电导表的使用与校验.pptx

2012-8-2,#,电导率仪的使用和检验,广东电网公司电力科学研究院,魏增福,目 录,1,电导率仪的基本原理,2,传感器及测量原理,3,影响电导率测量的因素,4,电导率仪的电路组成,5,电导率仪的校验,6,电导率仪使用中的一些问题,1,电导率仪的基本原理,能导电的物体称为导体，可分为两类：,第一类导体,固体（金属、石墨等），靠自由电子的运动导电，随着温度升高，导电能力降低。,第二类导体,液体（电解质溶液或熔融状态的电解质），靠离子在电场作用下的定向迁移导电，随着温度升高，导电能力增大。,通常用,电导率,这个物理量来表示,第二类导体,的导电能力。,电解质溶液与电导率,电解质溶解在溶剂中（通常是水）会产生电离。强电解质是完全电离，如,HCl,，,NaOH,，,NaCl,等，它们在水溶液中以离子的形式存在；弱电解质则是部分电离，溶液中既有离子也有分子（分子不导电），电离达到一定的平衡为止，如,HAc,，,NH,3,H,2,O,等。,电解质水溶液的导电能力即电导率，与溶液中所含离子的活度有关，活度则与浓度有关。,活度摩尔浓度,活度系数,由于离子间的牵制作用，浓度越大时活度系数就越小。当电解质溶液的离子浓度很低时称为无限稀释溶液，此时活度系数就接近于,1,，离子浓度就等同于活度。,电导率在电厂水汽监督的应用基本都在无限稀释溶液的范围内。,电导率还与离子的种类有关，因为不同离子的化合价不同，即所带的电荷数不同，且同价离子的导电能力也不同。因此，要使电导率与溶液的离子浓度有比例关系，必须有一定的条件。,在离子种类相对稳定的无限稀释溶液中，电导率与溶液的离子浓度有一定的比例关系（浓度是指各种离子浓度的总和），浓度越低，电导率越小。,理论上的纯水几乎是不导电的。由于水本身也能电离出微量的,H,+,和,OH,-,。,测量目的,电导率仪表是通过测量电阻的方法来达到获知电解质溶液电导率的目的，从而知道该溶液所含离子的总量。,2,传感器及测量原理,测量传感器,测量传感器（电极）由两块金属极板组成，极板置于电解质水溶液中，构成电导池（在线电导率仪表的电极，一般做成内、外两个圆筒的形式）。向两极板施加一定的电压，测量电流，得到电导池的电阻。,U,I,R,图,2-1,电导池原理,电阻与电阻率,一段导线，它的电阻,R,、电阻率,、导线面积,A,和导线长度,L,之间的关系是：,电阻与电阻率和导体长度成正比，与导体面积成反比。电阻率,是导体材料决定的，比如，铜的,比铝的,小，因此相同面积、相同长度的铜导线和铝导线相比，铜导线的电阻小，导电性能好。,电导与电导率,对于水溶液，我们用电导率,k,来表达它的导电能力，它是,的倒数；而电导池的电导为,G,，是电阻,R,的倒数。,当极板的几何尺寸固定后，两极板的距离,L,与面积,A,之比,L/A,，我们称为电极常数,J,，上式整理后,式中，,J,电极常数，,cm,-1,；,G,电导，,S,；,k,电导率，,S/cm,。,仪表测得电导池的电阻值，在已知电极常数的情况下，就可将数据转换成我们所需要的溶液电导率。举例如下：,电极常数的检验方法常用的有：标准溶液法、标准电导法和替代法三种。,用标准电极法来检测一支电极的电极常数，测试数值如下：标准电极常数,J1,0.1cm,-1,，采用标准电极测量溶液电导,G1,2.4S,，换用被检电极测量上述溶液时的电导,G2,20S,，求被检电极的电极常数,Jx,？,答：,Jx=J1G1/G2=,（,0.1,2.4,）,20=0.012 cm,-1,3,影响电导率测量的因素,3.1,电极极化的影响,由于给电极外加了电压，当电流通过电极时，溶液中的正、负离子分别向两极迁移，正离子在阴极表面获得电子，发生了还原反应；负离子在阳极表面失去电子发生了氧化反应。