电导率变送器的设计
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摘要：变送器是一种能够与传感器相配合的、能够将非标准信号转化为标准信号的电气元件，其中标准信号是指物理量形式符合控制器采集规范的信号。电导率传感器是设备中一种常用的能够检测介质电导率进而反应介质成分构成的仪表元件，需与电导率变送器相互配合才能实现检测的功能。本文中，设计了一种适用于电极型电导率传感器的电导率变送器。
关键词：电导率；变送器设计；电流
1.绪论
电导率是一种介质在单位电场内导电能力的量度单位，在设备中，测量液态介质的电导率对于维持设备的正常运转有着重要的作用，例如变压器的绝缘浸油电导率检测，连续运转设备的润滑油含水量检测等，蓄电池的电解液寿命检测等，在科研方面，电导率传感器，还可以对实验室内的超纯水、纯水、及其各种溶液的电导性或水标本整体离子的浓度进行相应的测量。不仅在满足设计运转标准方面至关重要，对于安全生产还有着不可忽视的意义。
一般的来说，在机械设备中对电导率进行检测时候，应将电导率这种不易于处理的非标准转信号转化为可被PLC或其他控制设备识别的标准信号，这种过程在控制领域称为变送，实现这一变送功能的器材称为变送器。变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。由于电导率在数学上与電阻互为倒数，因此在本文中，所介绍的变送器本质上为电阻变送器。
一般地来说，在市场上，针对常见型号的电导率探针均有其对应的变送器型号可供选择与使用，但是，当设备的安装部位不适于安装上述型号的探针时，则需要在市场中选购普及度较低的探针型号，甚至需要自行制作探针以进行电导率的检测，对于此种情况，市场上并无对应的传感器可供选型使用，因此，研发一种针对多种不同电导率检测传感器的变送电路对于设备生产与制造有着重要作用。针对上述诉求，本文介绍了一种具备将电导率信号转化为四线制电流量信号功能的变送器，保证了电导率传感器在设备上的正常使用。
2.变送器设计
此种电导率检测传感器的探针为两个电极，根据电导率的物理定义，检测探针之间的电流与被检测介质的电阻成反比，与电导率成正比，可以发现，根据欧姆定律，通过检测固定电压下的电流值可以检测到介质电导率，实现将电阻值转化为电流值的目的，当检测电极处于电导率极低的介质中时，其电导率为0，此时，电流值也为0，说明该比例曲线经过原点，即两者间呈现线性关系。因此，根据该原理，可以通过对传感器探针施加已知电压U，并对反馈回路的电流进行测量，达到电阻检测。即将电导率的检测转化为电阻的检测，进而转化为电流的检测，达到将非标准信号转化为标准信号检测的目的。
根据相关的行业标准，PLC能够处理的电流量一般为4-20mA的四线制电流信号，而上述电路中由于电导率的不同，电流是在一定范围内变化的，当电导率很大的时候，即电阻接近于0，此时，电流回路的反馈信号将远远超过PLC的电流量检测范围，此时，该这工程量将无法被PLC正确读取，甚至在严重情况下会造成PLC模块的烧毁，因此，必须通过电路设计将电流限制在4-20mA的范围内，且应该在电路中增加限流措施或信号隔离措施保证PLC模块的安全。因此，本变送器主要包含以下几个部分：恒定电压源、电流变送器、必要的PLC信号读取模块。
根据上述描述，电导率检测模块的电路原理图如下所示：
为了使检测探针的两个电极之间产生电流，需要对其施加一稳定的恒定电压，因此，则需要配置恒定电压源，由于探针是直接安放至设备或被检测容器的外壳上的，探针的外壳与容器外壳直接接触，当容器外壳上有静电放电或焊接作业时，则较大的电流会经由电压激励回路流经电压源，从而烧毁电压源。为了保护上游供电母线的安全，此恒定电压源应当与主供电母线有着良好的电气隔离。
电压源的电压大小与被检测介质的电导率大小有关，当电压较小时，则会造成电流环形成的电流过小无法被电流传感器检测到，或检测精度不足等问题。当电压较大时，则会由于电流相应的增大而需选用量程更大的电流传感器。因此电压源的电压大小需要根据介质电导率的变化范围不同而根据欧姆定律公式进行选择。
电压源的电压类型一般的有交流与直流两种类型，上述两种类型的恒定电压均可用于电导率的检测，不过需要注意的是电流传感器的类型需要与电压源的类型相匹配，即若采用交流电流传感器，则应当选用交流电压源，反之则选用直流电压源。
由于检测探针的两个电极之间存在一定的电容效应，会对检测结果的精度以及检测速度造成影响，电容越大，此种影响越明显，为了减小电容效应对点道路检测的相关影响，工程上较为有效且可行的方案是提高交流电压源的激励频率，以抵消电容积分环节对电路的影响，不过由于高频电压源的发热更为明显，所以频率的提高也伴随着电能的浪费，因此，电压源频率的提高应当在一定的前提之下，当被侧介质的电导率较小的情况下，电压源频率无需过大，当被侧介质电导率较大时，应当适当提高电压源频率，以提高检测精度。
3.总结
上述形式的电导率变送器在分类上适应于电极型电导率传感器的信号变送，除此之外，还有一种常见的电导率变送器型式，即电感型电导率变送器，其工作原理是利用对电感施加恒定的励磁电压，此时电导率与感应电压的正比关系实现的。两种电导率传感器及其配套的变送器适用于不同的工作场合。
在传感器方面，电极型传感器也在经历着突飞猛进的发展，目前，电导率传感器已经从之前的单电极传感器发展成为如今的多电极传感器，并通过对电极的金属工艺实现电极的耐腐蚀、耐酸碱等处理，大大拓宽了点道路传感器的适用范围。
随着电导率变送器的发展，其对于变送器的技术也提出了许多的新的要求，在未来，电导率变送器将继承以往变送精准度高、测量范围广等优点，同时在与单片机或嵌入式技术相结合的基础上，通过集成滤波技术、信号通讯技术等相关功能，使电导率传感器成为真正的智能仪表。
作者简介：宫萍，女，1979年生，2001年毕业于北华大学电气工程学院，本科学历，中国有色（沈阳）冶金机械有限公司。副主管工程师，从事电解天车、堆垛天车、焙烧天车、球磨机等设备电控系统的设计工作。
（作者单位：中国有色（沈阳）冶金机械有限公司）
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