分析仪表-2电导.

A
R1 A B R2 B
RX
C1
C0
C2
图2-2 电导池的交流等效电路
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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 容抗的计算公式为： 1 Xc 2 fC
R1 A R2 B
RX
C1 C0
C2
式中，f——电源频率，Hz； C——电容，法拉。
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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：
电导率k 常数J 电导G RX
0.05～0.2µS/cm
0.2～2µS/cm 2～20µS/cm 20～200µS/cm
0.01
0.01 0.1 1
5～20µS
20～200µS 20～200µS 20～200µS
50kΩ～200kΩ
2.4 电导率仪表的电路组成
模数转换 数据处理 显示 输入
方波振荡
电导池
电导信号
信号转换 温度检测
信号放大
数模转换
温度信号
输出
4～20mA
图2-3 智能电导率仪表的组成
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2.4 电导率仪表的电路组成
U I
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：
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电导率仪表
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2 电导率仪表
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
内容提要 电导率仪表的基本原理 传感器及测量原理 影响电导率测量的因素 电导率仪表的电路组成 电导率仪表的校验 电导率仪表使用中的一些问题
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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。
1 1 L = G k A
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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
k = GJ
式中， J——电极常数，cm-1； G——电导，S； k——电导率，S/cm。 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）。
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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。
NH 3 H 2O
NH 4OH
H 2CO3
NH 4 OH
CO2 H 2O
H HCO3
2H CO32
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。
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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。 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。
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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，溶液中既有离子也 有分子（分子不导电），电离达到一定的平 衡为止，如HAc，NH3· H2O。
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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。

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。
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2.3 影响电导率测量的因素
R =ρ L A
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ρ是导体材料决定的，比 如，铜的ρ比铝的ρ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。
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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ρ的倒数；而电导池的电导为G， 是电阻R的倒数。
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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。
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2.3.1 电极极化的影响
RX
B
C0
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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 RX R2
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。
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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。
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/输入、信号输出等部分组成。
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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 。

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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。 U R= I
U
I
R
图2-1
电导池原理
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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ρ 、导线 面积A和导线长度L之间的关系是：
5kΩ～50kΩ 5kΩ～50kΩ 5kΩ～50kΩ
只要用于测量0.2µS/cm以上的水样，对应的 RX都在5kΩ～50kΩ之间，测量0.05µS/cm（小于 超纯水）时才达到200kΩ。
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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。
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，起降低电源电压的作用，相当于增 大了溶液的电阻，给测量带来误差。
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Ri
RX
Ui
＞
URi U i I Ri R X Ri
当RX>>Ri时，
U I R X Ri
Ui
UR i UR i k RX J
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 。
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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Pt100，一般安装在内电极里， 用绝缘材料与内电极隔离。
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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：
kt kt0 1 t t 0
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； β——电导率温度系数。