CN109725031A - 基于电容法的溶液浓度测量方法 - Google Patents

基于电容法的溶液浓度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电容法的溶液浓度测量方法，利用的是不同浓度电介质溶液之间电阻或介电常数的差异导致液体电容器电容值的改变这一原理，搭建了一个工作平台对不同浓度的蔗糖溶液、硫酸镁溶液、氯化钠溶液、乙醇溶液进行了电容的测量，进行数据分析后发现溶液的介电常数与溶液浓度有关，若溶质的介电常数比溶剂的介电常数小，则电容值与溶液浓度呈负相关，与理论基本契合。通过本发明，能够在极端的环境(有毒，电磁干扰等)下，或者样品不能直接接触的情况下快速、实时的测量液体浓度。

Description

基于电容法的溶液浓度测量方法
技术领域
本发明涉及浓度测量领域，尤其涉及一种基于电容法的溶液浓度测量方法。
背景技术
现在，测量液体浓度的方法有很多很多种：滴定法、分光光度法、比重法、旋光度法等等。这些方法满足了我们日常和科研对浓度测量的基本需求，但是对于工业来说，快速，实时，才是他们需要的。一些极端的环境(有毒，电磁干扰等)下，或者样品不能直接接触等等的情况，这些方法恐怕无法满足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于电容法的溶液浓度测量方法。
本发明技术方案如下：
一种基于电容法的溶液浓度测量方法，包括：
配置不同浓度的溶液；其中，溶液的浓度呈梯度设置；
测试不同浓度的溶液的折射率，若为离子溶液，则同时测试不同浓度溶液的导电率；
提供测量装置，所述测量装置包括连接电源的电容器，以及设置于电容器极板之间的导管，将所述不同浓度的溶液分别注入到所述导管中，并将导管两端封闭，将电容器与电容测试仪连接，调好频率挡和电压档，记录对应的电容值；
根据不同浓度溶液的折射率、导电率与电容值，拟合计算得到电容器的参数和相应溶剂的介电常数，确定对应不同溶剂溶液的电容值与摩尔浓度的函数关系，以实现通过溶液的电容值计算摩尔浓度。
进一步地，在测量所述折射率的步骤中，是通过阿贝折射仪进行测量。
进一步地，在测量所述电容值的步骤中，是通过1TH2618电容测试仪进行测量。
进一步地，纯水或有机溶液、电解质溶液的体积分数或摩尔分数与电容值的线性关系式表示为：
C＝(ε1-ε2)kα+b
其中，ε1、ε2分别为溶质、溶剂的介电常数,α为溶质的摩尔分数或体积分数；ω为角速度。
进一步地，配置不同浓度溶液的步骤中，配置的溶液类型及相应的浓度包括：纯水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％不同浓度的蔗糖溶液和葡萄糖溶液和3％、6％、9％、12％、15％、18％、21％、24％不同浓度的硫酸镁和氯化钠溶液。
进一步地，测试不同浓度的溶液的折射率和导电率的步骤中，用吸管吸取1-2滴的样品溶液，用阿贝折射仪测量样品的折射率，记录相对应的测量结果；对于离子溶液需要用笔式电导率仪测量其电导率。
本发明的有益效果：
本发明的基于电容法的溶液浓度测量方法利用的是不同浓度电介质溶液之间电阻或介电常数的差异导致液体电容器电容值的改变这一原理，搭建了一个工作平台对不同浓度的蔗糖溶液、硫酸镁溶液、氯化钠溶液、乙醇溶液进行了电容的测量，进行数据分析后发现溶液的介电常数与溶液浓度有关，若溶质的介电常数比溶剂的介电常数小，则电容值与溶液浓度呈负相关，与理论基本契合。通过本发明，能够在极端的环境(有毒，电磁干扰等)下，或者样品不能直接接触的情况下快速、实时的测量液体浓度。
附图说明
图1为本发明的一种基于电容法的溶液浓度测量方法的流程示意图；
图2为本发明的一种基于电容法的溶液浓度测量方法中的乙醇溶液摩尔分数与电容值的数值坐标示意图；
图3为本发明的一种基于电容法的溶液浓度测量方法中的蔗糖溶液摩尔分数与电容值的数值坐标示意图；
图4为本发明的一种基于电容法的溶液浓度测量方法中的葡萄糖溶液摩尔分数与电容值的数值坐标示意图；
图5为本发明的一种基于电容法的溶液浓度测量方法中的NaCl溶液摩尔分数与电容值的数值坐标示意图；
图6为本发明的一种基于电容法的溶液浓度测量方法中的MgSO4溶液摩尔分数与电容值的数值坐标示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明提供了一种基于电容法的溶液浓度测量方法，该方法的步骤包括：
S110：配置不同浓度的溶液；其中，溶液的浓度呈梯度设置。
