電導(dǎo)率傳感器的微型化改進(jìn)及其實驗

姚翔

摘要：對威尼爾電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行微型化實驗改造，彌補(bǔ)電導(dǎo)率傳感器無法測定高溫下電導(dǎo)率及其他缺陷。在高中化學(xué)中引入此方法可以擴(kuò)大電導(dǎo)率實驗的范圍及內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?、?chuàng)造力，提高學(xué)生的信息技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù);實驗改進(jìn);導(dǎo)電性;實驗探究

文章編號：1008-0546（2020）03-0092-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.026

一、問題提出

導(dǎo)電率，物理學(xué)概念，也可以稱為電導(dǎo)率。在介質(zhì)中該量與電場強(qiáng)度E之積等于傳導(dǎo)電流密度J。對于各向同性介質(zhì)，電導(dǎo)率是標(biāo)量;對于各向異性介質(zhì)，電導(dǎo)率是張量。生態(tài)學(xué)中，電導(dǎo)率是以數(shù)字表示的溶液傳導(dǎo)電流的能力。單位以西門子每米（ S/m）表示。在化學(xué)上，電導(dǎo)率?？捎糜谶M(jìn)行強(qiáng)弱電解質(zhì)、強(qiáng)酸弱酸等的判別。以前常將導(dǎo)線兩端伸人溶液中形成閉合回路，通過觀察回路中小燈的明亮程度判斷溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)弱。在傳感器技術(shù)日趨成熟的今天，我們可以使用電導(dǎo)率傳感器將強(qiáng)弱電解質(zhì)以更簡潔明了的方式呈現(xiàn)給學(xué)生。但現(xiàn)今的電導(dǎo)率傳感器仍有不少使用條件，如需要使用的液體量較大等，導(dǎo)致該傳感器實際的課堂使用率依舊不高。

二、改進(jìn)方法

1.電導(dǎo)率傳感器的介紹及工作原理…

電導(dǎo)率傳感器（型號：CON-BTA或CON-DIN）是測量溶液中電荷流動難易程度的傳感器，量程分為低、中、高三個等級，分別為0-200μS/cm、0-2000μS/cm、0-20000μS/cm，精度為±1%，常用于強(qiáng)酸和弱酸的區(qū)別、利用由離子的生成或消耗導(dǎo)致的電導(dǎo)率的變化來監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)速率、電解質(zhì)溶液與非電解質(zhì)溶液的區(qū)別、驗證水溶液中的電導(dǎo)率和離子濃度之間的關(guān)系等。

電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率指相距1m，面積為1m2的兩個平行電極之間充滿電解質(zhì)溶液時的電導(dǎo)。電導(dǎo)率傳感器通過測量電極之間的電壓來測量溶液的導(dǎo)電的能力。在溶液中，因離子的移動而導(dǎo)電，所以，溶液離子濃度越高，導(dǎo)電能力越大。

圖1為威尼爾電導(dǎo)率傳感器的內(nèi)部芯片構(gòu)造圖。

2.改進(jìn)背景

威尼爾的電導(dǎo)率傳感器本身作為一款筆式傳感器，較為便捷。但筆者在使用過程中發(fā)現(xiàn)該傳感器在使用時需要的溶液量較大，如果需要在課堂中測定多種不同溶液的電解質(zhì)時，先期準(zhǔn)備及重復(fù)清洗花費(fèi)時間較長。且由于為塑料筆式探頭的設(shè)計，導(dǎo)致該傳感器無法測定高溫下液體的電導(dǎo)率。在經(jīng)過一段時間的思索和對電導(dǎo)率傳感器原理的探析，筆者在其芯片和筆頭傳感器的連接導(dǎo)線處，用導(dǎo)線的一端焊在芯片上，做出一個并聯(lián)電路，如圖2所示。經(jīng)此改動后，極大地擴(kuò)充了使用該儀器進(jìn)行電導(dǎo)率實驗的范圍和內(nèi)容。

3.熱電偶傳感器的介紹及工作原理

熱電偶溫度傳感器（TCA-BTA）是一個用來測量高溫的傳感器，量程為-200-1400℃，在O℃時其精度為±2.2℃，在1400℃時其精度為+15℃。常用于進(jìn)行以下實驗：研究火焰不同位置的溫度、實驗室測定銅等固體的熔點、測量干冰或液態(tài)空氣的溫度等。

熱電偶溫度傳感器是將不同材質(zhì)的兩根金屬絲的末端連接在一起構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點處的溫度不同時，兩個金屬絲構(gòu)成的閉合回路中將產(chǎn)生一個電動勢（塞貝克電壓），該電動勢的方向和大小與金屬絲的材料及兩個結(jié)點的溫度有關(guān)。因此，熱電偶溫度傳感器的原理是通過數(shù)據(jù)采集器記錄兩根金屬絲構(gòu)成的閉合回路的電動勢，再通過函數(shù)關(guān)系將電動勢轉(zhuǎn)換成溫度，也就是末端連結(jié)點的溫度。

三、相關(guān)實驗改進(jìn)

1.判斷固體硝酸鉀，蔗糖的電導(dǎo)率

（1）實驗儀器及試劑

實驗儀器（如圖3所示）：

電導(dǎo)率傳感器（經(jīng)改造），高溫溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器（均為Vernier公司產(chǎn)），筆記本電腦，30mm口徑試管，橡皮塞，酒精燈，導(dǎo)線

