科技信息 水质电导率ｎａｉｍｌ量原理分析及方法介绍 济宁技师学院就业科 姬忠勇 ［摘要］电解质电导率是电解质溶液的一个基本物理量。它是电化学分析的重要参数，也是衡量水质的一个重要指标。电导率测 量广泛应用于环保、食品、医药、化工、物理、电子、电力工程等诸多领域。随着国民经济和科学技术的不断发展，人们对水质的好坏 提出了越来越高的要求。 ［关键词］电导率 测量原理 分析方法 ０．研究背景 水是人们日常生活生产中接触最密切的物体之一，近年来，随着科 学技术的飞速发展，人们对饮用水、蒸馏水、生物水、工业水等需求量的 急剧增加，越来越多的产品和技术需要对介质的导电性能给出准确的 分析和评价，并且在准确度等方面也提出了更高的要求。水电解质电 导率是电解质溶液导电性能的一个基本物理量。电导率的测量广泛应 容。双电层电容与溶液电阻串联，在低阻溶液测量时，其容抗与溶液电 阻相当，分压作用明显。电解质电容与溶液电阻相并联，高阻溶液时与 溶液电阻相当，分流严重。电极引线分布电容可以并入电解质电容，一 起考虑，一般电解质电容远小于电极引线分布电容。 （３）温度的影响。影响溶液电导率变化最大的外在因素是温度，温 度直接影响溶液中电解质的电离度、溶解度、离子迁移速度、溶液的粘 用于环境监测、工业流程控制、医药卫生、科学研究和产品质量检验过 程，电解质电导率计量对于工、农业生产、科学研究和国防各部门都有 重要价值。 １．电导率测量的主流方法 电导率测量的方法众多，但一部分方法实现比较困难。这里着重 介绍电导率测量的主流方法，即较容易实现的方法。按电导率测量的 原理可以大致分为四种形式： １）平衡电桥测量原理法：它是将电导池作为惠斯登电桥的一个桥 臂，通过调整另一只桥臂可变电阻使电桥达到平衡，从而计算出电导池 的电导率。 ２）直接电阻分压原理法：它是通过测量与电导池串连的分压电阻 上的分压，并且分压电阻分档可调，后接放大、检波（整流）和滤波电路， 这是一种相当成熟且应用广泛的测量方法。 ３）利用运放Ｉ／Ｖ变换原理法：将电导池直接与运放的反相输入端相 连，通过反馈电阻在运放的输出端就可得到与输入电流成正比的电压 信号。 ４）变频法：它是将电导率转换成与之成正比的频率信号，可以用电 阻一频率变换电路；或采用时基电路与电导电极传感器构成多谐振荡电 路将电导率转化为频率信号，电极作为振荡电路的一部分。这种方法 提供了高精度远距离的传输方式，且结构简单，成本低，易做成便携式 电导率仪。 ２．水的电导率 ２．１水的电导和电导率 ２．１．１有关于电导的基本知识 物质按照其在电场作用下导电与否可分为导体、半导体和绝缘 体。导体又可按导电方式分为两大类。第一类导体依靠自由电子在电 场作用下作定向运动而导电，故称之为电子型导体；第二类导体则依靠 离子的定向移动而导电，故称之为离子型导体。在工程技术上，通常用 电阻来衡量第一类导体的导电能力，用电导来衡量第二类导体的导电 能力。本文主要研究第二类导体的测量技术，常见的离子型导体为各 种电解质溶液。 当电流通过任何一种导体时，都会受到阻力的作用。对于第二类 导体，我们用电导和电导率来表示这个阻力的大小。原因在于：电子型 导体的电阻温度系数一般是正的，而离子型导体的电阻温度系数一般 是负的。当采用电阻的倒数即电导来表示离子型导体的导电能力时， 电导的温度系数也是正的，给实际应用带来很多方便。 ２．１．２电导率的表示方法 导体的电阻可表示为： 尺 ＪＤ ‘２—１） 式中 为导体的有效长度；Ａ为导体的截面积；Ｊ０为电阻率；Ｒ为电 阻。 式（２－１）不仅适用于金属导体，对于溶液在交变电场下也是同样适 用的。因为电导是电阻的倒数，所以电导可以定义为： Ｇ＝去＝（ＩＤ丢）一＝ （２－２） 式中Ｇ为电导，单位为西门子（ｓ）；Ａ为导体的有效横截面积； 为 电导率。 电导率 是电解质溶液导电能力的重要标志。由于电导率 是电 阻率ＪＤ的倒数，由式（２－２）可知电导率： ： ＝去去＝去 （２－３） 式中 为电导率，单位为Ｓ／ｍ；口称为电导池常数即电极常数。 