数字电导率传感器的测量原理

数字电导率传感器的测量原理基于溶液导电特性与欧姆定律，通过成对电极间的电信号交互实现电导率的定量检测，其核心机制涵盖电极结构设计、交变电流激励、信号转换与温度补偿等环节，确保在不同溶液环境中获得稳定可靠的测量结果。

电极系统的结构设计是测量的基础。传感器通常采用平行板式或圆柱式成对电极，材质多为钛合金或铂金，表面经特殊处理（如电镀铂黑）以增大有效导电面积，降低极化效应。两电极间距与面积的比值（电极常数 K）为固定参数（常见值为 0.1、1、10 cm⁻¹），直接影响测量范围与灵敏度。电极封装于耐腐蚀外壳中，仅测量端面与溶液接触，确保电极间电场分布稳定，减少边界效应对测量的干扰。

电导率测量的核心是交变电流激励与响应检测。传感器向两电极施加固定频率（通常 50-1000Hz）的正弦交变电压，避免直流电压导致的电极极化（如离子在电极表面堆积形成双电层）。溶液中的离子在电场作用下定向移动形成电流，电流大小与溶液中离子浓度及迁移率正相关。传感器内置高精度电流检测模块，将电流信号转换为电压信号，经放大与滤波处理后，通过欧姆定律计算出溶液电阻（R），再结合电极常数（K）得到电导率（σ=K/R），单位为 S/cm（西门子 / 厘米）。

信号处理与数字化转换是提升精度的关键。模拟信号经 16 位以上模数转换器（ADC）转换为数字信号后，传入微处理器进行多步优化：采用自动增益控制（AGC）调节信号放大倍数，确保在宽量程（通常 0.05μS/cm-200mS/cm）内保持测量精度；通过数字滤波算法剔除电源干扰与溶液波动导致的噪声，使信号稳定度提升 10 倍以上。处理器内置电导率与浓度换算模型，可直接输出电导率值或换算为 TDS（总溶解固体）浓度，满足不同应用场景的需求。

温度补偿机制是消除环境影响的核心技术。溶液电导率受温度影响显著（多数溶液温度系数为 2%-3%/℃），传感器内置高精度温度探头（如 Pt1000），实时采集溶液温度（测量精度 ±0.1℃）。微处理器根据温度值调用对应补偿公式，将测量值修正至参考温度（通常 25℃）下的电导率，补偿公式分为线性补偿（适用于精度要求较低的场景）与非线性补偿（基于特定溶液的温度特性曲线，精度可达 ±0.5%）。对于已知成分的溶液，可手动输入温度系数，进一步提升补偿准确性。

量程自动切换功能拓展了测量适用性。传感器通过监测电极间阻抗自动判断溶液导电能力，当阻抗超出当前量程范围时，自动切换激励电压或电流大小，确保测量信号处于最佳响应区间。低电导率测量（如纯水）采用高电压激励（1-10V）以提高信号强度；高电导率测量（如工业废水）则降低激励电压（0.1-1V），避免电极极化与信号饱和。量程切换过程在毫秒级完成，不影响测量连续性。

数据输出与通信功能实现测量结果的有效传递。处理器将处理后的电导率值按标准化协议（如 Modbus RTU、4-20mA 模拟量）输出，支持与数据采集系统或上位机实时通信。部分传感器具备本地存储功能，可按设定间隔（1-60 秒）记录测量数据与温度值，存储容量达 10 万条以上，便于追溯历史趋势。数字接口采用光电隔离设计，抗电磁干扰能力强，确保在工业环境中稳定传输。

通过上述原理的协同作用，数字电导率传感器实现了从信号激励到数据输出的全流程自动化，测量精度可达 ±0.5% FS，响应时间≤1 秒，能够满足从纯水到高浓度电解质溶液的广泛测量需求，为水质监测、工业过程控制等领域提供可靠的电导率数据支持。