CN103809030A

CN103809030A - 用于测量电导率的方法及采用该方法的用于测量电导率的系统

Info

Publication number: CN103809030A
Application number: CN201310560258.2A
Authority: CN
Inventors: 金钟润; 磪容硕; 裵相垠; 延济元; 宋奎锡
Original assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI
Current assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: KR20140061130A; KR101412594B1; JP5701961B2; DE102013222475A1; CN103809030B; US9618468B2; JP2014098699A; DE102013222475B4; US20140132288A1

Abstract

本发明涉及一种用于测量电导率的方法和使用该方法的用于测量电导率的系统。用于测量电导率的方法包括：利用电导率标准溶液获取电导池的电导池常数；将希望测量的溶液注入电导池中，并以在各个预设时间t上分阶段地改变预定的直流电压的方式来对设在电导池中的电极施加预定的直流电压；根据电压和峰值电流之间的线性关系获得作为斜率的溶液的电阻，其中峰值电流是针对各个电压测量而得到的；以及利用电导池常数和溶液的电阻来计算溶液的电导率。

Description

用于测量电导率的方法及采用该方法的用于测量电导率的系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量电导率的方法及采用该方法的用于测量电导率的系统。

背景技术

电导率是当对材料施加电场时其所具有的传导电流的能力。电导率是表明材料导电容易程度的参数。电导率作为溶液的特性之一，其在基于溶液中离子总体浓度和传输特性（例如离子迁移率、扩散率和粘度等）提供有关溶液的化学结构的有用信息方面非常重要。

用于测量溶液电导率的方法通常分为采用直流的方法（DC）和采用交流（AC）的方法。采用DC的方法已普遍应用于测量具有高电导率的溶液。然而，采用DC的方法的缺点是可能会产生因电极表面上的极化而产生的测量误差。因此，近些年测量电导率时大部分采用AC的方法。

另一方面，虽然采用AC的方法能够减小电极表面上的极化现象，但其可能容易受到环境电磁干扰的影响，并且在存在多个电子器件的情况下，难以进行准确地分析。

发明内容

因此，详细描述的一方面是提供一种更为准确地测量溶液电导率的电导率测量方法及采用该方法的电导率测量系统。

为了实现上述性能及本发明的其他优点和目的，本发明提供了一种测量电阻和计算电导率的方法，该方法包括以下步骤：利用电导率标准溶液来获取电导池的电导池常数；将希望测量的溶液注入电导池中，并以在各个预设时间t上分阶段地改变预设DC电压的方式对设在电导池中的电极施加预定的直流DC电压；根据电压和峰值电流之间的线性关系获得作为斜率的溶液的电阻，其中峰值电流是针对各个电压测量而得到；以及，利用电导池常数和溶液的电阻来计算溶液的电导率。

根据本发明的一方面，分阶段地改变电压的施加步骤可以是通过在各个预设时间上分阶段地增大或者减小电压来施加电压的步骤。

根据本发明的另一方面，预设时间小于电极表面上开始发生极化的时间。

根据本发明的又一方面，预设时间可以是趋近于0的时间（t→0），以防止电极表面上的极化。

根据本发明的又一方面，峰值电流可以是在施加预定的DC电压的时刻测量得到的电流。

根据本发明的又一方面，电导池常数的获取可包括：通过在各个预设时间（T）上分阶段地改变电压来施加预定DC电压；以及，根据电压和针对各个电压测得的峰值电流的线性关系来获取作为斜率的电导率标准溶液的电阻。

在获取电导池常数的步骤中，通过分阶段地改变电压的施加步骤可以是通过在各个预设时间分阶段地增大或减小电压来施加电压的步骤。

预设时间小于在电极表面上开始发生极化的时间。

预设时间可以是趋近于0的时间（T→0），以防止在所述电极表面上发生极化。

如这里所体现的以及宽泛而言的，为了实现上述性能及本发明的其他优点和目的，本发明提供了一种溶液电导率测量系统，该系统包括：

具有电极的电导池，该电导池具有唯一的电导池常数；电压施加单元，其配置成通过在各个预设时间上分阶段地改变电压的方式来对电极施加预定直流电压；电流测量单元，其配置成测量针对每个电压的峰值电流；控制器，其配置成根据电压和峰值电流的线性关系来获取作为斜率的溶液的电阻，并利用电导池常数和溶液的电阻来计算溶液的电导率。