由此产生了两种极化现象。,第一种，浓差极化。由于两极板附近液层中离子被消耗而使数量相对减少，溶液中离子浓度不均匀，离子朝着浓度低的方向迅速扩散而产生了内电场，这种现象称为浓差极化。浓差极化所产生的内电场称为浓差电势，它与外电场方向相反，起降低电源电压的作用，相当于增大了溶液的电阻，给测量带来误差。,第二种，化学极化。由于发生了氧化,还原反应，其结果是一个电极上析出金属，另一个电极上析出氧化物或气体，也就是电解现象。电解产物附着在电极上形成了原电池，其电动势也是与外加电场方向相反，同样相当于增大了溶液的电阻，引起测量误差。,解决办法：采用交流电源作为电导池的电源。,无论是浓差极化还是化学极化，都产生了与外加电场方向相反的电动势。采用交流电源后，由于电流的方向不断改变使电极阴、阳极性不断变换，避免了电极附近离子浓度的改变和电极上电解产物的析出，可极大地消除极化给测量带来的误差。,3.2,极间电容的影响,由于以上原因采用了交流电作为电导池的电源，又引入了新的问题。采用了交流电源，则电导池就不是纯电阻了，而是含有电阻和电容的阻抗，偏离了我们所要测量的溶液电阻，同样造成测量误差。,电导池的等效电路如图。其中,R,1,、,R,2,是极化电阻；,C,1,、,C,2,分别是极板,1,和极板,2,与溶液间的双电层电容，也称表面微分电容；,R,X,是溶液电阻；,C,0,是两极板间的电解质电容以及连接电缆的分布电容之和。,图,2-2,电导池的交流等效电路,A,R,1,R,2,R,X,C,2,C,0,C,1,A,B,B,在图中，,R,X,才是我们想要的被测量，其他的电阻、电容则是测量过程中无法忽略的干扰量。电容容抗的计算公式为：,式中，,f,电源频率，,Hz,；,C,电容，法拉。,C,0,A,R,1,R,2,R,X,C,2,C,1,B,在,A,、,B,两端加上交流电源时，电源频率越高，,C,1,、,C,2,的容抗越小，当其容抗足够小的时候，,R,1,、,R,2,几乎被短路，极化电阻可以忽略不计，消除了极化的影响。但是，频率越高，,C,0,的容抗也越小，它与溶液电阻,R,X,并联，使,A,、,B,两端总的阻抗减小，测量值偏小。,A,R,X,B,C,0,解决办法：采用合适频率的交流电源；电极与仪表的连接电缆控制在适当的长度内并在电路中进行电容补偿。,测量低电导率的水样时，,R,X,较大，与它串联的极化电阻,R,1,、,R,2,影响较小，与它并联的,C,0,分流的影响较大，要采用频率较低的交流电源；,A,R,1,R,2,R,X,B,R,X,R,1,+R,2,测量电导率较大的水样时，,R,X,较小，与它串联的极化电阻,R,1,、,R,2,的影响是主要的，,C,0,的影响较小，要采用频率较高的交流电源。,A,R,X,B,C,0,X,C0,R,X,实验室电导率仪，若设有高、低频率切换开关，可根据水样电导率所在的范围选择电源频率。,对于在线电导率仪表，一般采用固定的合适频率。为使电导,G,在一定的范围内，对不同的水样配不同的电极。用于测量电导率小的水样，就配电极常数,J,较小的电极；水样的电导率较大时，就配,J,较大的电极。,常用的测量范围与电极常数的对应关系如下：,电导率,k,常数,J,电导,G,R,X,0.05,0.2S/cm,0.01,5,20S,50k,200k,0.2,2S/cm,0.01,20,200S,5k,50k,2,20S/cm,0.1,20,200S,5k,50k,20,200S/cm,1,20,200S,5k,50k,只要用于测量,0.2S/cm,以上的水样，对应的,R,X,都在,5k,50k,之间，测量,0.05S/cm,（小于超纯水）时才达到,200k,。