液體電阻率的智能化測量

高強　部德才　李雨霏

【摘 要】基于對電解質溶液電阻率測量方法及影響因素等問題進行探究，研制出相比于傳統(tǒng)電阻率測量儀器更易了解、學習和操作的液體電阻率智能測量儀器。以交流電源作為激勵電場來減小極化效應，采用銅極板內(nèi)嵌的方法以避免液體受熱不均所帶來的誤差，并且通過LabVIEW語言使測量結果直接顯示在計算機屏幕上，以不同濃度NaCl溶液為樣品測得其電阻率誤差在3%以內(nèi)。

【關鍵詞】電阻率;極化效應;智能儀器

中圖分類號： P631.3文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）33-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.016

0 引言

電解質溶液的電阻率關系到其諸多性質[1]。幫助學生更加方便、準確地測量出溶液的電阻率是高校教育必不可少的教學內(nèi)容。傳統(tǒng)液體電阻率測量方法一般為恒流源法，雙極性測量法等[2]，這些方法不能很好地避免直流電源所導致的極化效應以及液體受熱不均帶來的影響[3-4]，導致其最終的測量結果并不準確。本文從極化效應、液體導熱方式等傳統(tǒng)液體電阻率測量儀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)嵌等手段改進測量方法，并通過LabVIEW語言設計操作程序使結果直接顯示在計算機上，測量結果與國家標準數(shù)據(jù)對比，以達到更易操作和學習且較為精準的要求。

1 測量原理

電解質溶液在放入電場時，溶液會在外加電場的作用下出現(xiàn)電荷，所產(chǎn)生的電荷稱為溶液的極化電荷，而溶液的導電性能會因極化電荷的產(chǎn)生發(fā)生變化。研究測試極化效應較小的低導電能力溶液的電阻率，發(fā)現(xiàn)其結果并未達到較為準確的要求。嘗試使用交流電源加入測量儀器中時，發(fā)現(xiàn)其誤差大幅度減小，由此判斷出電解質溶液的極化效應會因激勵電流由恒流電變?yōu)榻涣麟姸蠓葴p小。

測量原理如圖1所示。為了更好地減小極化效應的影響，采用交流電源作為激勵電源，并且為了使溶液導熱更為均勻，設計機械裝置將銅極板內(nèi)嵌使溶液以體積為單位進行測量，很好地解決了溶液溫度傳導慢的缺點。

根據(jù)歐姆定律，在測量環(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成反比關系[5]。在此測量方法中，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液體的垂直截面積成正比，由于銅極板距離以及被測溶液的垂直截面積可為常數(shù)，故稱其比值為極板常數(shù)。考慮到溶液電阻過小易導致交流電源短路，選擇在回路中串聯(lián)一個阻值為1kΩ的電阻。結合傳統(tǒng)液體電阻率測量方法的思路，將電流表與電壓表分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路之中，在減小極化效應的基礎上，采用交流電源作為電路中的激勵電源，以內(nèi)嵌銅極板與外加電子卡尺為機械結構避免液體導熱不均勻對測量結果的影響，電阻率測量公式為：

2 儀器機械設計及智能化測量

2.1 測量儀機械裝置的設計

傳統(tǒng)液體電阻率測量方法中還有諸多被忽略的影響因素使得測量結果不夠精準，例如液體受熱不均勻，當探究不同溫度溶液的電阻率變化特點時，溶液導熱是否均勻是影響到最終結果的一個重要因素。因此，為了使液體電阻率測量更加準確，此方案在機械設計時，如圖2采用1cm絲杠作為銅極板的導軌，并配以電子卡尺以方便進行不同體積溶液多次測量求其平均值。另外此方案運用的銅極板內(nèi)嵌的方法可使被測體積為內(nèi)加水浴，從而避免液體導熱不均勻的影響;外加電子卡尺使被測液體的體積測量更加準確，使電阻率測量結果更加接近標準值。

2.2 智能化測量的實現(xiàn)

傳統(tǒng)液體電阻率測量儀器使用的是儀表顯示，記錄數(shù)據(jù)、計算結果等一系列步驟都需要長時間記數(shù)以及數(shù)據(jù)處理。并且由于人為參與過多，加上儀器的頻繁改動，造成實驗準確性降低。對儀器傳感器數(shù)據(jù)的直接獲取并且上傳到計算機中，通過自行編制的操作程序，可大大降低實驗成本，更有助于對實驗本質的了解。

利用NI USB-6216 M系列多功能數(shù)據(jù)采集器的強大功能，將數(shù)據(jù)采集器與測量裝置結合，輸出的電壓和電流信號通過數(shù)據(jù)采集器直接上傳到計算機中，可以解決傳統(tǒng)液體電阻率測量儀器不能自動采集和處理數(shù)據(jù)的問題，實現(xiàn)測量過程的智能化。通過對NI USB-6216 M系列多功能數(shù)據(jù)采集器的開發(fā)，在現(xiàn)有的基礎上擴展多種實驗數(shù)據(jù)的采集以及計算機界面的設計。利用LabVIEW良好的人機交互功能，設計出如圖3的計算機程序，使液體電阻率測量儀器的使用更加方便快捷。

3 實驗數(shù)據(jù)處理

選擇NaCl溶液作為測試樣本計算液體電阻率測量儀器的誤差，分別配置不同濃度NaCl溶液測量其溶液電阻率。將被測溶液中的電壓、電流分別測量三次取平均值，以19.9℃環(huán)境下1.5%的NaCl溶液為例，測量結果如表1所示。在極板常數(shù)為37.141m-1的情況下計算得溶液電阻率為0.462Ω·m，查閱國家機械行業(yè)標準表并計算得知其標準值為0.451Ω·m，計算而得誤差為2.4%。

采用溫度傳感器DS18B20置入溶液中以更加準確的測量溶液溫度，分別在18.0℃、19.9℃和22.0℃的溫度狀態(tài)下測得不同數(shù)據(jù)，對比其標準值如表2所示，測量結果與標準值的誤差在3%以內(nèi)，符合此儀器應用環(huán)境的誤差要求。

雖然此儀器所測量出的溶液電阻率與國家機械行業(yè)標準值具有一定的誤差，但是在通用的實驗環(huán)境下，測量結果符合液體電阻率測量儀器的測量性能要求。

【參考文獻】

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

[2]姬忠勇.水質電導率的測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.鹽溶液電導率與濃度和溫度的關系測量[J].實驗室研究與探索，2010，29（05）：39-42.

[4]金虎杰，韓德萬，王成貴.液體電阻率與溫度和濃度之間關系的測量[J].延邊大學學報（自然科學版），2003（01）：72-75.

[5]李舒晨.液體電導率電阻率直讀測量裝置[J].物理實驗，2000（08）：21-23.