根据本发明的一个方面，电压施加单元可配置成用以在各个时间分阶段地增大或者减小电压，该时间小于电极表面上开始发生极化的时间。

根据本发明的另一个方面，电流测量单元可配置成用以在施加预定DC电压时测量电流。

本发明可应用的其他范围将在之后的详细说明中变得显而易见。然而，应该明白的是这里仅以阐述的方式给出详细说明和具体实施例包括本发明的优选实施例，因为在本发明的精神和范围内根据详细说明所作出的各种改变和修改对于本领域的技术人员而言是显而易见的。

附图说明

所包括的附图用以提供对本发明更进一步的理解并结合于此作为说明书的一部分，其阐述了示范性实施例并与文中的描述共同用来解释本发明的原理。附图中：

图1是根据本发明的一个示范性实施例的电导率测量方法的流程图；

图2和图3是通过分阶段地增加DC电压并采用针对各个电压测量的峰值电流的方式来获取溶液的电阻的方法的原理图；

图4是根据本发明的电导率测量系统的一个示范性实施例的原理图；

图5A至图5F是分别说明0.001M的KCl电导率标准溶液中基于电压施加时间的所施加的电压和所得的电流的图表；

图6A至图6G是分别说明3M的KCl电导率标准溶液中基于电压施加时间的所施加的电压和所得的电流的图表；以及

图7A至图7C是分别说明通过在施加于3M的KCl电导率标准溶液的电压的测量范围内分阶段地改变电压而获取的测量结果的图表。

具体实施方式

以下根据示范性实施例并参照附图来对本发明提供的电导率测量方法和使用该方法的系统做详细的描述。

在参照附图进行描述时，为了描述的简便，对于相同或等同的模块将使用相同或相近的标号，从而使描述不会出现重复。说明书中，除非另外明确说明，文中的单数形式的表述包含复数形式的表述。

图1是根据本发明的一个示范性实施例的电导率测量方法的流程图。图2和图3是通过分阶段地增加DC电压并采用针对各个电压测量的峰值电流的方式来获取溶液的电阻的方法的原理图。图2和图3中所示出的方法可以用于测量电导率标准溶液的电阻和用于测量希望测量的溶液的电阻。

为测量溶液10的电导率（参见图4），将溶液10注入包括一对电极111（参见图4）的电导池110中（参见图4），溶液10的电阻通过实验可以获得。电导率可根据所获得的电阻值计算（测量）得到。溶液10的电导率X可通过将距离L除以一数值计算得到，该数值通过将电极111的表面积A与溶液的电阻值R一起相乘而获得，这样可得[X=L/（A×R）]。

因此，为基于电阻计算电导率X，需要用到电导池常数C，其为电导池110具有的唯一常数，由电极111的表面积和电极111之间的距离L所决定（C=L/A）。然而，由于仅通过实验难以正确测量得到电导池常数，因此，电导池常数可通过测量将具有正确已知的电导率的电导率标准溶液注入导电池110时产生的电阻值来获得。

为利用电导率标准溶液来获得电导池常数，将电导率标准溶液注入到电导池110中，并在各个预设时间T分阶段地（逐步地）改变DC电压（S10）。预设时间可表示施加预定DC电压的时间。

图2示范性地说明了电压v1、v2、v3、v4和v5在各个预设时间分阶段地（逐步的形式）增大。电压也可以在各个预设时间上逐步减小，或者瞬间施加任意不同的电压。

之后，针对各个电压测量峰值电流。如图2所示，由于自施加电压时电极111的表面开始产生的极化，电流可如同绘制的曲线那样逐渐减小。因此，如果在极化发生之前测量峰值电流p1、p2、p3和p4，将可以避免因极化而产生的测量误差。这可允许获取用于计算更准确的电导池常数的基础数据。

这里，施加预定DC电压的预设时间优选设为小于电导池110中设置的电极111表面开始极化的时间。电极在施加电压后会立刻开始极化。因此，预设时间即T优选设定为趋向于0的时间，以防止电极111表面上的极化。

也就是说，电压和对应峰值电流的数据可通过以下方式获得：即刻施加第一电压，测量对应于第一电压的第一电流（即第一峰值电流），即刻施加比第一电压更高的第二电压，以及测量对应于第二电压的第二电流（即第二峰值电流）。