,3.3,溶液温度的影响,随着温度的升高，溶液的粘度减小，离子在移动扩散时受到水分子的阻力减小，使离子迁移速度加快，因而使溶液的电导率增大；反之，温度下降使溶液的电导率减小。电导率还与电解质在水中的离解度以及水本身的离解度等因素有关，情况比较复杂。,在无限稀释溶液中，电导率与温度的关系可近似表示为：,式中，,t,溶液温度，；,t,0,基准温度，,25,；,k,t,溶液温度为,t,时的电导率，,S/cm,；,k,t0,溶液温度为,t,0,时的电导率，,S/cm,；,电导率温度系数。,电导率受温度的影响很大，一般情况下：,（,1,）盐类溶液的,在,0.02,0.025,之间；,（,2,）酸碱类溶液的,在,0.015,0.02,之间；,（,3,）纯水的,在,0.02,0.06,之间。,解决方法：在仪表中设置温度补偿电路（电极有温度检测探头）。,电导率仪都有温度补偿功能（除早期的实验室仪表外），使用中要设置补偿系数。很多仪表都设了缺省值,0.02,。但需要指出的是，不仅不同溶液的电导率温度系数不同，同一溶液的电导率温度系数在不同的温度段也不同，,不是线性的。因此，给仪表设置固定的温度补偿系数的不能做到完全补偿。,选用具有非线性自动温度补偿功能的电导率仪表，温度补偿的效果会更好。这种温补称为自然温补。如,ORION 130A,便携式电导率仪中温补系数的“,tc nlf”,档，该仪表中已储存了各温度、各电导率下的温度系数，仪表根据所测量的电导率和温度，测量时自动选取相应的温度补偿系数。目前某些在线电导率仪表也具有非线性自动温度补偿功能。,无论用线性还是非线性补偿，一定要开启温补功能。,3.4,可溶性气体的影响,电导率测量过程中，常伴随有溶液中溶解了某些气体的现象，如氨气，二氧化碳等。,氨气溶于水成为弱碱性溶液，二氧化碳溶于水成为弱酸性溶液。由于增加了导电的离子，使溶液的电导率增大。对于低电导率的水样，这种气体的影响能使电导率增加几倍甚至几十倍。,解决方法：,a,）采用动态连续测量的方法，避免空气中二氧化碳溶解于水样；,b,）用离子交换技术除氨，在电导池前面串接阳树脂交换柱；,c,）用加热沸腾的方法进行除气。,前两种方法已普遍采用，第三种方法应用较少。部分电厂有加热除气装置,。,氢电导率测量的意义,连续测量火力发电机组水汽系统水、汽中有害杂质，是保证大型火力发电机组安全经济运行的主要手段之一。氢电导率测量是被测水样经过氢型阳离子交换树脂，将阳离子去除，水样中仅留下阴离子（如,Cl,-,SO,4,2-,PO,4,3-,NO,3,-,HCO,3,2-,和,F,-,）和相应的氢离子，而水中的氢氧根离子则与氢离子中和消耗掉，不在电导中反映。,因此测量氢电导率可直接反映水中杂质阴离子的总量。假设某种离子占主导，则可以从氢电导率估算这种离子最大浓度。例如，设水样中其他阴离子浓度为零，可根据氢电导率估算出水中,Cl-,的最大浓度。,测量氢电导率时，阳离子交换数值失效，会使测量值,（偏高）,。,氢电导率测量的意义,4,电导率仪表的电路组成,早期的仪表由很多分立元件组成，用指针式表头显示，电路比较复杂。当今的仪表由集成块组成，数字显示，智能型仪表还具有微电脑处理功能。,电导率仪表主要由信号转换、信号放大、温度补偿、方波振荡（施密特电路）、模数转换、数据处理、显示,/,输入、信号输出等部分组成。,图,2-3,智能,电导率仪表的组成,信号转换,方波振荡,信号放大,显示,输入,数据处理,电导池,输出,电导信号,4,20mA,温度信号,模数转换,数模转换,温度检测,4.1,信号转换,信号转换是仪表的第一级（输入级）电路。