电导率传感器的微型化改进及其实验

姚翔

摘要：对威尼尔电导率传感器进行微型化实验改造，弥补电导率传感器无法测定高温下电导率及其他缺陷。在高中化学中引入此方法可以扩大电导率实验的范围及内容，培养學生的实验能力、创造力，提高学生的信息技术水平。

关键词：传感器技术;实验改进;导电性;实验探究

文章编号：1008-0546（2020）03-0092-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.026

一、问题提出

导电率，物理学概念，也可以称为电导率。在介质中该量与电场强度E之积等于传导电流密度J。对于各向同性介质，电导率是标量;对于各向异性介质，电导率是张量。生态学中，电导率是以数字表示的溶液传导电流的能力。单位以西门子每米（ S/m）表示。在化学上，电导率常可用于进行强弱电解质、强酸弱酸等的判别。以前常将导线两端伸人溶液中形成闭合回路，通过观察回路中小灯的明亮程度判断溶液导电能力强弱。在传感器技术日趋成熟的今天，我们可以使用电导率传感器将强弱电解质以更简洁明了的方式呈现给学生。但现今的电导率传感器仍有不少使用条件，如需要使用的液体量较大等，导致该传感器实际的课堂使用率依旧不高。

二、改进方法

1.电导率传感器的介绍及工作原理…

电导率传感器（型号：CON-BTA或CON-DIN）是测量溶液中电荷流动难易程度的传感器，量程分为低、中、高三个等级，分别为0-200μS/cm、0-2000μS/cm、0-20000μS/cm，精度为±1%，常用于强酸和弱酸的区别、利用由离子的生成或消耗导致的电导率的变化来监测化学反应速率、电解质溶液与非电解质溶液的区别、验证水溶液中的电导率和离子浓度之间的关系等。

电解质溶液的电导率指相距1m，面积为1m2的两个平行电极之间充满电解质溶液时的电导。电导率传感器通过测量电极之间的电压来测量溶液的导电的能力。在溶液中，因离子的移动而导电，所以，溶液离子浓度越高，导电能力越大。

图1为威尼尔电导率传感器的内部芯片构造图。

2.改进背景

威尼尔的电导率传感器本身作为一款笔式传感器，较为便捷。但笔者在使用过程中发现该传感器在使用时需要的溶液量较大，如果需要在课堂中测定多种不同溶液的电解质时，先期准备及重复清洗花费时间较长。且由于为塑料笔式探头的设计，导致该传感器无法测定高温下液体的电导率。在经过一段时间的思索和对电导率传感器原理的探析，笔者在其芯片和笔头传感器的连接导线处，用导线的一端焊在芯片上，做出一个并联电路，如图2所示。经此改动后，极大地扩充了使用该仪器进行电导率实验的范围和内容。

3.热电偶传感器的介绍及工作原理

热电偶温度传感器（TCA-BTA）是一个用来测量高温的传感器，量程为-200-1400℃，在O℃时其精度为±2.2℃，在1400℃时其精度为+15℃。常用于进行以下实验：研究火焰不同位置的温度、实验室测定铜等固体的熔点、测量干冰或液态空气的温度等。

热电偶温度传感器是将不同材质的两根金属丝的末端连接在一起构成一个闭合回路，当两个结点处的温度不同时，两个金属丝构成的闭合回路中将产生一个电动势（塞贝克电压），该电动势的方向和大小与金属丝的材料及两个结点的温度有关。因此，热电偶温度传感器的原理是通过数据采集器记录两根金属丝构成的闭合回路的电动势，再通过函数关系将电动势转换成温度，也就是末端连结点的温度。

