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1、电导率仪表,2 电导率仪表,内容提要 2.1 电导率仪表的基本原理 2.2 传感器及测量原理 2.3 影响电导率测量的因素 2.4 电导率仪表的电路组成 2.5 电导率仪表的校验 2.6 电导率仪表使用中的一些问题,2.1 电导率仪表的基本原理,导体 导体可分为两类： 第一类导体固体（金属、石墨等），靠自由电子的运动导电； 第二类导体液体（电解质溶液或熔融状态的电解质），靠离子的迁移导电。,2.1 电导率仪表的基本原理,电解质溶液与电导率 电解质溶解在溶剂中（通常是水）会产生电离。强电解质是完全电离，如HCl，NaOH，NaCl，它们在水溶液中以离子的形式存在；弱电解质则是部分电离，溶液中既有
2、离子也有分子（分子不导电），电离达到一定的平衡为止，如HAc，NH3H2O。,2.1 电导率仪表的基本原理,电解质水溶液的导电能力即电导率，与溶液中所含离子的活度有关，活度则与浓度有关。 活度摩尔浓度活度系数 由于离子间的牵制作用，浓度越大时活度系数就越小。当电解质溶液的离子浓度很低时称为无限稀释溶液，此时活度系数就接近于1，离子浓度就等同于活度。 电导率在电厂水汽监督的应用基本都在无限稀释溶液的范围内。,2.1 电导率仪表的基本原理,电导率还与离子的种类有关，因为不同离子的化合价不同，即所带的电荷数不同，且同价离子的导电能力也不同。因此，要使电导率与溶液的离子浓度有比例关系，必须有一定的条件
3、。 在离子种类相对稳定的无限稀释溶液中，电导率与溶液的离子浓度有一定的比例关系（浓度是指各种离子浓度的总和），浓度越低，电导率越小。,2.1 电导率仪表的基本原理,理论上的纯水几乎是不导电的。由于水本身也能电离出微量的H+ 和OH-，纯水的电导率约为0.055 S/cm。 测量目的 电导率仪表是通过测量电阻的方法来达到获知电解质溶液电导率的目的，从而知道该溶液所含离子的总量。,2.2 传感器及测量原理,测量传感器 测量传感器（电极）由两块金属极板组成，极板置于电解质水溶液中，构成电导池（在线电导率仪表的电极，一般做成内、外两个圆筒的形式）。向两极板施加一定的电压，测量电流，得到电导池的电阻。,
4、图2-1 电导池原理,2.2 传感器及测量原理,电阻与电阻率 一段导线，它的电阻R、电阻率、导线面积A和导线长度L之间的关系是： 电阻与电阻率和导体长度成正比，与导体面积成反比。电阻率是导体材料决定的，比如，铜的比铝的小，因此相同面积、相同长度的铜导线和铝导线相比，铜导线的电阻小，导电性能好。,2.2 传感器及测量原理,电导与电导率 对于水溶液，我们用电导率k来表达它的导电能力，它是的倒数；而电导池的电导为G，是电阻R的倒数。,2.2 传感器及测量原理,当极板的几何尺寸固定后，两极板的距离与面积之比，我们称为电极常数J，上式整理后 式中， J电极常数，cm-1； G电导，S； k电导率，S/c
5、m。 仪表测得电导池的电阻值，在已知电极常数的情况下，就可将数据转换成我们所需要的溶液电导率（也称比电导）。,2.3 影响电导率测量的因素,2.3.1 电极极化的影响 由于给电极外加了电压，当电流通过电极时，溶液中的正、负离子分别向两极迁移，正离子在阴极表面获得电子，发生了还原反应；负离子在阳极表面失去电子发生了氧化反应。由此产生了两种极化现象。,2.3.1 电极极化的影响,第一种，浓差极化。由于两极板附近液层中离子被消耗而使数量相对减少，溶液中离子浓度不均匀，离子朝着浓度低的方向迅速扩散而产生了内电场，这种现象称为浓差极化。浓差极化所产生的内电场称为浓差电势，它与外电场方向相反，起降低电源电