由此可以看出通过测量溶液电阻就可以得出溶液的电导率。 ２．２影响电导率的因素 （１）极化效应（包括化学极化和浓差极化）。电解过程中，电极两端 加直流电时极化严重，溶液电阻有增大趋势，误差很大。因此不能采用 直流电源，而是采用交流电源。一般的说，施加交流电源时电极极化现 象比较轻微。但在测量高浓度溶液时，电极电流密度过大或电源电压 有直流分量等情况下，仍有明显的极化现象产生。 （２）电容效应。其源于双电层电容、电解质电容和电极引线分布电 度、膨胀度等，从而对电导率有直接的影响。在被测对象不变的情况 下，为统～和比较水质，公认２５℃为电导率的标准温度。当水温不为 ２５℃时，就要进行温度补偿，折换成２５℃时的电导率。由于溶液的电导 率是随着溶液的温度呈非线性变化，而且电导率的温度系数又随电导 率呈非线性变化，不同纯度的水在不同温度下具有不同的温度系数。 ２＿３常见的水电导率的测量方法介绍 目前对电导率的测量通常采用电极电导率测量法、电磁电导率测 量法和超声波电导率测量法等，但后两种方法因受测量机理所限，仅局 限于高电导率溶液的测量，对于高纯水溶液的测量普遍采用电极电导 测量法。电极电导测量的方法主要有电桥法、分压法、运放法、脉冲法、 频率法、相敏检波等。这些方法对于解决电导率测量中的极化效应、电 容效应各有特点，本节将介绍这些方法的工作原理，并对它们进行比较 和总结。 ２－３．１电桥测量法 电桥是测量电阻的一种最基本的也是精度较高的一种方法。根据 读取测量结果时桥路所处的状态不同，又分为平衡电桥测量法和不平 衡电桥测量法。 被测电阻Ｒ 作为电桥的一个桥臂，Ｒ．，Ｒ 及Ｒ坝０分别是电桥的其它 三个桥臂。当电桥处于平衡状态时，检流计指示为零。当Ｒ 发生变化 时，电桥失去平衡，检流计就会有电流流过，指示不为零。此时，改变Ｒ 和Ｒ 的比值，使电桥恢复平衡。从电桥的平衡关系可以得到： 鲁Ｒ （２－４） 因为Ｒ。是固定的，由Ｒ，，Ｒ 的比值，可以由式（２—４）确定被测电阻 Ｒ 。平衡电桥测量法的特点是对电源要求不高，测量结果比较精确。 ２－３－２分压法 把振荡器产生的一个交流电压源Ｅ，送到电导池Ｒ与量程电阻（分 压电阻）Ｒ 的串联回路里，电导池里的溶液电导愈大，Ｒ。愈小，Ｒ，获得的 电压Ｕ。也就越大。将ｕ。送至交流放大器放大，再经过讯号整流，以获 得推动表头的直流讯号输出，表头直读电导率。分压电阻Ｒ．上的电压 降可以表示为： ＝ Ｅ（２－５） ２＿３．３运放法 电导率的测量过程中，两电极间加上恒定振幅电压信号，电极上流 经一定的电流Ｉ ，电流大小取决于溶液中所含离子的数量，被测介质的 电导率与运算放大器的输出电压Ｖ 成正比。运放式电导率测量电路在 量程范围内线性度较好，输出信号的幅值与被测电导成正比： Ｖｏ＝－ Ｅ＝ ＥＧ（２－６） 上式是理想情况下得到的结果，具体设计电路时要选择合适的运 算放大器，考虑运算放大器的开环增益、输入阻抗和通带带宽等因素。 由于采用交流激励，还应注意引线电容等造成的阻抗变化。 ２－３．４频率法 频率法的设计思路是将溶液电导作为振荡电路的一部分，振荡电 路所产生的振荡信号频率随着溶液的电导率变化而变化，从而通过测 量振荡信号的频率确定被测溶液的电导值。 该方法直接把溶液电导转换为振荡信号的频率，输出信号容易实 现远传或光电隔离，可以实现较高的分辨率。但是本质上，这种方法仍 把溶液视为具有理想的纯电阻特性，而没有考虑双电层电容的影响，所 以仍有原理性误差的存在。 参考文献 ［１］于洋，许会，白静杰．电导变送器的研究与应用仪表技术与传感 器，２０００，（６） 【２］王二福．温度对超纯水电导率测量的影响及其对策．华北电力技 术，１９９４，（５） ［３］吴永昌．电导率测量中温度的影响及补偿方法分析仪器，１９９０，（３） ［４］方初良电导式分析仪表．北京：水利电力出版社，１９８４ ［５］傅卫卫．工业水处理过程中电导率测量方法的研究．浙江大学学 报，１９９９，３３（２） ３４７・－－——