S120：测试不同浓度的溶液的折射率，若为离子溶液，则同时测试不同浓度溶液的导电率。
S130：提供测量装置，所述测量装置包括连接电源的电容器，以及设置于电容器极板之间的导管，将所述不同浓度的溶液分别注入到所述导管中，并将导管两端封闭，将电容器与电容测试仪连接，调好频率挡和电压档，记录对应的电容值。
S140：根据不同浓度溶液的折射率、导电率与电容值，拟合计算得到电容器的参数和相应溶剂的介电常数，确定对应不同溶剂溶液的电容值与摩尔浓度的函数关系，以实现通过溶液的电容值计算摩尔浓度。
在配置不同浓度的溶液时，由于溶解度的原因，利用电子秤配置纯水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％不同浓度的蔗糖溶液和葡萄糖溶液和3％、6％、9％、12％、15％、18％、21％、24％不同浓度的硫酸镁和氯化钠溶液。由于乙醇与水可以按任意比例互溶，可以配置0％到99.7％，梯度为10％的不同溶度的溶液。以上的浓度均为质量分数。
测量溶液的折射率时，使用阿贝折射仪。阿贝折射仪是以折射定律为基本原理，能测定透明、半透明液体或固体的折射率和平均色散的仪器。用吸管吸取1-2滴的样品溶液，用阿贝折射仪测量样品的折射率，记录相对应的测量结果。对于离子溶液则使用笔式电导率仪测量其电导率。
测量电容值时，是通过1TH2618电容测试仪进行测量。TH2618电容测试仪是一种有六个不同的测试频率，三个测试信号电平的电容测量仪器。其精确度可达0.01pF。在本次课题实验中，我们统一选取的频率为最高频率100kHz、最高电平1.0V的交流电源。利用注射器将各种浓度溶液注入电容器，注入完成后，轻轻摇晃电容器，使导管里面的气泡跑出，然后用夹子夹紧导管两端。
本发明使用的液体电容器是自制的简易电容器，包括两块极板、两根导线及一根透明导管。该电容器的原理与普通的电容器原理无异，在极板间距离，两极板的有效面积等等条件不变的情况下，在导管内通入不同溶度，不同类型的液体。其中影响其电容值变化的只是液体的介电常数ε或内部电阻R。
将电容器与1TH2618电容测试仪连接，调好频率挡和电压档，记录对应的电容值。
首先以乙醇溶液为例进行说明。表1所示为已知浓度的乙醇溶液测量得到的电容值。
表1乙醇溶液的测量
可以看出乙醇摩尔分数与折射率基本成正相关关系，摩尔分数越高，折射率越大。
对于纯水或有机液体等绝缘溶液，溶液的体积分数或摩尔分数与电容值所成的线性关系式为：
C＝(ε1-ε2)kα+b (1)
建立乙醇溶液摩尔分数与电容模型
y＝-55.3kx+b
数据图像拟合得到图2，计算得到k＝0.07688，b＝54.23468。拟合度为0.99207。
拟合的公式为
y＝-4.251464x+54.23468
以蔗糖溶液为例进行说明。表2所示为已知浓度的蔗糖溶液测量得到的电容值。
表2蔗糖溶液的测量
可以看出蔗糖摩尔分数与折射率成正相关关系，摩尔分数越高，折射率越大。
由公式(1)建立蔗糖溶液摩尔分数与电容模型
y＝-77.7kx+b
数据图像拟合得到图3，计算得到k＝0.46373，b＝53.22161。拟合度为0.98122。
拟合的公式为
y＝-36.031821x+53.22161
以葡萄糖溶液为例进行说明。表3所示为已知浓度的葡萄糖溶液测量得到的电容值。
表3葡萄糖溶液的测量
可以看出葡萄糖摩尔分数与折射率基本成正相关关系，浓度越高，折射率越大。
由公式(1)建立葡萄糖溶液摩尔分数与电容模型
y＝-78kx+b
数据图像拟合得到图4，k＝0.22829，b＝53.31863。拟合度为0.98613。
拟合的公式为
y＝-17.80662x+53.31863
上面三种的不同溶质相同溶剂的溶液的模型可以看出，b的值很接近，因为b只与电容器的参数和溶剂的介电常数有关。由于溶质的介电常数的差异，所以最后拟合出来的函数会有所差别。所以上述模型与理论相符合。
以下以电解质溶液为例进行说明。表4所示为已知浓度的NaCl溶液测量得到的电容值。
表4NaCl溶液的测量
可以看出NaCl摩尔分数与折射率成正相关关系，摩尔分数越高，折射率越大。NaCl摩尔分数与电导率基本成线性关系，摩尔分数越高，电导率越大。
公式(2)中其中电阻的倒数与摩尔分数呈正相关关系，为了方便数据拟合将公式简单化为:
y表示电容，x表示摩尔分数。
利用麦克马林展开式可得：
其中，f(0)＝b，f'(0)＝0，f”(0)/2！＝a。
建立的模型为：y＝ax2+b
