高強(qiáng)　部德才　李雨霏

【摘 要】基于對(duì)電解質(zhì)溶液電阻率測(cè)量方法及影響因素等問(wèn)題進(jìn)行探究，研制出相比于傳統(tǒng)電阻率測(cè)量?jī)x器更易了解、學(xué)習(xí)和操作的液體電阻率智能測(cè)量?jī)x器。以交流電源作為激勵(lì)電場(chǎng)來(lái)減小極化效應(yīng)，采用銅極板內(nèi)嵌的方法以避免液體受熱不均所帶來(lái)的誤差，并且通過(guò)LabVIEW語(yǔ)言使測(cè)量結(jié)果直接顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，以不同濃度NaCl溶液為樣品測(cè)得其電阻率誤差在3%以?xún)?nèi)。

【關(guān)鍵詞】電阻率;極化效應(yīng);智能儀器

中圖分類(lèi)號(hào)： P631.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.016

0 引言

電解質(zhì)溶液的電阻率關(guān)系到其諸多性質(zhì)[1]。幫助學(xué)生更加方便、準(zhǔn)確地測(cè)量出溶液的電阻率是高校教育必不可少的教學(xué)內(nèi)容。傳統(tǒng)液體電阻率測(cè)量方法一般為恒流源法，雙極性測(cè)量法等[2]，這些方法不能很好地避免直流電源所導(dǎo)致的極化效應(yīng)以及液體受熱不均帶來(lái)的影響[3-4]，導(dǎo)致其最終的測(cè)量結(jié)果并不準(zhǔn)確。本文從極化效應(yīng)、液體導(dǎo)熱方式等傳統(tǒng)液體電阻率測(cè)量?jī)x器并未妥善處理的影響因素出發(fā)，采用交流電源法以及銅極板內(nèi)嵌等手段改進(jìn)測(cè)量方法，并通過(guò)LabVIEW語(yǔ)言設(shè)計(jì)操作程序使結(jié)果直接顯示在計(jì)算機(jī)上，測(cè)量結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以達(dá)到更易操作和學(xué)習(xí)且較為精準(zhǔn)的要求。

1 測(cè)量原理

電解質(zhì)溶液在放入電場(chǎng)時(shí)，溶液會(huì)在外加電場(chǎng)的作用下出現(xiàn)電荷，所產(chǎn)生的電荷稱(chēng)為溶液的極化電荷，而溶液的導(dǎo)電性能會(huì)因極化電荷的產(chǎn)生發(fā)生變化。研究測(cè)試極化效應(yīng)較小的低導(dǎo)電能力溶液的電阻率，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果并未達(dá)到較為準(zhǔn)確的要求。嘗試使用交流電源加入測(cè)量?jī)x器中時(shí)，發(fā)現(xiàn)其誤差大幅度減小，由此判斷出電解質(zhì)溶液的極化效應(yīng)會(huì)因激勵(lì)電流由恒流電變?yōu)榻涣麟姸蠓葴p小。

測(cè)量原理如圖1所示。為了更好地減小極化效應(yīng)的影響，采用交流電源作為激勵(lì)電源，并且為了使溶液導(dǎo)熱更為均勻，設(shè)計(jì)機(jī)械裝置將銅極板內(nèi)嵌使溶液以體積為單位進(jìn)行測(cè)量，很好地解決了溶液溫度傳導(dǎo)慢的缺點(diǎn)。

根據(jù)歐姆定律，在測(cè)量環(huán)境一定的情況下，溶液的電阻R的大小與電極的垂直截面積S成反比關(guān)系[5]。在此測(cè)量方法中，液體電阻率與內(nèi)嵌銅極板之間的距離成反比，與銅極板之間的被測(cè)液體的垂直截面積成正比，由于銅極板距離以及被測(cè)溶液的垂直截面積可為常數(shù)，故稱(chēng)其比值為極板常數(shù)。考慮到溶液電阻過(guò)小易導(dǎo)致交流電源短路，選擇在回路中串聯(lián)一個(gè)阻值為1kΩ的電阻。結(jié)合傳統(tǒng)液體電阻率測(cè)量方法的思路，將電流表與電壓表分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路之中，在減小極化效應(yīng)的基礎(chǔ)上，采用交流電源作為電路中的激勵(lì)電源，以?xún)?nèi)嵌銅極板與外加電子卡尺為機(jī)械結(jié)構(gòu)避免液體導(dǎo)熱不均勻?qū)y(cè)量結(jié)果的影響，電阻率測(cè)量公式為：