电导率仪的输入级一般采用分压式电路，早期的仪表还有采用电桥式的。分压式电路的原理是：,R,i,R,X,I,U,i,U,当,R,X,R,i,时，,式中，,U,、,J,和,R,i,是固定常数，放大器输入电压,U,i,与电导率,k,成正比。,4.2,方波振荡,方波振荡电路也称施密特电路，就是方波发生器，属于数字电路的范畴。它供给电导池一定频率的交变电源。,4.3,温补电路,温补电路由热敏电阻和它的测量电路组成。热敏电阻多采用,P,t,100,，一般安装在内电极里，用绝缘材料与内电极隔离。,4.4,模数转换和数模转换,模数转换电路（,ADC,）是将放大后的电压转换成,N,位二进制数字量送给微电脑处理器。早期用分立元件组成的电路很复杂，现今采用集成块。模数转换有积分法和逐次逼近法等等。,ADC,的位数决定了二次仪表的分辨率，影响仪表的精度。位数越高分辨率就越高。,模数转换和数模转换,数模转换电路（,DAC,）是将与显示值所对应的数字量转换成模拟量,4,20mA,电流信号，此信号供给外部数据采集用。显示值与输出电流的关系取决于输出量程的设定。,4.5,单片机,智能型仪表是具有单片机电路的仪表，可进行数据处理和人机对话，通过键盘和菜单可设定电极常数、电流输出对应的量程、温度补偿系数和模式等等。单片机一般由微处理器（,CPU,）、数据存储器（,RAM,或,E,2,PROM,）、程序存储器（,ROM,或,EPROM,）和,I/O,接口电路（显示、键盘）等组成。随着电子集成程度的提高，目前嵌入式单片机（,ARV,）的,CPU,、,RAM,、,EPROM,、,I/O,接口都可做在一片集成块上，甚至于连模数转换电路也集成在一起，如,8535,芯片。,随着电子集成程度的提高，目前嵌入式单片机（,ARV,）的,CPU,、,RAM,、,EPROM,、,I/O,接口都可做在一片集成块上，甚至于连模数转换电路也集成在一起，如,8535,芯片。,4.6,显示和键盘,显示和键盘分别是智能型仪表单片机的输出和输入。显示部分可采用,LED,数码管或液晶显示屏。目前多采用液晶显示屏，有的还带背景光源，有的仪表还采用彩色液晶，有的甚至采用触摸屏。键盘有薄膜按键或触摸键。,5,电导率仪表的校验,式中，,R,X,等效电阻，,k,；,J,电极常数，,cm,-1,；,k,L,电导率理论值，,S/cm,。,5.1,二次表的准确度校验,二次表的校验就是用电阻箱代替电导池向仪表输入电阻信号。输入的等效电阻值与电导率显示值的关系按下式计算：,二次表的校验一般校,3,至,5,点，对于多档的仪表，每档至少校,3,点。每点分别记录仪表的示值，计算其引用误差，取最大值作为二次表的引用误差：,式中，,k,S,被检表示值，,S/cm,；,k,L,电导率理论值，,S/cm,；,M,量程最大值，,S/cm,。,校验中的注意事项,a,）用作电导率标准信号的电阻箱要用,0.1,级交流电阻箱，因为工作电源是交流电，而直流电阻箱与交流电阻箱的电阻绕法是不同的，若用直流电阻箱，绕线电阻会产生电感，感抗会造成信号的误差。,b,）校验前可先进行校准（进入校准菜单）。有的仪表零点不可调，只需做量程上限的单点校准；具有两点校准的仪表，还要做零点校准，将电阻箱的接线解开一根，即为零点（,R,X,）。,校验中的注意事项,c,）温度电阻可用直流电阻箱作标准信号，输入对应,25,的阻值。对仪表情况熟悉时，也可采用不接温度电阻箱，先取。但此项校验完成后一定要及时恢复温度补偿的设定。消温度补偿功能或设定温补系数为,0,的办法,校验中的注意事项,d,）为了便于计算等效电阻，最好将电极常数,J,先改为标称值，校验完成后再改回原来的值。