三、相关实验改进

1.判断固体硝酸钾，蔗糖的电导率

（1）实验仪器及试剂

实验仪器（如图3所示）：

电导率传感器（经改造），高温温度传感器，数据采集器（均为Vernier公司产），笔记本电脑，30mm口径试管，橡皮塞，酒精灯，导线

实验试剂：硝酸钾（分析纯），蔗糖（分析纯）

（2）实验步骤

①按照图3连接好装置，在试管中加入硝酸钾固体，设置好采集频率、采集时间。

②点燃酒精灯后，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化。

③一段时间后，移开酒精灯（移开酒精灯的时间点即为图4中温度的折返点）。

④待温度下降，硝酸钾重新凝固后，结束采集。

⑤将硝酸钾换成蔗糖，重复上述实验。

（3）实验数据图

图4表明，对于硝酸钾，在超过4000C时即开始迅速转化为熔融状态，此时硝酸钾由于已经处于熔融状态，产生了能自由移动的离子，使其电导率迅速上升;离子化合物在完全熔融后继续加热，液体的电导率变化不大;温度降低后，熔融硝酸钾冷凝，阴阳离子重新结合为牢固的离子晶体化合物，电导率骤降。

图5表明，蔗糖属于分子晶体，在固态及熔融状态下均无自由移动的离子，因此熔融时亦无导电性。

（4）实验优点及不足

将该实验使用传感器进行演示后，可以更直观观测到电导率的变化情况，并可让学生对熔融状态下有自由移动的离子后才能导电有了更明显的认识。此实验复现性高，效果明显。实验中若使用更小的试管（14mm口径）进行实验则可大大加快实验速度。

2.液体的导电性探究

（1）实验仪器及试剂

实验仪器（如图6所示）：

电导率传感器（经改造），数据采集器，威尼尔滴数传感器配套滴液器（均为Vernier公司产），笔记本电脑，自制双股套管铜丝（部分裸露）

实验试剂：O.lmol/L醋酸溶液，O.lmol/L盐酸，O.lmol/L氢氧化钠溶液，O.lmol/L氨水，蔗糖溶液，酒精（均为60mL滴瓶）。

（2）实验步骤

①按照图6连接好装置，在滴液器中加入蒸馏水，调整好滴速（观察到液体自铜丝弯口裸露处滴下），设置好软件采集频率、采集时间。

②打开滴液器开关，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化。

③在裸露铜丝处滴人一滴待测液，观察屏幕电导率的变化。

④待软件上电导率复位后，用其他待测液重复进行实验。

（3）实验数据图

（4）实验装置优劣及进一步改进

该实验在进行如下改进后，利用水的张力使待测液停留在裸露铜丝处，在裸露铜丝处滴加待测液能看到电导率有明显的突跃，之后由于滴液管中水流的作用，电解质溶液随之滴下，电导率趋于缓和，整个过程10秒钟左右。具有简单快速的优点，图中6个实验样品在1分钟内就可以检验完毕，并且可以让学生直观地感受到强弱电解质导电性之间的区别，而该实验在前期准备上较为繁琐，装置体量也较大，因此可以更近一步进行微型化改进：

改进后将流水冲洗接液处改为手动用蒸馏水冲洗，使实验装置更显简洁，用该套装置完成的电导率测试图如下所示（实验步骤大体如之前所示）：

对装置进行改进后操作量相对大了些导致进行实验所需时间有点加长，但仍在可接受范围内，图像上亦可较为直观地感受到不同溶液的导电率情况。

四、实验注意事项

通过改进，实验装置（图2）可以测定许多其他熔融化合物的导电率，方法简单易行，效果明显，在实验过程中应该注意如下问题：

（1）选用化合物时应选用不易在熔融状态下易分解的物质，如铵盐、有机酸盐以及非活性的金属氧化物。

（2）酒精灯燃烧温度为500℃，如果选用氯化钠等熔点超过500℃的物质需酒精喷灯或丁烷灯。

（3）本实验装置不需要气密性检验，且不可塞紧橡皮塞否则有可能导致试管内部气压过大引起危险。

五、总结

威尼尔的电導率传感器是一款十分好用的仪器，进行此番改进以后，可以做许多与电导率有关的实验，笔者在此仅提供一个简单例子。在此，欢迎大家集思广益，创造出更多微型化、便携化的导电率实验装置。

参考文献

[1]马宏佳.化学数字化实验的理论与实践[M].北京：人民教育出版社，2016：119-120，124-125