2 儀器機(jī)械設(shè)計(jì)及智能化測(cè)量

2.1 測(cè)量?jī)x機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)液體電阻率測(cè)量方法中還有諸多被忽略的影響因素使得測(cè)量結(jié)果不夠精準(zhǔn)，例如液體受熱不均勻，當(dāng)探究不同溫度溶液的電阻率變化特點(diǎn)時(shí)，溶液導(dǎo)熱是否均勻是影響到最終結(jié)果的一個(gè)重要因素。因此，為了使液體電阻率測(cè)量更加準(zhǔn)確，此方案在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，如圖2采用1cm絲杠作為銅極板的導(dǎo)軌，并配以電子卡尺以方便進(jìn)行不同體積溶液多次測(cè)量求其平均值。另外此方案運(yùn)用的銅極板內(nèi)嵌的方法可使被測(cè)體積為內(nèi)加水浴，從而避免液體導(dǎo)熱不均勻的影響;外加電子卡尺使被測(cè)液體的體積測(cè)量更加準(zhǔn)確，使電阻率測(cè)量結(jié)果更加接近標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 智能化測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)液體電阻率測(cè)量?jī)x器使用的是儀表顯示，記錄數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果等一系列步驟都需要長(zhǎng)時(shí)間記數(shù)以及數(shù)據(jù)處理。并且由于人為參與過(guò)多，加上儀器的頻繁改動(dòng)，造成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性降低。對(duì)儀器傳感器數(shù)據(jù)的直接獲取并且上傳到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)自行編制的操作程序，可大大降低實(shí)驗(yàn)成本，更有助于對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的了解。

利用NI USB-6216 M系列多功能數(shù)據(jù)采集器的強(qiáng)大功能，將數(shù)據(jù)采集器與測(cè)量裝置結(jié)合，輸出的電壓和電流信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器直接上傳到計(jì)算機(jī)中，可以解決傳統(tǒng)液體電阻率測(cè)量?jī)x器不能自動(dòng)采集和處理數(shù)據(jù)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的智能化。通過(guò)對(duì)NI USB-6216 M系列多功能數(shù)據(jù)采集器的開(kāi)發(fā)，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上擴(kuò)展多種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集以及計(jì)算機(jī)界面的設(shè)計(jì)。利用LabVIEW良好的人機(jī)交互功能，設(shè)計(jì)出如圖3的計(jì)算機(jī)程序，使液體電阻率測(cè)量?jī)x器的使用更加方便快捷。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

選擇NaCl溶液作為測(cè)試樣本計(jì)算液體電阻率測(cè)量?jī)x器的誤差，分別配置不同濃度NaCl溶液測(cè)量其溶液電阻率。將被測(cè)溶液中的電壓、電流分別測(cè)量三次取平均值，以19.9℃環(huán)境下1.5%的NaCl溶液為例，測(cè)量結(jié)果如表1所示。在極板常數(shù)為37.141m-1的情況下計(jì)算得溶液電阻率為0.462Ω·m，查閱國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表并計(jì)算得知其標(biāo)準(zhǔn)值為0.451Ω·m，計(jì)算而得誤差為2.4%。

采用溫度傳感器DS18B20置入溶液中以更加準(zhǔn)確的測(cè)量溶液溫度，分別在18.0℃、19.9℃和22.0℃的溫度狀態(tài)下測(cè)得不同數(shù)據(jù)，對(duì)比其標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在3%以?xún)?nèi)，符合此儀器應(yīng)用環(huán)境的誤差要求。

雖然此儀器所測(cè)量出的溶液電阻率與國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值具有一定的誤差，但是在通用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，測(cè)量結(jié)果符合液體電阻率測(cè)量?jī)x器的測(cè)量性能要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王金柱.基于單片機(jī)的電力用油體積電阻率檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（22）：47-48.

[2]姬忠勇.水質(zhì)電導(dǎo)率的測(cè)量原理分析及方法介紹[J].科技信息，2013（10）：347.

[3]陳麗梅，程敏熙，肖曉芳，黃佐華.鹽溶液電導(dǎo)率與濃度和溫度的關(guān)系測(cè)量[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（05）：39-42.

[4]金虎杰，韓德萬(wàn)，王成貴.液體電阻率與溫度和濃度之間關(guān)系的測(cè)量[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（01）：72-75.

[5]李舒晨.液體電導(dǎo)率電阻率直讀測(cè)量裝置[J].物理實(shí)驗(yàn)，2000（08）：21-23.