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電導(dǎo)率測(cè)量原理
日期：2025-02-06 11:45
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摘要：
電導(dǎo)率測(cè)量原理
1 原理
測(cè)量溶液的電導(dǎo)率（電阻率的倒數(shù)），必須有兩片金屬插入水中。在兩金屬間施加一定的電壓，在電場(chǎng)的作用下，溶液中的陰陽(yáng)離子便向與本身極性相反的金屬板方向移動(dòng)并傳遞電子，象金屬導(dǎo)體一樣，離子的移動(dòng)速度與所施加的電壓有線性關(guān)系，因此電解質(zhì)溶液也遵守歐姆定律。電解質(zhì)電阻的大小除了和電解質(zhì)的濃度有關(guān)外，還和電解質(zhì)的種類(lèi)與性質(zhì)—電解質(zhì)的電離度、離子的遷移率、粒子半徑和離子的電荷數(shù)以及溶劑的介電常數(shù)和粘度等有直接關(guān)系。
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~ |
電導(dǎo)儀 |
導(dǎo)線 |
電極 |
水溶液 |
圖4-1電導(dǎo)測(cè)量示意圖 |
R=ρ (4-1)
式中 R—電阻，Ω；
ρ—比電阻（電導(dǎo)率的倒數(shù)），Ω/cm。
2 電導(dǎo)電極和電極常數(shù)
電導(dǎo)電極的構(gòu)造：電導(dǎo)電極或稱(chēng)電導(dǎo)池，是測(cè)量電導(dǎo)的傳感元件。常規(guī)用的電極一般是兩個(gè)金屬片（或圓筒）用絕緣體固定在支架上。
電導(dǎo)電極的常數(shù)和溫度系數(shù)：當(dāng)電極制成后，對(duì)每支電極而言，兩個(gè)金屬片（或圓筒）的面積a和距離l是不變的。l/a可以看成是一個(gè)常數(shù)，這就是電極常數(shù)，用A表示，
A= (4-2)
A==кR (4-3)
式中 A——電極常數(shù)；
R——溶液電阻；
L——溶液的電導(dǎo)；
К——溶液的電導(dǎo)率（比電導(dǎo)）。
表4-1 推薦選擇的電極常數(shù)
測(cè)量范圍，μS/cm | 推薦選用電極的電極常數(shù)，cm-1 |
К<20 | 0.01 |
1<К<200 | 0.1 |
10<К<2000 | 1 |
100<К<20000 | 10 |
1000<К<200000 | 50 |
如果要直接準(zhǔn)確測(cè)量電極的面積a和距離l是很困難的。所以電極常數(shù)利用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氯化鉀溶液間接地測(cè)量。在一定溫度下，一定濃度的氯化鉀溶液的電導(dǎo)率是固定的。只要將待測(cè)電極浸在已知濃度的氯化鉀溶液中，測(cè)出電阻Ｒ或電導(dǎo)L，代入上式便可求出電極常數(shù)A。
表4-2 氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系
氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L | 標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率（25℃），μS/cm |
0.001 | 147 |
0.01 | 1410 |
0.1 | 12856 |
標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：
（1） 0.1mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液:稱(chēng)取在105℃干燥2h的優(yōu)級(jí)純氯化鉀（或基準(zhǔn)試劑）7.4365g,用新制備的Ⅱ級(jí)試劑水（20℃±2℃）溶解后移入1L容量瓶中，并稀釋至刻度，混勻。
（2） 0.01mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液:稱(chēng)取在105℃干燥2h的優(yōu)級(jí)純氯化鉀（或基準(zhǔn)試劑）7.440g,用新制備的Ⅱ級(jí)試劑水（20℃±2℃）溶解后移入1L容量瓶中，并稀釋至刻度，混勻。
