Transcript 电导率测量原理
电导率测量原理 电导率：液体中的电流流动 在固体导体中，电流是通过自由电子的移动而产生的。 在液体导体中，电流是通过自由离子的移动而产生的。 - 电流 + - 传输电流的离子物质被称为 电解液。 - 电解液的实质是自由离子。 + + + + + + 在溶液中离子移动 分子水解产生带正电的阳离 子和带负电的阴离子。 1 电导率：原理 电导率:电导率是物体传导电 流的能力(溶液的导电能力)。 电导率测量仪的测量原理是将 两块平行的极板，放到被测溶 液中，在极板的两端加上一定 的电势（通电不能用直流，否 则极板容易极化。现在用交流 方波，也可用正弦波。频率 20Hz~100Hz。），然后测量 极板间流过的电流。 电导率的测量：溶液的所有离 子总和，例如，溶液浓度。 2 什么是电导率 所有物质都有一定的导电能力。 从超纯水非常低的导电能力到高浓度化学 样品非常高的导电能力。 两块板间加电势 离子开始向两块板移动 电流 I 将在两块板间流动（欧 姆定律）： U=R•I 3 什么是电导率 U=R•I I : R: U: 电流(A) 电阻() 电势(V) R依赖于两块金属板间的体积： R = • L/A : L: A: L/A: 电阻系数 ( ·m 或 ·cm ) 两块金属板间的距离 (m 或 cm) 金属板面积 (m2 或 cm2) 电极常数 (1/cm) - + 1 cm A=1cm2 1 cm L = 1cm 4 什么是电导率 S = 1/ 电导率(Siemens/m , 或 S/cm , 或 S/cm) 电阻系数( ·m 或 ·cm ) S: : G 1 R 1 A L S A L S K 式中：R-溶液电阻Ω ρ-电阻率Ω*cm L-两极板的距离cm A-极板截面积cm2 G-电导S (S，西门子1S=1Ω-1) S-电导率S*cm-1 K-电极常数cm-1（K=L/A） 溶液电导率S只与溶液特性有关而 与测量传感器几何尺寸无关。 5 什么是电导率 S=G*K 使用电导传感器首先测量的是电阻，将之转换成电导后对应0~2V输出。单片机 将0~2V计算得到和K对应的电导值。例如，K=0.01时，0~2V对应 0.01~20μS/cm。 0.01～20μS/cm; 0～10ppm （配0.01电极）； 0.1～200μS/cm ; 0～100 ppm （配0.1电极）； 1.0～2000μS/cm; 0～1000 ppm （配1.0 电极）； 10～20000μS/cm; 0～10000 ppm（配10.0电极）； 测量需要分档，即改变电导常数。 为了在仪器上显示出电导率，软件中将电导值乘以电极常数即得到电导率值。 如果需要温度补偿，需要再利用温补公式计算得出最后的电导率值 6 电导率：温度补偿 液体的电导率与温度密切相关，因为温度发生变化时，电 解质的电离度、溶解度、离子迁移速度、溶液黏度等都会发 生变化，电导率也会变化。 一定浓度的溶液，其电导率随温度的改变而改变，由于各 种不同种类、不同浓度的电导率温度系数各不相同，例如酸 溶液的温度系数为（1.0~1.6）%/℃，碱溶液的温度系数为 （1.8~2.2）%/℃，盐溶液的温度系数为（2.2~3.0）%/℃， 天然水的温度系数为2.0%/℃，因此电导率测量的温度补偿 问题比较复杂。 7 电导率：温度补偿 温度补偿系数 ()：表示每摄氏度电导率变化 温度补偿：1. 随着溶液类别不同而不同 2. 随着浓度的不同而不同 标准参比温度是20℃或 25℃。 8 电导率：温度补偿 参比温度 标准参比温度是20℃或 25℃。 常用的温度补偿方式是在电导率运算中加入温补公式。 下式为温度补偿的一种经验公式： Gt= G25[ 1+ a( t- 25)] 式中： Gt为温度为 t℃ 时溶液的电导率；G25为温度为 25℃时溶液的电导率； a为溶液的温度补偿系数； t 为溶 液的实际温度。 Gt为实际溶液的电导率，必须转换为25℃ 时溶液的电导 率，G25就是所求得电导率值。不同溶液有不同温补系 数，a从最小的0 .014到最大的0.027也不相同。因为Gt 和t可由仪器测出，因此只要确定温度系数，就可算出 25℃时溶液的电导率G25。 9 电导率：温度补偿 一般盐溶液的温度系数为2％。采用这种温度补偿时，测 得液体电导率要换算为该液体在25℃时之电导率值。温 度补偿系数为每度（℃）2%，所以在作高精密测量时， 请尽量不采用温度补偿。