随后，如图3所示，作为斜率的电导率标准溶液的电阻值可根据峰值电流和电压的线性关系而获得（S20）。因此，电导池常数可根据该电阻计算得到。

当电导池常数确定后，将电导池110中的电导率标准溶液清除，并将希望测量的溶液10注入电导池110中（S30）。这里，优选使用蒸馏水或类似液体对电导池110进行清洗，以确保完全从电导池110中清除残留的电导率标准溶液。

随后，如上所述，在各个预设时间t上逐步改变DC电压（S40），作为斜率的溶液10的电阻值可利用针对各个电压测量的峰值电流根据峰值电流和对应电压之间的线性关系而获得（S50）。预设时间可指示施加预定DC电压的时间。

例如，如图2所示，电压v1、v2、v3、v4和v5分别在预设时间t1、t2、t3、t4、和t5逐步增加，并可测量对应的峰值电流p1、p2、p3、p4和p5。相反的是，电压也可以在各个预设时间上逐步减小，并可测量对应的峰值电流。由于在显示电压关于电流的图表中电阻表示为斜率，因此电阻可通过施加两个不同幅度的电压并测量对应于这两个电压的两个峰值电流而容易地获得。当然，明显的是，如果施加的电压数量增加，那么基于更多的数据可获得更为准确的电阻值。

如图2所示，由于自施加电压时电极111的表面上开始产生的极化，电流可如同绘制的曲线那样逐渐减小。如果测量在极化发生之前施加电压产生的峰值电流，将可避免因极化而产生的测量误差。这可允许获取作为用于测量溶液10的更准确的电导率的基础数据的电阻。

此处，改变电压的预设时间可优选设为小于电导池110中电极111开始发生极化的时间。电极在施加电压后会立刻开始极化。因此，预设时间即T优选设定为趋近于0的时间，以防止电极111的表面上的极化。预设时间可以是趋近于0的时间，例如以毫秒、微妙或纳秒为单位的短暂时间。

随后，作为斜率的溶液10的电阻值可根据电压和峰值电流之间的线性关系获得。因此，溶液10的电导率可根据溶液10的电阻值和已采用电导率标准溶液得到的电导池常数计算得到（S60）。

图4是根据本发明的电导率测量系统的一个示范性实施例的原理图。

如图4所示，电导率测量系统100可包括电导池110、电压施加单元120、电流测量单元130和控制器140。

电导池110包含电极111，其具有唯一的电导池常数。此处，电导池常数是电导池110所具有的唯一常数，其由电极111的表面积A和电极111之间的距离L决定。如前所述，电导池常数可通过利用电导率标准溶液而获得。

电压施加单元120可以在各个预设时间上逐步改变电压的方式来对电极111施加预设DC电压。电压施加单元120可优选设为在各个时间上逐步增加或减小电压，其中，该时间小于极化开始出现在电极111表面上的时间。

电流测量模块130可测量针对各个电压的峰值电流。由于在施加电压时记录最大电流（峰值电流），因此电流测量模块130可在电压施加单元120施加电压的时刻读取供相电流值。

控制器140可根据电压和峰值电流之间的线性关系计算作为斜率的溶液10的电阻，随后利用电导池常数和溶液10的电阻来测量溶液10的电导率。

同时，图4仅仅示范性地说明了电导率测量系统100的一个实施例，但本发明不限于此结构。电导率测量系统100可在本领域的技术人员所能理解的范围内进行各种改变。

下文将对本发明的第一到第四示范性实施例进行详细说明。

作为参考，各个实施例中用到的电导池不同于不同的示范性实施例中用到的电导池。因此，在各个实施例中，电导池常数可能不同。此处，由于第一实施例和第二实施例采用相同的电导池，因此它们具有相同的电导池常数。

【第一示范性实施例】0.001M的KCl电导率标准溶液中电导池的电导池常数的测量

本实施例示范性地说明电导池的电导池常数的测量。首先，在向电导池中注入0.001M的、在18℃时电导率为127.3(μS/cm)的KCl电导率标准溶液并将电极放入其中之后，向电极施加范围为-5V到+5V之间的电压，每个电压针对0.001秒的时间其间隔为1V，由此获得各个电压上测量的电流。之后，那些值绘制出来以获得线性斜率。

由于0.001M的KCl电导率标准溶液的电阻为斜率的倒数（该斜率是根据电压变化的电流变化），如果利用测量的值计算出斜率值[194.34(nA/V)]，那么可获得溶液的电阻[5.15x10⁶(Ω)]。

