CN103412192A - 一种纯水电导率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纯水电导率测量系统。所述系统包括纯水储存器，所述纯水储存器通过流通管路与范德堡法电导率测量系统相连，所述范德堡法电导率测量系统包括范德堡法封闭电导池、微电流激励源及信号采样处理电路。本发明将范德堡法引入纯水电导率的测量，能够实现纯水电导率的连续测量。范德堡法封闭电导池的电极常数仅取决于被测溶液高度（电极长度），无需进行电极常数溶液定值，从而以绝对测量法有效克服了由于低值电导率标准物质的缺失而导致电极常数无法准确定值的问题。采用交流微电流源作为激励信号，通过调节频率以及电流强度，实现使用同一装置对低值与高值电导率均可进行准确测量。

Description

一种纯水电导率测量系统

技术领域

本发明涉及一种创新的电化学技术，能够运用于工业、分析等领域纯水电导率的实时在线检测。

背景技术

纯水普遍应用于食品卫生行业、各类理化检测实验室、化学工业、机械工业、电子半导体行业及生物制药等很多领域，直接关系到产品的质量安全。纯水电导率（10μS/cm以下）的测量基本使用实验室电导率仪以及在线电导率仪,但测量精度存在以下问题:实验室电导率仪测量纯水电导率时由于测量未在密封状态下进行，并且未对测量电导率的温度进行控制，无法进行准确测量。在线电导率仪通常利用传统两电极体系测量纯水电导率，但由于测量原理中存在着电极极化作用、被测对象的温度特性对测量精度的影响等诸多因素影响，同样无法保证纯水电导率值的准确性。通常电导率值采用相对法测量，通过已知电导率值的标准溶液对电导率仪电极常数进行校准，再使用校准后的电极进行电导率测量。长期以来，我国低值电导率（10μS/cm以下）标准物质的缺失,导致无法在纯水电导率值测量范围内对电导率的电极常数进行准确校准，研究纯水电导率精密测量技术、解决纯水电导率电极常数准确校准的要求日益迫切。

电导率值的绝对法测量，一直是各国电导率计量基准的标准方法，测量精度高，并且可解决电极常数无法准确校准的问题。美国NIST（国家标准技术研究院）在90年代中期设计出中间管段可拆装的JONES型电导池。其测量精度取决于电导池几何参数的精确测量，对加工精度和维护有很高的要求。我国国家计量基准沿用JONES型电导池，测量范围0.01S/m～10S/m，不确定度0.04%～0.06%，但尚未对低值电导率标准进行覆盖。

专利号US4751466A所示的传统四电极测量方法优化了电极结构，消除了电极极化对测量结果的影响。由于电极常数构成参数所限，无法实现电极常数的定值，因此难以实现对低值电导率溶液的绝对法测量。

范德堡（VDP）法是一种新型的电导率绝对测量方法，最早运用于半导体材料特别是薄膜材料电学特性的测量，20世纪90年代波兰科学家将其技术引入溶液电导率测量。范德堡法电导池结构如图（1）所示，在电流电极上施加一个激励电流，测量电压电极间的电压，则可以由伏安公式求出等效电阻。再通过测量电极高度h，可通过公式直接计算得到电导池常数，从而确定溶液的电导率，实现对于电导率的绝对法测量。此外，范德堡法电导池结构采用激励电极与感应电极分离的测量模式，大大降低了电极极化对测量精度的影响，感应电极位于低电场强度点，对溶液自身电场影响很小。本发明是一种新型的纯水电导率绝对测量方案，国内尚没有范德堡法电导率测量方法相关研究，国外的研究主要在1000μS/cm以上的高值电导率测量，也尚未开展对于低值电导率溶液的测量研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将范德堡法引入纯水测量方法中，并实现纯水的封闭流动恒温测量的纯水电导率测量系统。

为此，本发明采用如下技术方案：

所述系统包括纯水储存器，所述纯水储存器通过流通管路与范德堡法电导率测量系统相连，所述范德堡法电导率测量系统包括范德堡法封闭电导池、微电流激励源及信号采样处理电路。