6、压的作用，相当于增大了溶液的电阻，给测量带来误差。,2.3.1 电极极化的影响,第二种，化学极化。由于发生了氧化还原反应，其结果是一个电极上析出金属，另一个电极上析出氧化物或气体，也就是电解现象。电解产物附着在电极上形成了原电池，其电动势也是与外加电场方向相反，同样相当于增大了溶液的电阻，引起测量误差。,2.3.1 电极极化的影响,解决办法：采用交流电源作为电导池的电源。 无论是浓差极化还是化学极化，都产生了与外加电场方向相反的电动势。采用交流电源后，由于电流的方向不断改变使电极阴、阳极性不断变换，避免了电极附近离子浓度的改变和电极上电解产物的析出，可极大地消除极化给测量带来的误差。,2.3
7、影响电导率测量的因素,2.3.2 极间电容的影响 由于以上原因采用了交流电作为电导池的电源，又引入了新的问题。采用了交流电源，则电导池就不是纯电阻了，而是含有电阻和电容的阻抗，偏离了我们所要测量的溶液电阻，同样造成测量误差。,2.3.2 极间电容的影响,电导池的等效电路如图。其中R1 、R2是极化电阻；C1 、C2分别是极板1和极板2与溶液间的双电层电容，也称表面微分电容；RX是溶液电阻；C0是两极板间的电解质电容以及连接电缆的分布电容之和。,图2-2 电导池的交流等效电路,2.3.2 极间电容的影响,在图中，RX才是我们想要的被测量，其他的电阻、电容则是测量过程中无法忽略的干扰量。电容容抗的
8、计算公式为：,式中，f电源频率，Hz； C电容，法拉。,2.3.2 极间电容的影响,在A、B两端加上交流电源时，电源频率越高，C1 、C2的容抗越小，当其容抗足够小的时候，R1 、R2几乎被短路，极化电阻可以忽略不计，消除了极化的影响。但是，频率越高，C0的容抗也越小，它与溶液电阻RX并联，使A、B两端总的阻抗减小，测量值偏小。,2.3.2 极间电容的影响,解决办法：采用合适频率的交流电源；电极与仪表的连接电缆控制在适当的长度内并在电路中进行电容补偿。 测量低电导率的水样时，RX较大，与它串联的极化电阻R1 、R2影响较小，与它并联的C0分流的影响较大，要采用频率较低的交流电源；,A,R1,R
9、2,RX,B,RX R1+R2,2.3.2 极间电容的影响,测量电导率较大的水样时，RX较小，与它串联的极化电阻R1 、R2的影响是主要的，C0的影响较小，要采用频率较高的交流电源。,A,RX,B,C0,XC0 RX,2.3.2 极间电容的影响,实验室电导率仪，若设有高、低频率切换开关，可根据水样电导率所在的范围选择电源频率。 对于在线电导率仪表，一般采用固定的合适频率。为使电导G在一定的范围内，对不同的水样配不同的电极。用于测量电导率小的水样，就配电极常数J较小的电极；水样的电导率较大时，就配J较大的电极。,2.3.2 极间电容的影响,常用的测量范围与电极常数的对应关系如下：,只要用于测量0
10、.2S/cm以上的水样，对应的RX都在5k50k之间，测量0.05S/cm（小于超纯水）时才达到200k。,2.3 影响电导率测量的因素,2.3.3 溶液温度的影响 随着温度的升高，溶液的粘度减小，离子在移动扩散时受到水分子的阻力减小，使离子迁移速度加快，因而使溶液的电导率增大；反之，温度下降使溶液的电导率减小。电导率还与电解质在水中的离解度以及水本身的离解度等因素有关，情况比较复杂。,2.3.3 溶液温度的影响,在无限稀释溶液中，电导率与温度的关系可近似表示为： 式中，t 溶液温度，； t0基准温度，25； kt 溶液温度为t时的电导率，S/cm； kt0溶液温度为t0时的电导率，S/cm；
11、 电导率温度系数。,2.3.3 溶液温度的影响,电导率受温度的影响很大，一般情况下： 盐类溶液的在0.020.025之间； 酸、碱类溶液的在0.0150.02之间； 纯水的在0.020.06 之间。,2.3.3 溶液温度的影响,解决方法：在仪表中设置温度补偿电路（电极有温度检测探头）。 电导率仪都有温度补偿功能（除早期的实验室仪表外），使用中要设置补偿系数。很多仪表都设了缺省值0.02。但需要指出的是，不仅不同溶液的电导率温度系数不同，同一溶液的电导率温度系数在不同的温度段也不同，不是线性的。因此，给仪表设置固定的温度补偿系数的不能做到完全补偿。,2.3.3 溶液温度的影响,选用具有非线性自动