电导池常数可利用测量的电阻计算得到，其可用以下等式1来表示：

电导池常数=电导率×溶液电阻（等式1）

当将溶液的电阻值和已知的电导率代入公式1时，可根据如下公式确定电导池常数：

电导池常数=127.3(μS/cm)x5.15x10⁶(Ω)=656(cm^-1)

【第二示范性实施例】0.1M的KCl电导率标准溶液的电导率的测量

第二示范性实施例示出了利用第一实施例所得到的电导池的电导池常数测量0.1M的KCl电导率标准溶液的电导率的过程。首先，为测量0.1M的KCl电导率标准溶液的电阻，向电导池注入0.1M的KCl电导率标准溶液，随后向电极施加范围为-5V到+5V之间的电压，各个电压针对0.001秒的时间其间隔为1V，由此获得各个电压上测量的电流。

采用测量的值获得作为根据电压变化的电流变化的斜率值为17.052(μA/V)，并且0.1M的KCl电导率标准溶液的电阻值为5.8644x10⁴(Ω)。根据前述公式1的关系，通过将电导池常数除以电阻值可得到浓度为0.1M的KCl电导率标准溶液的电导率。

浓度为0.1M的KCl电导率标准溶液的电导率=电导池常数/0.1M的KCl电导率标准溶液的的电阻=656(cm^-1)/5.8644x10⁴(Ω)=11,186(μS/cm)

计算结果表明，在将其与18℃下已知电导率11,167(μS/cm)进行比较，0.1M的KCl电导率标准溶液的电导率与已知的电导率在误差范围为0.2%的情况下相等。

【第三示范性实施例】根据电压施加时间的电导率的测量

本示范性实施例阐述了当设定更短的电压施加时间时，基于电导池的电导池常数的确定或者利用该电导池测得的溶液的电阻可获得更为准确的值。也就是说，电压施加时间优选为足够短使得在电极上不发生极化。从试验结果可知，电压施加时间越接近于0，得到的电导率数据将越准确。

另一方面，必须在电压施加时间内测量电流。因此，与电压的施加时间类似，电流测量时间也短。

本示范性实施例阐述了根据溶液浓度的不同可不同地设定电压施加时间，并且高浓度溶液的电压施加时间优选小于低浓度溶液的电压施加时间，因为响应于施加的电压而在电极上产生的极化在0.001M的低浓度KCl电导率标准溶液和3M的高浓度KCl电导率标准溶液中产生的时间是不同的。

在0.001M的低浓度KCl电导率标准溶液中，通过将各个电压施加时间设为0.001秒、0.01秒、0.1秒、1秒、10秒和100秒计算线性斜率以及绘制响应于电压变化的电流变化之后，如图5A到图5F所示，可按以下方式得到的电导池常数。根据该结果，可以看出当电压施加时间低于0.1秒时，得到的电导池常数值是收敛的。

设定时间（秒）	0.001	0.01	0.1	1	10	100
							电导池常数（cm^-1）	334	336	338	342	352	369

在3M的高浓度KCl电导率标准溶液中，将电压施加时间分别设为0.00001秒、0.0001秒、0.001秒、0.01秒、0.1秒、1秒和10秒，其电流随着电压的改变而改变的关系分别如图6A到图6G所示。根据结果可以看出，当电压施加时间小于0.00001秒时，3M的高浓度KCl电导率标准溶液的电导池常数收敛于与0.001M的低浓度KCl电导率标准溶液的电导池常数相近的一个值。因此，电压的施加时间设定为小于0.00001秒是合适的。

设定时间（秒）	0.00001	0.0001	0.001	0.01	0.1	1	10
								电导池常数（cm^-1）	338	341	350	370	426	513	637

因此，电压施加时间（T或t）优选地大于0秒而小于或等于0.1秒。当然，从实验结果可以看出，电压施加时间可能根据浓度而改变。也就是说，针对高浓度溶液的电压施加时间优选地小于针对低浓度溶液的电压施加时间。

同时，根据试验结果可知，利用当前使用的设备电压施加时间最小可以减小至0.0000033秒（即3.3微秒）。可以预料到，随着科学的发展，电压施加时间还可以进一步地减小，从而可以根据更小的电压施加时间得到更准确的电导率。

