高电导的测量和应用
许一鸣 高级工程师
电导率测量由于量程范围极广,在低电导率(0.01-10μS/cm)和高电导率(100-1000mS/cm)测量时,为了保证测量准确性,必须克服电极分布电容和电极极化所带来的影响。
由于相敏检波电路的应用,目前电极分布电容对低电导测量的影响已被基本消除,在在线电导率测量中,长度100米电缆的分布电容高达3000 pf,采用相敏检波后对电导率测量的影响在仪器误差范围之内。
但是,电极极化影响目前除了提高测量频率、采用镀铂黑电极外、只能靠选用电极常数不同的电导电极进行分段测量(图1)。这样做不但测量成本提高,操作麻烦,而且测量准确度也不容易保证。虽然现在有了四电极测量系统,但价格很贵,而且在电导率低于10μS/cm和大于100mS/cm时测量误差仍然比较大。
我们在研制第四代MP500和SX700系列电化学分析仪器时,利用高性能单片机产生的脉冲进行电导率测量,根据测量条件确定脉冲量和取样时间,有效消除了电极极化影响,使上述仪表仅仅使用一支电极常数为1的电导电极,用一点或二点校正就能测量从0.05μS/cm到200mS/cm的电导率(图1、图2),真正做到一台仪器、一支电极覆盖从纯水到海水的电导率测量范围,如果再配一支电极常数10的电极,则可以以±1%的精度覆盖全部电导率范围(从纯水到酸碱溶液)。
![](http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/11/201111101352_329552_911_3.jpg)
![](http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/11/201111101357_329555_911_3.jpg)
在实际应用中,用电导率单位表示水质并不是很直观,通常将电导率值转换为以下几种形式:
1 EC
在一些进口的水处理设备中,有一个“EC” 值的水质指标,EC单位其实就是mS/cm单位,(EC = mS/cm),EC值越大表示水中溶解物越多,EC计其实就是以mS/cm为测量单位的电导率仪。
2 TDS
TDS是英文“Total Dissolved Solid”缩写,意思是可溶解固体总量,可溶解固体总量是指溶解在水里的无机物和有机物的总和。其主要成分有钙、镁、钠、钾离子和碳酸根离子、碳酸氢根离子、氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子等。因此TDS计就是可溶解固体总量测试仪。
TDS计的单位是ppm(即mg/L),其量值定义为一定比例数的电导率值,一般取0.7左右。因此,TDS计其实就电导率仪,只是约定了一个比例数,定义为TDS。
TDS与μS/cm简单的换算关系为:
1 μS/cm = 0.7 mg/L TDS 1 mS/cm = 0.7 g/L TDS
实际上,可溶解固体总量是个不确定的概念,我们并不知道溶液中到底有些什么离子,每种离子又有多少。有人根据水体中存在比例较大的离子种类和数量制定了442溶液,其中含有40%硫酸钠,40%碳酸氢钠和20%氯化钠,作为TDS标准溶液(表1、图3)。
从表1和图3可以看出,电导率与TDS的对应关系并不是线性关系,上述的简单的换算关系只是电导率在2 mS/cm左右比较准确。在低电导和高电导测量时TDS与电导率的比值与0.7偏差较大。为了解决这一问题,有一些TDS计的换算系数是可以由使用者根据实际测量范围进行调节的,调节范围一般为0.4-1.0。
我们研制的MP500和SX700系列电化学分析仪器利用单片机程序,完全按表1的非线性关系进行TDS转换,确保TDS 测量的准确性。
表1 TDS与电导率关系表
电导率25℃ | KCl | NaCl | TDS 442 |
μS/cm | mg/l | 比值 | mg/l | 比值 | mg/l | 比值 |
23 | 11.6 | 0.50 | 10.7 | 0.47 | 14.7 | 0.64 |
84 | 40.4 | 0.48 | 38.04 | 0.45 | 50.5 | 0.60 |
445 | 225.6 | 0.50 | 215.5 | 0.48 | 300 | 0.67 |
1417 | 744.7 | 0.52 | 702.1 | 0.50 | 1000 | 0.71 |
1500 | 757.1 | 0.50 | 737.1 | 0.49 | 1050 | 0.70 |
2060 | 1045 | 0.50 | 1041 | 0.50 | 1500 | 0.72 |
2764 | 1382 | 0.50 | 1415 | 0.51 | 2063 | 0.75 |
8974 | 5101 | 0.57 | 4860 | 0.54 | 7608 | 0.85 |
12880 | 7447 | 0.58 | 7230 | 0.56 | 11367 | 0.88 |
15000 | 8759 | 0.58 | 8532 | 0.57 | 13445 | 0.90 |
图3 TDS与电导率关系曲线
![](http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/11/201111101401_329556_911_3.jpg)
3 盐度
通常电导率仪的盐度测量有两个概念:
A. 氯化钠浓度:盐度用水中溶解的氯化钠浓度表示,电导率值与盐度的转换系数一般取0.5,单位为ppt(千分之一)。
TDS与氯化钠浓度简单的换算关系为:
1 μS/cm = 0.5 ppm (即mg/L) 1 mS/cm = 0.5 ppt (即g/L)
B. 海水盐度:
海水中含量最多的化学物质有11种:即钠、镁、钙、钾、锶等五种阳离子;氯、硫酸根、碳酸氢根(包括碳酸根)、溴和氟等五种阴离子和硼酸分子。其中排在前三位的是钠、氯和镁。为了表示海水中化学物质的多少,通常用海水盐度来表示。海水的盐度是海水含盐量的定量量度
海水盐度的通俗定义是1kg海水中所含盐分的克数。例如,1kg海水中含有35g盐,记为S=35‰。
PSS 78实用盐标是用电导方法测定海水的盐度,在实用盐标中采用高纯度KCl,用标准的称量法制备成一定浓度(32.4357‰)的溶液,作为盐度的准确参考标准,而与海水样品的氯度无关。
实用盐度值为以前盐度值的1000倍,例如,盐度值为 35.12 ‰ (35.12 ppt) ,实用盐度值则为35.12 PSU,现在许多盐度计都采用实用盐度值表示海水盐度。
在购买电导率法盐度计时,应当分清仪表显示的是氯化钠盐度还是海水盐度。
4 溶液浓度
对于单一体系的溶液,根据浓度与电导率值的关系,可以制成单一成分的浓度计。如酸/碱浓度计,盐量计 。利用测量电导率值的原理制成浓度计的基本条件是电导率与浓度的曲线不能有拐点即一个电导率值不能出现二个浓度值
酸、碱、盐溶液电导率与浓度的关系是非线性的,但在浓度较低(0-10%)的情况下接近线性。
酸、碱溶液的测量应采用电极常数为10或50的电导电极,但即使采用常数为50的电极,电导电极两个极片之间的溶液电阻K/κ0也只有几十到几百欧姆,而在线电导率仪与电导电极之间的导线有时长达几十米,导线电阻R0达到几到几十欧姆。
在测量时,如果不进行导线电阻扣除,仪器测得的电导率κ与溶液电导率κ0的误差可能达到百分之几十。
![](https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/11/201111101407_329559_911_3.jpg)
κ0 溶液电导率值 (mS/cm) κ 电导率测量值 (mS/cm)
K 电极常数 (1/cm) R0 电极导线电阻 (kΩ)
我们在设计酸碱浓度计时,充分考虑到电导电极导线电阻的影响,在计算机程序中进行了导线电阻扣除,以确保浓度测量的准确性。再根据不同溶液的温度系数进行温度补偿后按酸碱盐溶液的浓度电导率曲线换算成浓度值。