12、温度补偿功能的电导率仪表，温度补偿的效果会更好。这种温补称为自然温补。如ORION 130A便携式电导率仪中温补系数的“tc nlf”档，该仪表中已储存了各温度、各电导率下的温度系数，仪表根据所测量的电导率和温度，测量时自动选取相应的温度补偿系数。目前某些在线电导率仪表也具有非线性自动温度补偿功能。 无论用线性还是非线性补偿，一定要开启温补功能（屏幕上显示TC或ATC）。,2.3 影响电导率测量的因素,2.3.4 可溶性气体的影响 电导率测量过程中，常伴随有溶液中溶解了某些气体的现象，如氨气，二氧化碳等。,氨气溶于水成为弱碱性溶液，二氧化碳溶于水成为弱酸性溶液。由于增加了导电的离子，使溶液的电
13、导率增大。对于低电导率的水样，这种气体的影响能使电导率增加几倍甚至几十倍。,2.3.4 可溶性气体的影响,解决方法： a）采用动态连续测量的方法，避免空气中二氧化碳溶解于水样； b）用离子交换技术除氨，在电导池前面串接阳树脂交换柱； c）用加热沸腾的方法进行除气。 前两种方法已普遍采用，第三种方法应用较少。我省湄洲湾电厂有加热除气装置 。,2.4 电导率仪表的电路组成,早期的仪表由很多分立元件组成，用指针式表头显示，电路比较复杂。当今的仪表由集成块组成，数字显示，智能型仪表还具有微电脑处理功能。 电导率仪表主要由信号转换、信号放大、温度补偿、方波振荡（施密特电路）、模数转换、数据处理、显示/输
14、入、信号输出等部分组成。,2.4 电导率仪表的电路组成,图2-3 智能电导率仪表的组成,2.4 电导率仪表的电路组成,2.4.1 信号转换 信号转换是仪表的第一级（输入级）电路。电导率仪的输入级一般采用分压式电路，早期的仪表还有采用电桥式的。分压式电路的原理是：,Ri,RX,I,Ui,U,当RXRi时，,式中，U、J和Ri是固定常数，放大器输入电压Ui与电导率k成正比 。,2.4 电导率仪表的电路组成,2.4.2 方波振荡 方波振荡电路也称施密特电路，就是方波发生器，属于数字电路的范畴。它供给电导池一定频率的交变电源。 2.4.3 温补电路 温补电路由热敏电阻和它的测量电路组成。热敏电阻多采用
15、Pt100，一般安装在内电极里，用绝缘材料与内电极隔离。,2.4 电导率仪表的电路组成,2.4.2 模数转换和数模转换 模数转换电路（ADC）是将放大后的电压转换成N位二进制数字量送给微电脑处理器。早期用分立元件组成的电路很复杂，现今采用集成块。模数转换有积分法和逐次逼近法等等。ADC的位数决定了二次仪表的分辨率，影响仪表的精度。位数越高分辨率就越高。,2.4 电导率仪表的电路组成,2.4.2 模数转换和数模转换 数模转换电路（DAC）是将与显示值所对应的数字量转换成模拟量420mA电流信号，此信号供给外部数据采集用。显示值与输出电流的关系取决于输出量程的设定。,2.4 电导率仪表的电路组成,
16、2.4.5 单片机 智能型仪表是具有单片机电路的仪表，可进行数据处理和人机对话，通过键盘和菜单可设定电极常数、电流输出对应的量程、温度补偿系数和模式等等。单片机一般由微处理器（CPU）、数据存储器（RAM或E2PROM）、程序存储器（ROM或EPROM）和I/O接口电路（显示、键盘）等组成。随着电子集成程度的提高，目前嵌入式单片机（ARV）的CPU 、RAM、EPROM、I/O接口都可做在一片集成块上，甚至于连模数转换电路也集成在一起，如8535芯片。,2.4 电导率仪表的电路组成,2.4.5 单片机 随着电子集成程度的提高，目前嵌入式单片机（ARV）的CPU 、RAM、EPROM、I/O接口都可做在一片集成块上，甚至于连模数转换电路也集成在一起，如8535芯片。单片机的结构：,2.4 电导率仪表的电路组成,2.4.6 显示和键盘 显示和键盘分别是智能型仪表单片机的