（3） 0.001 mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液:于使用前準(zhǔn)確吸取0.01 mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液100ml, 移入1L容量瓶中，用新制備的Ⅰ級(jí)試劑水（20℃±2℃）稀釋至刻度，混勻。
配制0.001mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液所用的Ⅰ級(jí)試劑水應(yīng)先煮沸排除二氧化碳，配制過(guò)程中減少與空氣接觸。該標(biāo)準(zhǔn)溶液應(yīng)現(xiàn)配現(xiàn)用。
以上氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液應(yīng)保存在硬質(zhì)玻璃瓶中，密封保存。
一定濃度的氯化鉀溶液，其電導(dǎo)率隨溫度升高而增大，溫度系數(shù)大約為2%/℃左右，在作精密測(cè)量時(shí)必須保持恒溫，也可在任意溫度下測(cè)量，其方法是將測(cè)量的電導(dǎo)率換算成某一標(biāo)準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率，換算公式是：
К(25oC)=Кt樣／［1+β(t-25)］ （4-4）
式中 К(25oC)——換算成25℃時(shí)水樣的電導(dǎo)率，μS/cm；
Кt樣——toC時(shí)測(cè)得水樣的電導(dǎo)率值,μS/cm；
3 電導(dǎo)電極的電容
當(dāng)向電極施加直流電壓時(shí)，電極表面會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生極化電阻，從而對(duì)溶液電阻（電導(dǎo)的倒數(shù)）的測(cè)量產(chǎn)生誤差；為了消除極化電阻的影響，一般向電極施加交流電壓。電導(dǎo)電極浸入溶液后，電極表面會(huì)形成雙電層，因而電極表面有電容存在；電極的導(dǎo)線也存在分布電容。在交流電的作用下，測(cè)量的不僅是純電阻，而是電阻和容抗組成的阻抗。其等效電路如下：
RL |
RP |
RP |
Cd |
Cd |
Cf |
Vac |
圖4-2 電導(dǎo)電極測(cè)量等效電路 RL—溶液電阻；RP—極化電阻；Cd—微分電容；Cf—分布電容； |
在測(cè)量普通水時(shí)，由于分布電容Cf很小，其容抗1/(2πfCf)很大，可忽略其影響，主要是消除表面極化電阻的影響，因此采用較高的測(cè)量頻率，微分電容Cd產(chǎn)生的容抗1/(2πfCd)很小，造成極化電阻短路，測(cè)量的阻抗等于溶液電阻RL。
在測(cè)量高純度水的時(shí)候，由于溶液電阻RL很大，接近分布電容產(chǎn)生的容抗1/(2πfCf)，測(cè)量的阻抗等于溶液電阻RL和分布電容產(chǎn)生的容抗1/(2πfCf)的并聯(lián)總阻抗，從而造成測(cè)量結(jié)果偏離真正需要測(cè)量的溶液電阻RL。為了消除分布電容的影響，一般測(cè)量高純度水的時(shí)候采用較低的測(cè)量頻率，使分布電容產(chǎn)生的容抗1/(2πfCf)大大增加，從而減少對(duì)測(cè)量溶液電阻RL的影響。另外，選擇電極常數(shù)小的電導(dǎo)電極，降低電極之間溶液的電阻，也可減少純水測(cè)量時(shí)分布電容的影響。
4 電導(dǎo)儀的測(cè)量原理和電路
直讀式電導(dǎo)儀的電路原理圖見(jiàn)圖4-3。圖中Rx是電導(dǎo)池或電導(dǎo)電極（還表示電解質(zhì)溶液的電阻）。由運(yùn)算放大器A和反饋電阻Rf及Rx組成一個(gè)比例放大器，若由音頻振蕩器輸出至放大器的電壓為Vi，則放大器輸出電壓為Vo
Vo＝Vi＝ (4-5)
式中Vo為放大器輸出電壓；Vi放大器輸入電壓；Rf為反饋電阻；Rx為電導(dǎo)電極電阻；K為電極常數(shù)；L為欲測(cè)溶液的電導(dǎo)。
當(dāng)Vi、K恒定時(shí)，輸出電壓僅與電導(dǎo)L成正比。這種電路由于運(yùn)算放大器具有很高的放大倍數(shù)，并采用深度負(fù)反饋，所以放大器的頻率響應(yīng)和線性度都比較好。
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圖4-3 直讀式電導(dǎo)儀的電路原理圖 1— 音頻振蕩器；2—電導(dǎo)池或電導(dǎo)電極Rx；3—運(yùn)算放大器； 4—反饋電阻（Rf）；5—整流器；6—指示器 |