【第四示范性实施例】对测量电压范围和测量数据的数量的依赖性

本示范性实施例表明，用于电导率测量系统中以进行电导率测量的电压范围是没有限制的，电压的逐步变化也不限制为预设数量的阶段以及每一步电压的形状。

在仅使用一个电导池并且电压施加时间设为0.0001秒的情况下，比较针对浓度为3M的KCl电导率标准溶液测量的电阻和电导池常数。

如图7A到7C所示，其中显示了施加电压的测量范围分别为-0.7V和0.1V之间、-5V和5V之间以及-10V和10V之间，改变电压的阶段数量分别为9、11和2。此外，各个测量得到的电阻和电导池常数如下表所示。从表中的结果可以看出电压可至少从第二阶段开始适当增加。

测量的电压	变化步数溶液电阻（Ω）	电导池常数	备注
				0.7v-0.1v	92,525	674	图7A
-5v-5v	112,548	679	图7B
				-10v-10v	22,531	675	图7C

如上所述，根据本发明，通过在各个预设时间上分阶段地改变预定的DC电压，并利用各个电压上测量的峰值电流来测量溶液的电阻，可以将因极化而引起的测量误差最小化，同时还能够消除对于电导池常数的电导率的依赖性（所谓的帕克效应），由此测量得到更为准确的溶液电导率。

本发明可以广泛应用于与电化学系统和溶液中离子结构研究相关的技术领域，也可以应用到工业领域，如环境行业中的水质监测和核工业中的冷却水监测等。

如前所述的电导率测量方法和电导率测量系统的实施例和优点仅是示范性的，并不构成对本发明的限制。本教导可任意用于其他类型的装置中。本说明书旨在说明而并非限定权利要求的范围。对于本领域的技术人员而言，可以容易地想到许多备选、修改或变化。这里描述的示范性实施例的特点、结构、方法和其他特征可以各种方式结合从而获得其它和/或备选的示范性实施例。

在不脱离其特征的情况下，本发明的特征可以通过不同的形式体现，因此，除非特别说明，上述描述的细节并不对上述实施例构成限定，而应被宽泛地看做是落于所附的权利要求所限定的范围中。因此，任何在权利要求范围内或等同于权利要求范围的变化和修改都包含在所附的权利要求中。

Claims

1.一种用于测量电导率的方法，包括：

利用电导率标准溶液来获取电导池的电导池常数；

将希望测量的溶液注入电导池中，并以在各个预设时间t上分阶段地改变预定的直流电压的方式来对设在电导池中的电极施加预定的直流电压；

根据电压和峰值电流之间的线性关系获得作为斜率的溶液的电阻，其中峰值电流是针对各个电压测量而得到的；以及

利用电导池常数和溶液的电阻来计算溶液的电导率。

2.如权利要求1所述的方法，其中，分阶段地改变电压的施加步骤是通过在各个预设时间上分阶段地增大或者减小电压来施加电压的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，其中，预设时间小于在电极表面上开始发生极化的时间。

4.如权利要求3所述的方法，其中，预设时间是趋近于0的时间（t→0），以防止电极表面上的极化。

5.如权利要求1所述的方法，其中，峰值电流是在施加预定的直流电压的时刻测量得到的电流。

6.如权利要求1所述的方法，其中，电导池常数的获取包括：

通过在各个预设时间T上分阶段地改变电压来对电极施加预定的直流电压；以及

根据电压和针对各个电压测得的峰值电流之间的线性关系来获取作为斜率的电导率标准溶液的电阻。

7.如权利要求6所述的方法，其中，在获取电导池常数的步骤中，通过分阶段地改变电压的施加步骤是通过在各个预设时间分阶段地增大或减小电压来施加电压的步骤。

8.如权利要求6所述的方法，其中，预设时间小于电极表面上开始发生极化的时间。

9.如权利要求8所述的方法，其中，预设时间是趋近于0的时间（T→0），以防止在电极表面上发生极化。

10.一种用于测量电导率的系统，包括：

具有电极的电导池，所述电导池具有唯一的电导池常数；

电压施加单元，其配置成通过在各个预设时间上分阶段地改变电压的方式来对电极施加预定的直流电压；

电流测量单元，其配置成测量针对各个电压的峰值电流；

控制器，其配置成根据电压和峰值电流的线性关系来获取作为斜率的溶液的电阻，并利用电导池常数和溶液的电阻来计算溶液的电导率。

11.如权利要求10所述的系统，其中，电压施加单元配置成用以在各个时间上分阶段地增大或者减小电压，该时间小于在电极表面上开始发生极化的时间。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，电流测量单元配置成用以在施加预定的直流电压时测量电流。