通过以上技术方案，本发明将范德堡法引入纯水电导率的测量，设计了一种基于改进型范德堡法电导池结构的封闭恒温流动的纯水电导率测量系统，系统包括范德堡法封闭电导池、微电流激励源以及信号采样处理电路、封闭且恒温的纯水储存器等，能够实现纯水电导率的连续测量。范德堡法封闭电导池的电极常数仅取决于被测溶液高度（电极长度），无需进行电极常数溶液定值，从而以绝对测量法有效克服了由于低值电导率标准物质的缺失而导致电极常数无法准确定值的问题。采用交流微电流源作为激励信号，通过调节频率以及电流强度，实现使用同一装置对低值与高值电导率均可进行准确测量。

附图说明

图1是范德堡法电导率传感器结构简要示意图；

图2是本发明的范德堡法封闭电导池结构示意图；

图3是本发明所提供实施例的系统示意图。

如图所示，本发明的附图标号为：纯水机1、气泡过滤器2、纯水储存器3、蠕动泵4、恒温水浴箱5、范德堡法封闭电导池6、精密温度计7、测量系统主机8、流通阀9。

本发明中，所述测量系统主机，即微电流激励源、信号采样处理电路及控制系统；

具体实施方式

本发明将范德堡法引入纯水电导率的测量，设计了一种基于改进型范德堡法封闭电导池结构的封闭恒温流动的纯水电导率测量系统，系统包括范德堡封闭电导池（图2）、微电流激励源以及信号采样处理电路、封闭且恒温的纯水储存器等，能够实现纯水电导率的连续测量。范德堡法封闭电导池采用适于纯水电导率测量的圆柱体封闭结构以及聚四氟乙烯材料：主支撑平面与电导池腔间留有气压导流槽，方便测量时腔内空气的溢出，以保持内外气压平衡；聚四氟乙烯材料具有良好的化学稳定性，不易释放出干扰测量的离子，适用于纯水测量。

电导池的电极常数仅取决于被测溶液高度（电极长度），无需进行电极常数溶液定值，从而以绝对测量法有效克服了由于低值电导率标准物质的缺失而导致电导率仪电极常数无法准确定值的问题。采用交流微电流源作为激励信号，通过调节频率以及电流强度实现使用同一装置对低值与高值电导率均可进行准确测量。

本发明提供一种纯水电导率测量系统，所述系统包括封闭且恒温的纯水储存器，所述纯水储存器通过流通管路与范德堡法电导率测量系统相连，所述范德堡法电导率测量系统包括范德堡法封闭电导池、微电流激励源以及信号采样处理电路。

所述范德堡法测量系统采用交流微电流源作为激励信号，并可调节频率以及电流强度实现对于低值与高值电导率的测量。

所述范德堡法封闭电导池采用适于纯水电导率测量的圆柱体封闭结构以及聚四氟乙烯材料。

所述纯水储存器以及范德堡法封闭电导池设于恒温水浴箱内，并通过聚四氟乙烯管路与流通阀相连。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明为一种纯水电导率测量系统，所述系统包括封闭且恒温的纯水储存器3，所述纯水储存器3通过流通管路与范德堡法电导率测量系统相连，所述范德堡法电导率测量系统包括范德堡法封闭电导池6、微电流激励源以及信号采样处理电路。

本发明测量时，将纯水机1产生的纯水通过气泡过滤器2进入纯水储存器3中，再利用流通阀、蠕动泵4控制纯水在封闭测量系统中的流速，保持在100mL/min左右，并通过水浴恒温箱5将纯水储存器和范德堡法封闭电导池中的纯水温度控制在(25±0.2)℃，并采用精密温度计7对纯水温度进行准确测量，用于温度补偿。