而采用测量后查表或将被测液 等温在25℃时测量，来求得液体介质25℃时之电导率值 。但是用固定的α值测量精度不高。 精度较高的温度补偿通常在1~30℃范围内进行，补偿公 式为： Ss = St / (0.0169t+0.5583) 1≤t≤10 Ss = St / (0.0180t+0.5473) 11≤t≤20 Ss = St / (0.0189t+0.5281) 21≤t≤30 Ss为水溶液在25时的电导率值。St为t℃时的电导率值。 10 不同溶液电导率范围 0.01 0.1 电导率 (S/cm) 1.0 10 100 1000 10k 100k 1000k 100 M 10M 电阻系数 (Ohm-cm) 1M 100k 10k 1000 100 10 1 超纯水 纯水 补给水 饮用水 稀酸，稀碱，盐 废水 微咸水 工业用水 水处理 酸，碱 食品和饮料 化工工艺 11 应用领域 淡水监测 工业加热/冷却 工业排放物 化学工艺 酸碱测定 发电厂 游泳池 制药工业 检测自然河流 食品&饮料工业 12 2电极 13 磁环式电极 磁环式电导电极的特 点是适宜于测量高电 导率的溶液，一般用 于工业电导率仪中， 或利用其测量原理制 成单组分的浓度计， 如盐酸浓度计、硝酸 浓度计等。 测量原理： 一次线圈中的交流电产生交变磁场→交变磁场在溶液中感应出环形交流电场→ 环形交流电场产生交变磁场→在二次线圈中感应出交流电 14 四环式电极 四环电导电极是采用四 环电位原理设计而成。 由于彻底解决了2片式 电极中存在的极化问题 ，四环电极能在更大的 量程范围作精确测量。 两环与四环电极的比较： 两环电极：只有一组电极，在同一组电极之 间施加电流并测量电压降 四环电极：由两个外驱动电极和两个内感应 电极组成；在驱动电极间施加电流，在感应电极间 测量电位降；感应电极间的电位降与溶液的电导率 成正比；感应电极间的电位降与电极表面污染或电 路电阻无关。 15 电极极化 电极上有电流流过时，溶液会发生氧化还原 反应，改变电极附近溶液的组成，造成电极 板电势偏离其平衡值，产生极化现象。 极化现象会引起电导测量的严重误差。 采用高频交流电测定法，可以减轻或消除上 述极化现象，因为在电极表面的氧化和还原 迅速交替进行，其结果可以认为没有氧化或 还原发生。 16 浓度计 浓度测量使用电感线圈作为传感器。和电导 测量的电路相似。 流过电极的电流与被测溶液的浓度成正比， 由前置放大器测量流过电极的电流并转换为 电压信号，经程控放大、相敏检波和滤波后 得到反映浓度值的电压信号；微处理器通过 开关切换，对温度信号和浓度信号交替采样 ，经过运算和温度补偿运算后，转换并显示 为25℃时被测量的浓度值 17 电导率与浓度的关系 某一温度下，几种电解质水溶液的电导率与其浓度的关 系如图所示。由图可知，在相同浓度下，强电解质(HCl ，KOH等)具有较大的电导率，而弱电解质(HAC)的电导 率却小得多。对强电解质来说，在浓度不是很大时，χ ( 电导率)随浓度增大而明显增大。这是因为单位体积溶液 中导电粒子数增多的原故。当浓度超过某值之后，由于 正、负离子间相互作用力增大，而由此造成的导电能力 减小大于导电粒子增多而引起的导电能力增大，故净结 果是 χ（电导率） 随浓度增大而下降。所以在电导率与 浓度的关系曲线上可能会出现最高点。弱电解质溶液的 电导率随浓度的变化不显著，这是因为浓度增加电离度 随之减少，所以溶液中离子数目变化不大。 18 TDS TDS：total dissolved solids 总溶解固体量，总含盐量。测量单位为毫克 / 升（ mg/L ） , 它表明 1 升 水中溶有多少毫克溶解性总固 体，或者说1 升水中的离子总量。一般可用公式： TDS=[Ca+Mg+Na+K]+[HCO3+SO4+Cl] 。 PPM溶液百万分率浓度单位。指100万毫升溶液中含 有溶质的毫升数或表明100万克溶液中含有溶质克数 。 1PPM=1mg/L 100ms/cm 饱和盐水 150 结晶 200 希HCL 以上电感 30ms/cm 海水 19 TDS与电导率的关系 电导率与TDS的关系是：电导率约是TDS的 2倍，对照关系如下表 20 TDS与电导率的换算公式 21 总结 电导率是对总的离子浓度的测量。 电导率依赖于： 1.溶液的类型 2.离子的类型 3.温度 精确结果可以通过以下方式: 以同样的温度对标准和样品进行! 22