實驗試劑：硝酸鉀（分析純），蔗糖（分析純）

（2）實驗步驟

①按照圖3連接好裝置，在試管中加入硝酸鉀固體，設(shè)置好采集頻率、采集時間。

②點燃酒精燈后，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

③一段時間后，移開酒精燈（移開酒精燈的時間點即為圖4中溫度的折返點）。

④待溫度下降，硝酸鉀重新凝固后，結(jié)束采集。

⑤將硝酸鉀換成蔗糖，重復(fù)上述實驗。

（3）實驗數(shù)據(jù)圖

圖4表明，對于硝酸鉀，在超過4000C時即開始迅速轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，此時硝酸鉀由于已經(jīng)處于熔融狀態(tài)，產(chǎn)生了能自由移動的離子，使其電導(dǎo)率迅速上升;離子化合物在完全熔融后繼續(xù)加熱，液體的電導(dǎo)率變化不大;溫度降低后，熔融硝酸鉀冷凝，陰陽離子重新結(jié)合為牢固的離子晶體化合物，電導(dǎo)率驟降。

圖5表明，蔗糖屬于分子晶體，在固態(tài)及熔融狀態(tài)下均無自由移動的離子，因此熔融時亦無導(dǎo)電性。

（4）實驗優(yōu)點及不足

將該實驗使用傳感器進(jìn)行演示后，可以更直觀觀測到電導(dǎo)率的變化情況，并可讓學(xué)生對熔融狀態(tài)下有自由移動的離子后才能導(dǎo)電有了更明顯的認(rèn)識。此實驗復(fù)現(xiàn)性高，效果明顯。實驗中若使用更小的試管（14mm口徑）進(jìn)行實驗則可大大加快實驗速度。

2.液體的導(dǎo)電性探究

（1）實驗儀器及試劑

實驗儀器（如圖6所示）：

電導(dǎo)率傳感器（經(jīng)改造），數(shù)據(jù)采集器，威尼爾滴數(shù)傳感器配套滴液器（均為Vernier公司產(chǎn)），筆記本電腦，自制雙股套管銅絲（部分裸露）

實驗試劑：O.lmol/L醋酸溶液，O.lmol/L鹽酸，O.lmol/L氫氧化鈉溶液，O.lmol/L氨水，蔗糖溶液，酒精（均為60mL滴瓶）。

（2）實驗步驟

①按照圖6連接好裝置，在滴液器中加入蒸餾水，調(diào)整好滴速（觀察到液體自銅絲彎口裸露處滴下），設(shè)置好軟件采集頻率、采集時間。

②打開滴液器開關(guān)，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

③在裸露銅絲處滴人一滴待測液，觀察屏幕電導(dǎo)率的變化。

④待軟件上電導(dǎo)率復(fù)位后，用其他待測液重復(fù)進(jìn)行實驗。

（3）實驗數(shù)據(jù)圖

（4）實驗裝置優(yōu)劣及進(jìn)一步改進(jìn)

該實驗在進(jìn)行如下改進(jìn)后，利用水的張力使待測液停留在裸露銅絲處，在裸露銅絲處滴加待測液能看到電導(dǎo)率有明顯的突躍，之后由于滴液管中水流的作用，電解質(zhì)溶液隨之滴下，電導(dǎo)率趨于緩和，整個過程10秒鐘左右。具有簡單快速的優(yōu)點，圖中6個實驗樣品在1分鐘內(nèi)就可以檢驗完畢，并且可以讓學(xué)生直觀地感受到強(qiáng)弱電解質(zhì)導(dǎo)電性之間的區(qū)別，而該實驗在前期準(zhǔn)備上較為繁瑣，裝置體量也較大，因此可以更近一步進(jìn)行微型化改進(jìn)：

改進(jìn)后將流水沖洗接液處改為手動用蒸餾水沖洗，使實驗裝置更顯簡潔，用該套裝置完成的電導(dǎo)率測試圖如下所示（實驗步驟大體如之前所示）：

對裝置進(jìn)行改進(jìn)后操作量相對大了些導(dǎo)致進(jìn)行實驗所需時間有點加長，但仍在可接受范圍內(nèi)，圖像上亦可較為直觀地感受到不同溶液的導(dǎo)電率情況。

四、實驗注意事項

通過改進(jìn)，實驗裝置（圖2）可以測定許多其他熔融化合物的導(dǎo)電率，方法簡單易行，效果明顯，在實驗過程中應(yīng)該注意如下問題：

（1）選用化合物時應(yīng)選用不易在熔融狀態(tài)下易分解的物質(zhì)，如銨鹽、有機(jī)酸鹽以及非活性的金屬氧化物。

（2）酒精燈燃燒溫度為500℃，如果選用氯化鈉等熔點超過500℃的物質(zhì)需酒精噴燈或丁烷燈。

（3）本實驗裝置不需要?dú)饷苄詸z驗，且不可塞緊橡皮塞否則有可能導(dǎo)致試管內(nèi)部氣壓過大引起危險。

五、總結(jié)

威尼爾的電導(dǎo)率傳感器是一款十分好用的儀器，進(jìn)行此番改進(jìn)以后，可以做許多與電導(dǎo)率有關(guān)的實驗，筆者在此僅提供一個簡單例子。在此，歡迎大家集思廣益，創(chuàng)造出更多微型化、便攜化的導(dǎo)電率實驗裝置。

參考文獻(xiàn)

[1]馬宏佳.化學(xué)數(shù)字化實驗的理論與實踐[M].北京：人民教育出版社，2016：119-120，124-125