液体电阻率的智能化测量

高强　部德才　李雨霏

【摘 要】基于对电解质溶液电阻率测量方法及影响因素等问题进行探究，研制出相比于传统电阻率测量仪器更易了解、学习和操作的液体电阻率智能测量仪器。以交流电源作为激励电场来减小极化效应，采用铜极板内嵌的方法以避免液体受热不均所带来的误差，并且通过LabVIEW语言使测量结果直接显示在计算机屏幕上，以不同浓度NaCl溶液为样品测得其电阻率误差在3%以内。

【关键词】电阻率;极化效应;智能仪器

中图分类号： P631.3文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）33-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.016

0 引言

电解质溶液的电阻率关系到其诸多性质[1]。帮助学生更加方便、准确地测量出溶液的电阻率是高校教育必不可少的教学内容。传统液体电阻率测量方法一般为恒流源法，双极性测量法等[2]，这些方法不能很好地避免直流电源所导致的极化效应以及液體受热不均带来的影响[3-4]，导致其最终的测量结果并不准确。本文从极化效应、液体导热方式等传统液体电阻率测量仪器并未妥善处理的影响因素出发，采用交流电源法以及铜极板内嵌等手段改进测量方法，并通过LabVIEW语言设计操作程序使结果直接显示在计算机上，测量结果与国家标准数据对比，以达到更易操作和学习且较为精准的要求。

1 测量原理

电解质溶液在放入电场时，溶液会在外加电场的作用下出现电荷，所产生的电荷称为溶液的极化电荷，而溶液的导电性能会因极化电荷的产生发生变化。研究测试极化效应较小的低导电能力溶液的电阻率，发现其结果并未达到较为准确的要求。尝试使用交流电源加入测量仪器中时，发现其误差大幅度减小，由此判断出电解质溶液的极化效应会因激励电流由恒流电变为交流电而大幅度减小。

测量原理如图1所示。为了更好地减小极化效应的影响，采用交流电源作为激励电源，并且为了使溶液导热更为均匀，设计机械装置将铜极板内嵌使溶液以体积为单位进行测量，很好地解决了溶液温度传导慢的缺点。

根据欧姆定律，在测量环境一定的情况下，溶液的电阻R的大小与电极的垂直截面积S成反比关系[5]。在此测量方法中，液体电阻率与内嵌铜极板之间的距离成反比，与铜极板之间的被测液体的垂直截面积成正比，由于铜极板距离以及被测溶液的垂直截面积可为常数，故称其比值为极板常数。考虑到溶液电阻过小易导致交流电源短路，选择在回路中串联一个阻值为1kΩ的电阻。结合传统液体电阻率测量方法的思路，将电流表与电压表分别串联和并联在电路之中，在减小极化效应的基础上，采用交流电源作为电路中的激励电源，以内嵌铜极板与外加电子卡尺为机械结构避免液体导热不均匀对测量结果的影响，电阻率测量公式为：

2 仪器机械设计及智能化测量

2.1 测量仪机械装置的设计

传统液体电阻率测量方法中还有诸多被忽略的影响因素使得测量结果不够精准，例如液体受热不均匀，当探究不同温度溶液的电阻率变化特点时，溶液导热是否均匀是影响到最终结果的一个重要因素。因此，为了使液体电阻率测量更加准确，此方案在机械设计时，如图2采用1cm丝杠作为铜极板的导轨，并配以电子卡尺以方便进行不同体积溶液多次测量求其平均值。另外此方案运用的铜极板内嵌的方法可使被测体积为内加水浴，从而避免液体导热不均匀的影响;外加电子卡尺使被测液体的体积测量更加准确，使电阻率测量结果更加接近标准值。

2.2 智能化测量的实现

传统液体电阻率测量仪器使用的是仪表显示，记录数据、计算结果等一系列步骤都需要长时间记数以及数据处理。并且由于人为参与过多，加上仪器的频繁改动，造成实验准确性降低。对仪器传感器数据的直接获取并且上传到计算机中，通过自行编制的操作程序，可大大降低实验成本，更有助于对实验本质的了解。

利用NI USB-6216 M系列多功能数据采集器的强大功能，将数据采集器与测量装置结合，输出的电压和电流信号通过数据采集器直接上传到计算机中，可以解决传统液体电阻率测量仪器不能自动采集和处理数据的问题，实现测量过程的智能化。通过对NI USB-6216 M系列多功能数据采集器的开发，在现有的基础上扩展多种实验数据的采集以及计算机界面的设计。利用LabVIEW良好的人机交互功能，设计出如图3的计算机程序，使液体电阻率测量仪器的使用更加方便快捷。

3 实验数据处理

选择NaCl溶液作为测试样本计算液体电阻率测量仪器的误差，分别配置不同浓度NaCl溶液测量其溶液电阻率。将被测溶液中的电压、电流分别测量三次取平均值，以19.9℃环境下1.5%的NaCl溶液为例，测量结果如表1所示。在极板常数为37.141m-1的情况下计算得溶液电阻率为0.462Ω·m，查阅国家机械行业标准表并计算得知其标准值为0.451Ω·m，计算而得误差为2.4%。

采用温度传感器DS18B20置入溶液中以更加准确的测量溶液温度，分别在18.0℃、19.9℃和22.0℃的温度状态下测得不同数据，对比其标准值如表2所示，测量结果与标准值的误差在3%以内，符合此仪器应用环境的误差要求。

虽然此仪器所测量出的溶液电阻率与国家机械行业标准值具有一定的误差，但是在通用的实验环境下，测量结果符合液体电阻率测量仪器的测量性能要求。

【参考文献】

[1]王金柱.基于单片机的电力用油体积电阻率检测系统研究[J].科学技术创新，2019（22）：47-48.

[2]姬忠勇.水质电导率的测量原理分析及方法介绍[J].科技信息，2013（10）：347.

[3]陈丽梅，程敏熙，肖晓芳，黄佐华.盐溶液电导率与浓度和温度的关系测量[J].实验室研究与探索，2010，29（05）：39-42.

[4]金虎杰，韩德万，王成贵.液体电阻率与温度和浓度之间关系的测量[J].延边大学学报（自然科学版），2003（01）：72-75.

[5]李舒晨.液体电导率电阻率直读测量装置[J].物理实验，2000（08）：21-23.