将公式与表4中数据进行曲线拟合，得到图5。
计算得到a＝162.39965，b＝52.52718，拟合度为0.9155。可从图中可以看出，实验数据基本与理论相符。拟合的公式为
y＝162.39965x2+52.52718
表5所示为已知浓度的MgSO4溶液测量得到的电容值。
表5 MgSO4溶液的测量
可以看出MgSO4摩尔分数与折射率成正相关关系，浓度摩尔分数越高，折射率越大。MgSO4摩尔分数与电导率基本成线性关系，摩尔分数越高，电导率越大。
将表5的数据再次拟合，得到图6。
拟合后，a＝631.3672，b＝52.69251，拟合度为0.98219。与理论相符。拟合的公式为
y＝631.3672x2+52.69251
综上，经过数据分析拟合，得到：
乙醇溶液摩尔分数与电容的关系:
y＝-4.251464x+54.23468
蔗糖溶液摩尔分数与电容的关系：
y＝-36.031821x+53.22161
葡萄糖溶液摩尔分数与电容的关系：
y＝-17.80662x+53.31863
NaCl溶液摩尔分数与电容的关系：
y＝162.39965x2+52.52718
MgSO4溶液摩尔分数与电容的关系：
y＝631.3672x2+52.69251
当电介质为非离子溶液时，函数类型是一样的，当电介质为离子溶液时，函数类型也是一样的，但是两者函数不同。非离子溶液作为介质时，相同浓度不同溶质的溶液的介电常数不同，导致不同类型的溶液关系函数会不一样；离子溶液作为介质时，差异较大的是a值，a值与电导率有关，相同浓度不同溶质的离子溶液的电导率不同，导致摩尔分数-电容的关系函数不一样。
本发明的基于电容法的溶液浓度测量方法利用的是不同浓度电介质溶液之间电阻或介电常数的差异导致液体电容器电容值的改变这一原理，搭建了一个工作平台对不同浓度的蔗糖溶液、硫酸镁溶液、氯化钠溶液、乙醇溶液进行了电容的测量，进行数据分析后发现溶液的介电常数与溶液浓度有关，若溶质的介电常数比溶剂的介电常数小，则电容值与溶液浓度呈负相关，与理论基本契合。通过本发明，能够在极端的环境(有毒，电磁干扰等)下，或者样品不能直接接触的情况下快速、实时的测量液体浓度。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其它改进和变化均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电容法的溶液浓度测量方法，其特征在于，包括：
配置不同浓度的溶液；其中，溶液的浓度呈梯度设置；
测试不同浓度的溶液的折射率，若为离子溶液，则同时测试不同浓度溶液的导电率；
提供测量装置，所述测量装置包括连接电源的电容器，以及设置于电容器极板之间的导管，将所述不同浓度的溶液分别注入到所述导管中，并将导管两端封闭，将电容器与电容测试仪连接，调好频率挡和电压档，记录对应的电容值；
根据不同浓度溶液的折射率、导电率与电容值，拟合计算得到电容器的参数和相应溶剂的介电常数，确定对应不同溶剂溶液的电容值与摩尔浓度的函数关系，以实现通过溶液的电容值计算摩尔浓度。
2.根据权利要求1所述的基于电容法的溶液浓度测量方法，其特征在于，在测量所述折射率的步骤中，是通过阿贝折射仪进行测量。
3.根据权利要求1所述的基于电容法的溶液浓度测量方法，其特征在于，在测量所述电容值的步骤中，是通过1TH2618电容测试仪进行测量。
4.根据权利要求1所述的基于电容法的溶液浓度测量方法，其特征在于，纯水或有机溶液、电解质溶液的体积分数或摩尔分数与电容值的线性关系式表示为：
C＝(ε1-ε2)kα+b
其中，ε1、ε2分别为溶质、溶剂的介电常数,α为溶质的摩尔分数或体积分数；ω为角速度。
5.根据权利要求1所述的基于电容法的溶液浓度测量方法，其特征在于，配置不同浓度溶液的步骤中，配置的溶液类型及相应的浓度包括：纯水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％不同浓度的蔗糖溶液和葡萄糖溶液和3％、6％、9％、12％、15％、18％、21％、24％不同浓度的硫酸镁和氯化钠溶液。
6.根据权利要求1所述的基于电容法的溶液浓度测量方法，其特征在于，测试不同浓度的溶液的折射率和导电率的步骤中，用吸管吸取1-2滴的样品溶液，用阿贝折射仪测量样品的折射率，记录相对应的测量结果；对于离子溶液需要用笔式电导率仪测量其电导率。
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