,如，,J=0.0098,，校验时先改为,0.01,。很多电导率表（尤其是进口表）的电极常数设定由两部分组成，一个设标称值，另一个设系数，标称值乘以系数就是电极常数。比如，电极常数,0.102,，标称值设为,0.1,，系数设为,1.02,。此时，只需将系数先改为,1.00,即可。,5.2,整机准确度校验,DL/677,规程中对整机准确度校验有标准溶液法和水样流动法两种。用于电厂水汽监测的电导率仪表量程都比较小，而配制的,KCl,标准溶液电导率却比较大，且要保持在,25,也不易实现。因此，比较适合的方法是水样法，流动和不流动均可。流动法要注意控制流量；不流动则要保证处于同一杯水样中标准表电极和被测表电极所感应的温度稳定后再读数，最好两电极处于同一高度。,整机,基本误差的计算方法与,2.5.1,的二次表引用误差基本相同，只是电导率理论值变成标准表示值,。,整机校验一定要检查零点，在接近量程满度和半刻度处各校一点。校验前可先校准。整机校准最好采用修正电极常数的方法来实现。因为仪表死机时有可能使电极常数回到缺省值，此时只需将上回记录的电极常数输入即可。,电导率计量标准器具涵盖的范围为（电导率标准溶液）和（标准交流电阻箱）。,按照,DL/T677,的规定，电导率仪表的检验项目包括。,1.,仪表级别、基本误差与温度补偿附加误差、电极常数误差；,2.,二次仪表的引用误差、重复性与稳定性；,6,电导率仪表使用中的一些问题,a,）二次表与电极的连接电缆不可随意用其他电缆转接延长，要根据需要在订货时提出所需长度。原因是电缆长度的增加会使前面所说的分布电容增大。仪表出厂调试时，对分布电容已做了适当的补偿，随后再增加电缆长度将影响仪表的准确性，尤其对低电导率的测量影响较大。,b,）电极污染会影响测量的准确性。原因是污染物在内外电极间会形成通路，相当于在,R,X,两端并联了一个电阻。因此要经常清洗水样污染较为严重的测点的电导率电极，特别提醒注意清洗内外电极间的绝缘层。,c,）尽量不要让电极泡在强碱性水样中，如混床出口电导率仪不要让再生碱液进入电极。偶然进入，要尽快清洗干净。原因是内外电极间的绝缘层材料有可能因受到碱的浸泡而脆化，产生裂纹，裂纹中沉积的物质同样在内外电极间形成通路，严重影响仪表的准确性,。,在线电导率表测量池出水水位偏低，导致电导电极不能完全浸泡在水样中，会使测量结果（,偏低,）。,d,）纯水的电导率只能由在线连续流动的方法来测量，不能手工取样后静态测量，更不能拿静态测量值来质疑在线表的测量值。原因是空气中二氧化碳对纯水电导率的静态测量影响极大。当对在线表有疑问时，可将试验室表拿到就地，电极放入测量杯，连接一段取样管插到测量杯底部，让水样不断溢流，此时测量值可用来比对在线表,。,对于测量水样电导率值小于,0.3,S/cm,的电导率表，应采用（,A,）法进行整机工作误差的检验。,A,水样流动,B,标准溶液,C,二次仪表检验,e,）测量过氢电导率的意义在于去除阳离子，测量水样中的阴离子总数的多少。,但如果氢交换柱失效了而未及时更换树脂，电导率骤然增大，就失去了测量的意义。,变色树脂和透明的交换柱是监视树脂是否失效的最好方法。如果没有变色树脂，至少也要采用透明的交换柱，便于观察。,f,）酸碱浓度计是电导率仪表的一种，只是电极常数较大。不同的厂家所用的电极不同，电极常数的范围在,2cm,-1,到,50cm,-1,不等。用溶液校对时，碱标准液（,NaOH,）一定要现用现配，而且要在短时间内完成，否则二氧化碳对碱标准液的影响很大。,Thanks For Your Attention,！,