識別的信號（或將傳感器輸入的非電量轉換成電信號同時放大以便供遠方測量和控制的信號源）的轉換器。傳感器和變送器一同構成自動控制的監測信號源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應的變送器。由于電導率在數學上與電阻互為倒數，因此在本文中，所介紹的變送器本質上為電阻變送器。

一般地來說，在市場上，針對常見型號的電導率探針均有其對應的變送器型號可供選擇與使用，但是，當設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率的檢測，對于此種情況，市場上并無對應的傳感器可供選型使用，因此，研發一種針對多種不同電導率檢測傳感器的變送電路對于設備生產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率信號轉化為四線制電流量信號功能的變送器，保證了電導率傳感器在設備上的正常使用。

2.變送器設計

此種電導率檢測傳感器的探針為兩個電極，根據電導率的物理定義，檢測探針之間的電流與被檢測介質的電阻成反比，與電導率成正比，可以發現，根據歐姆定律，通過檢測固定電壓下的電流值可以檢測到介質電導率，實現將電阻值轉化為電流值的目的，當檢測電極處于電導率極低的介質中時，其電導率為0，此時，電流值也為0，說明該比例曲線經過原點，即兩者間呈現線性關系。因此，根據該原理，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。即將電導率的檢測轉化為電阻的檢測，進而轉化為電流的檢測，達到將非標準信號轉化為標準信號檢測的目的。

根據相關的行業標準，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率的不同，電流是在一定范圍內變化的，當電導率很大的時候，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，必須通過電路設計將電流限制在4-20mA的范圍內，且應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。

根據上述描述，電導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生電流，需要對其施加一穩定的恒定電壓，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，當容器外殼上有靜電放電或焊接作業時，則較大的電流會經由電壓激勵回路流經電壓源，從而燒毀電壓源。為了保護上游供電母線的安全，此恒定電壓源應當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的電導率大小有關，當電壓較小時，則會造成電流環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。當電壓較大時，則會由于電流相應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介質電導率的變化范圍不同而根據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，則應當選用交流電壓源，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，會對檢測結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，為了減小電容效應對點道路檢測的相關影響，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，以抵消電容積分環節對電路的影響，不過由于高頻電壓源的發熱更為明顯，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當在一定的前提之下，當被側介質的電導率較小的情況下，電壓源頻率無需過大，當被側介質電導率較大時，應當適當提高電壓源頻率，以提高檢測精度。

3.總結

上述形式的電導率變送器在分類上適應于電極型電導率傳感器的信號變送，除此之外，還有一種常見的電導率變送器型式，即電感型電導率變送器，其工作原理是利用對電感施加恒定的勵磁電壓，此時電導率與感應電壓的正比關系實現的。兩種電導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歷著突飛猛進的發展，目前，電導率傳感器已經從之前的單電極傳感器發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。

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

作者簡介：宮萍，女，1979年生，2001年畢業于北華大學電氣工程學院，本科學歷，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、球磨機等設備電控系統的設計工作。

（作者單位：中國有色（沈陽）冶金機械有限公司）