高纯水电导率测量

高纯水电导率测量

电导率是物质传送电流的能力。通常,水溶液电导率和水中溶解固体浓度成正比，浓度越高，电导率越大。纯水的电导率与水的纯度密切相关，纯度越高，电导率越小，在25℃时，一般只有10-0.055μS/cm。以电阻率表示相当于0.1-18.3 MΩ.cm。

纯水由于电导率低，在取样和测量过程中容易受空气中二氧化碳和灰尘的影响，当空气中的二氧化碳等气体溶于水，便可形成相应的离子，使电导率增高。为此应当在流动的密封状态下进行纯水电导率测量（图1）。在没有流通测量池的情况下，也可以用一根塑料管将待测水样直接通入烧杯底部，让纯水从杯口不断溢出，将电导电极置于杯中进行测量。

图1 图2

在纯水电导率测量时，电极分布电容Cp的容抗Zcp相当于与溶液电阻R并联（图2），电导率仪测得的并不是我们需要的溶液电阻R，而是R与Zcp 的并联值。一般电导电极的分布电容Cp约为100pF ，其交流阻抗Zcp = 1/（2π*f*Cp），当测量频率f=100Ｈz，Zcp约为15MΩ。

如果我们测量的是电导率为0.1μS/cm的高纯水，溶液电阻为10 MΩ，与Zcp的并联值则仅为6MΩ，由此引起的测量误差将高达40％。

为了降低分布电容对纯水电导率测量的影响，提高测量准确度，在高纯水电导率测量时，应选用电极常数为0.1或0.01的电导电极。

采用电极常数为0.01的电导电极，由于电极极片面积大，极片之间的溶液电阻比电极常数为１的电导电极降低2个数量级。如果我们测量的还是电导率为0.1μS/cm的高纯水，溶液电阻则为0.1MΩ，与Xp的并联值为0.0993 MΩ，由此引起的测量误差不到1％。

在电导率仪中，采用相敏检波电路，可以进一步降低分布电容对纯水电导率测量的影响。

在实际工作中，影响电导率测量准确度的主要是环境温度的变化。溶液的电导率随着温度升高而增加，温度每变化一度，溶液电导率相对升高或降低的值称为电导率温度系数。这个值并不是常数，而是与离子种类、离子浓度和温度有密切关系：

表１

酸溶液温度系数 1.5 %/℃- 1.7 %/℃

碱溶液温度系数 1.8 %/℃- 2.2 %/℃；

盐溶液温度系数 2.2 %/℃- 3.0 %/℃

天然水温度系数 2.0 %/℃

纯水的温度系数 2 %/℃- 9 %/℃

从表１酸碱盐溶液电导率温度系数虽然不是常数，但它们的变化范围不大，一般情况下按2％进行补偿，所引起的误差在可以接受范围。

而纯水电导率则不同，纯水的温度系数变化范围达2 %/℃- 9 %/℃（表2），不同电阻率的纯水的电导率温度系数随温度的变化关系是非线性曲线（图3），

为了减少纯水电导率温度补偿误差，纯水电导率仪经过了三个阶段：

一恒温测量，用恒温槽保持纯水温度在25℃左右，减少温度补偿误差。

二电导率仪设置温度系数调节器，人为调整温度系数，在不知道确切的温度系数值时则取一个中间值如5％，这样做所引起的补偿误差可想而知。

表2 纯水的电导率温度系数(%/℃)：

MΩ*cm 5℃15℃25℃35℃45℃

18 3.5 4.2 5.5 6.2 7.8

16 3.3 4.0 5.2 6.0 7.1

14 3.1 3.7 4.9 5.6 6.5

12 3.0 3.5 4.5 5.1 5.8

10 2.8 3.3 4.1 4.5 5.1

8 2.6 3.0 3.6 4.0 4.4

6 2.4 2.8 3.2 3.5 3.7

4 2.2 2.

5 2.8 3.0 3.0

2 2.0 2.

3 2.

4 2.

5 2.3

1 1.96 2.1 2.14 2.

2 2.2

图3

随着工业生产和高教实验、科研工作对纯水水质要求越来越高，对纯水电导率测量准确度要求越来越高，我们在第四代电化学仪表如MP500系列实验室仪表和SX700便携式测量仪中对纯水进行全自动非线性温度补偿，补偿精度达到±1％。

纯水中除了水以外，还有极微量的杂质，其中有一部分是以离子的形式存在的。因此，高纯水的电导率K应为这两部分的总和，

即: K=Kp+Ks

式中 Kp—理论纯水的电导率;

Ks—水中电解离子的电导率。

因为理论纯水和电解质的电导率受温度影响的规律不同，这样就给高纯水电导率的测量增加了复杂性。因此，寻求一种在电导率测量中准确的温度补偿，消除或降低因溶液温度变化而引起电导率测量误差的方法，便成为电导率测量中一个十分重要的问题。

一般的电导仪的温度补偿是在仪器上设置温度补偿电路，通过电导池上的热敏电阻，测量出溶液的温度，然后根据此温度按一定的比例系数或某种关系对测得的电导率进行温度补偿。采用这一种补偿方法:

κ(25)=κ(t)/[1+α(t-25)]

式中：κ(25) 换算成25℃时的电导率;

κ(t) 测定温度t ℃下的电导率;

α温度补偿系数。

纯水和超纯水电导率的温度系数不但随温度变化而且随纯水电阻率不同也不同，即纯水和超纯水电导率的温度系数是温度和电阻率的二元函数。

纯水电导率的温度补偿按下式计算：

κ25 = β（κt-κt理论值）+ 0.0548

式中：κ25 换算成25℃时的电导率

β补偿系数

κt 为温度为t℃时测得的电导率

κt理论值为温度为t℃时理论纯水的电导率

其中：β“κt理论值”是温度t 的函数

（κt-κt理论值）的数值则与纯水水质有关。

由单片机根据上述公式进行纯水电导率的温度补偿能很好的符合图4的纯水电导率温度曲线，并且当电导率大于 10 μS/cm 后，该公式的计算结果完全符合普通水质的电导率温度曲线，因此该公式适用于从天然水到理论纯水的电导率的温度补偿，是全自动的，完全不需要人为进行切换。

总之，为了准确测量纯水电导率，应当选用电极常数0.1或0.01的电导电极和具备纯水电导率温度补偿功能的电导率仪（如MP500系列实验室仪表和SX700便携式测量仪）在流动和密封的条件下进行测量。