下面结合实施例来详细说明本发明。

实施例1范德堡电导池电极常数理论值与实际值的验证

根据GB/T27503-2011《电导率仪的试验溶液——氯化钠溶液的制备方法》国家标准要求，配制了电导率范围在20us/cm-20000us/cm的10个电导率试验溶液样品。实验中，将被测样品注满范德堡法封闭电导池，使电极完全浸润在被测溶液中，将电导池浸没在恒温水浴箱中一段时间，测量电导池中溶液温度保持在（25±0.2）℃，在激励电极两端施加模拟交流微电流源，获取响应电压信号和标准电阻两端电压，切换多路转接器获得对称激励下响应电压信号和标准电阻两端电压，取对称当量电阻R12,34，R23,14均值带入计算获得溶液电导率，电导池常数通过测量其电极高度计算得出。对10个电导率试验样品，使用范德堡法电导率测量系统测量三次取均值。测量结果如下：

表1标准电导率溶液测量结果

由表1可得，10个测量样品相对误差均小于2%，标准电导率与测量电导率之间线性相关系数为0.99987，试验证明用范德堡法电导率测量系统对电导率在量程范围内变化具有较好的线性响应。

为了消除溶液配制不确定度对测量的影响，进一步验证用范德堡法电导率测量系统的绝对测量能力，选用中国计量科学研究院生产的GBW（E）130107以及GBW（E）130108氯化钾电导率标准溶液进行验证，对于标准值为147.6μs/cm（25℃）的标准溶液，范德堡法测量系统测得电导率为147.26μs/cm（25℃），对于标准值为1409μs/cm（25℃）的标准溶液，测得电导率为1405.3us/cm,相对误差最大仅为-0.26%，测量重复性小于0.3%，证明范德堡封闭电导池电极常数理论值与实际值一致，能对溶液电导率进行高精度的绝对测量。

实施例2标准质控样品（10.0us/cm）电导率测量

将标准质控样品放置在纯水储存器中，开启恒温水浴装置，将纯水储存器和范德堡封闭电导池中的样品温度控制在(25±0.2)℃,同时对打开流通阀，将蠕动泵流量控制为100mL/min。开始测量后，在交流微电流源激励下，对数据进行实时采集并分析，同时对样品的实际温度进行测量，数据通过微机系统与上位机通讯进行分析与温度补偿。对10.0us/cm质控样品进行测量，激励电流设置为50uA，实测温度为25.2℃，以5.2%/℃进行温度补偿，测量得到的电导率值为10.170us/cm（25℃），相对误差1.7%。证明范德堡法电导率测量系统对于低值电导率具有较高的测量精度。

实施例3纯水机产生的纯水连续测量

打开纯水机1，通过气泡过滤器2进行气泡去除后，通入纯水储存器3中,

开启水浴恒温箱，将纯水储存器3和范德堡封闭电导池6中的纯水温度控制在(25±0.2)℃，打开流通阀，将蠕动泵4流量控制在100mL/min，进行电导率测量。在范德堡封闭电导池6后再连接一台高精度电导率仪对本测量系统进行验证（采用mettler-toledo公司的S230电导率仪配合纯水专用的Inlab Trace电极与流通池）。

范德堡法电导率测量系统测量结果：激励电流设置为10uA，实测温度为25.1℃，以5.2%/℃进行温度补偿，测量得到纯水电导率值为0.128μS/cm（25℃）。参比电导率仪测量结果：Mettler-toledo S230电导率仪测得纯水电导率为0.115us/cm（25℃）。试验结果证明了范德堡法电导率测量系统对纯水电导率的绝对测量能力。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种纯水电导率测量系统，其特征在于，所述系统包括封闭且恒温的纯水储存器，所述纯水储存器通过流通管路与范德堡法电导率测量系统相连，所述范德堡法电导率测量系统包括范德堡法封闭电导池、微电流激励源以及信号采样处理电路。

2.如权利要求1所述的一种纯水电导率测量系统，其特征在于所述范德堡法测量系统采用交流微电流源作为激励信号，并可调节频率以及电流强度实现对于低值与高值电导率的测量。

3.如权利要求1所述的一种纯水电导率测量系统，其特征在于所述范德堡法封闭电导池采用适于纯水电导率测量的圆柱体封闭结构以及聚四氟乙烯材料。

4.如权利要求1所述的一种纯水电导率测量系统，其特征在于所述纯水储存器以及范德堡法封闭电导池设于恒温水浴箱内，并通过聚四氟乙烯管路与流通阀相连。

Images