高強　部德才　李雨霏

【摘 要】基于對電解質(zhì)溶液電阻率測量方法及影響因素等問題進(jìn)行探究，研制出相比于傳統(tǒng)電阻率測量儀器更易了解、學(xué)習(xí)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(yīng)，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(jié)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(guān)鍵詞】電阻率;極化效應(yīng);智能儀器

中圖分類號： P631.3文獻(xiàn)標(biāo)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(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(dǎo)致的極化效應(yīng)以及液體受熱不均帶來的影響[3-4]，導(dǎo)致其最終的測量結(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(jìn)測量方法，并通過LabVIEW語言設(shè)計操作程序使結(jié)果直接顯示在計算機上，測量結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比，以達(dá)到更易操作和學(xué)習(xí)且較為精準(zhǔn)的要求。

1 測量原理

電解質(zhì)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(dǎo)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(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(zhì)溶液的極化效應(yīng)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(yīng)的影響，采用交流電源作為激勵電源，并且為了使溶液導(dǎo)熱更為均勻，設(shè)計機械裝置將銅極板內(nèi)嵌使溶液以體積為單位進(jìn)行測量，很好地解決了溶液溫度傳導(dǎo)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(guān)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)?？紤]到溶液電阻過小易導(dǎo)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(jié)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(yīng)的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)避免液體導(dǎo)熱不均勻?qū)y量結(jié)果的影響，電阻率測量公式為：

2 儀器機械設(shè)計及智能化測量

2.1 測量儀機械裝置的設(shè)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(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時，溶液導(dǎo)熱是否均勻是影響到最終結(jié)果的一個重要因素。因此，為了使液體電阻率測量更加準(zhǔn)確，此方案在機械設(shè)計時，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(dǎo)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(zhǔn)確，使電阻率測量結(jié)果更加接近標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(zhǔn)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(zhì)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(jié)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(chǔ)上擴展多種實驗數(shù)據(jù)的采集以及計算機界面的設(shè)計。利用LabVIEW良好的人機交互功能，設(shè)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)表并計算得知其標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值如表2所示，測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在3%以內(nèi)，符合此儀器應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值具有一定的誤差，但是在通用的實驗環(huán)境下，測量結(jié)果符合液體電阻率測量儀器的測量性能要求。

【參考文獻(xiàn)】

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