電導(dǎo)率傳感器的微型化改進(jìn)及其實(shí)驗(yàn)

姚翔

摘要：對(duì)威尼爾電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行微型化實(shí)驗(yàn)改造，彌補(bǔ)電導(dǎo)率傳感器無法測定高溫下電導(dǎo)率及其他缺陷。在高中化學(xué)中引入此方法可以擴(kuò)大電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)的范圍及內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?chuàng)造力，提高學(xué)生的信息技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù);實(shí)驗(yàn)改進(jìn);導(dǎo)電性;實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1008-0546（2020）03-0092-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.026

一、問題提出

導(dǎo)電率，物理學(xué)概念，也可以稱為電導(dǎo)率。在介質(zhì)中該量與電場強(qiáng)度E之積等于傳導(dǎo)電流密度J。對(duì)于各向同性介質(zhì)，電導(dǎo)率是標(biāo)量;對(duì)于各向異性介質(zhì)，電導(dǎo)率是張量。生態(tài)學(xué)中，電導(dǎo)率是以數(shù)字表示的溶液傳導(dǎo)電流的能力。單位以西門子每米（ S/m）表示。在化學(xué)上，電導(dǎo)率常可用于進(jìn)行強(qiáng)弱電解質(zhì)、強(qiáng)酸弱酸等的判別。以前常將導(dǎo)線兩端伸人溶液中形成閉合回路，通過觀察回路中小燈的明亮程度判斷溶液導(dǎo)電能力強(qiáng)弱。在傳感器技術(shù)日趨成熟的今天，我們可以使用電導(dǎo)率傳感器將強(qiáng)弱電解質(zhì)以更簡潔明了的方式呈現(xiàn)給學(xué)生。但現(xiàn)今的電導(dǎo)率傳感器仍有不少使用條件，如需要使用的液體量較大等，導(dǎo)致該傳感器實(shí)際的課堂使用率依舊不高。

二、改進(jìn)方法

1.電導(dǎo)率傳感器的介紹及工作原理…

電導(dǎo)率傳感器（型號(hào)：CON-BTA或CON-DIN）是測量溶液中電荷流動(dòng)難易程度的傳感器，量程分為低、中、高三個(gè)等級(jí)，分別為0-200μS/cm、0-2000μS/cm、0-20000μS/cm，精度為±1%，常用于強(qiáng)酸和弱酸的區(qū)別、利用由離子的生成或消耗導(dǎo)致的電導(dǎo)率的變化來監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)速率、電解質(zhì)溶液與非電解質(zhì)溶液的區(qū)別、驗(yàn)證水溶液中的電導(dǎo)率和離子濃度之間的關(guān)系等。

電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率指相距1m，面積為1m2的兩個(gè)平行電極之間充滿電解質(zhì)溶液時(shí)的電導(dǎo)。電導(dǎo)率傳感器通過測量電極之間的電壓來測量溶液的導(dǎo)電的能力。在溶液中，因離子的移動(dòng)而導(dǎo)電，所以，溶液離子濃度越高，導(dǎo)電能力越大。

圖1為威尼爾電導(dǎo)率傳感器的內(nèi)部芯片構(gòu)造圖。

2.改進(jìn)背景

威尼爾的電導(dǎo)率傳感器本身作為一款筆式傳感器，較為便捷。但筆者在使用過程中發(fā)現(xiàn)該傳感器在使用時(shí)需要的溶液量較大，如果需要在課堂中測定多種不同溶液的電解質(zhì)時(shí)，先期準(zhǔn)備及重復(fù)清洗花費(fèi)時(shí)間較長。且由于為塑料筆式探頭的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致該傳感器無法測定高溫下液體的電導(dǎo)率。在經(jīng)過一段時(shí)間的思索和對(duì)電導(dǎo)率傳感器原理的探析，筆者在其芯片和筆頭傳感器的連接導(dǎo)線處，用導(dǎo)線的一端焊在芯片上，做出一個(gè)并聯(lián)電路，如圖2所示。經(jīng)此改動(dòng)后，極大地?cái)U(kuò)充了使用該儀器進(jìn)行電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)的范圍和內(nèi)容。

3.熱電偶傳感器的介紹及工作原理

熱電偶溫度傳感器（TCA-BTA）是一個(gè)用來測量高溫的傳感器，量程為-200-1400℃，在O℃時(shí)其精度為±2.2℃，在1400℃時(shí)其精度為+15℃。常用于進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：研究火焰不同位置的溫度、實(shí)驗(yàn)室測定銅等固體的熔點(diǎn)、測量干冰或液態(tài)空氣的溫度等。

熱電偶溫度傳感器是將不同材質(zhì)的兩根金屬絲的末端連接在一起構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，兩個(gè)金屬絲構(gòu)成的閉合回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢（塞貝克電壓），該電動(dòng)勢的方向和大小與金屬絲的材料及兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)。因此，熱電偶溫度傳感器的原理是通過數(shù)據(jù)采集器記錄兩根金屬絲構(gòu)成的閉合回路的電動(dòng)勢，再通過函數(shù)關(guān)系將電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換成溫度，也就是末端連結(jié)點(diǎn)的溫度。

三、相關(guān)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.判斷固體硝酸鉀，蔗糖的電導(dǎo)率

（1）實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器（如圖3所示）：

電導(dǎo)率傳感器（經(jīng)改造），高溫溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器（均為Vernier公司產(chǎn)），筆記本電腦，30mm口徑試管，橡皮塞，酒精燈，導(dǎo)線

實(shí)驗(yàn)試劑：硝酸鉀（分析純），蔗糖（分析純）

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

①按照?qǐng)D3連接好裝置，在試管中加入硝酸鉀固體，設(shè)置好采集頻率、采集時(shí)間。

②點(diǎn)燃酒精燈后，點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

③一段時(shí)間后，移開酒精燈（移開酒精燈的時(shí)間點(diǎn)即為圖4中溫度的折返點(diǎn)）。

④待溫度下降，硝酸鉀重新凝固后，結(jié)束采集。

⑤將硝酸鉀換成蔗糖，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

圖4表明，對(duì)于硝酸鉀，在超過4000C時(shí)即開始迅速轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，此時(shí)硝酸鉀由于已經(jīng)處于熔融狀態(tài)，產(chǎn)生了能自由移動(dòng)的離子，使其電導(dǎo)率迅速上升;離子化合物在完全熔融后繼續(xù)加熱，液體的電導(dǎo)率變化不大;溫度降低后，熔融硝酸鉀冷凝，陰陽離子重新結(jié)合為牢固的離子晶體化合物，電導(dǎo)率驟降。

圖5表明，蔗糖屬于分子晶體，在固態(tài)及熔融狀態(tài)下均無自由移動(dòng)的離子，因此熔融時(shí)亦無導(dǎo)電性。

（4）實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)及不足

將該實(shí)驗(yàn)使用傳感器進(jìn)行演示后，可以更直觀觀測到電導(dǎo)率的變化情況，并可讓學(xué)生對(duì)熔融狀態(tài)下有自由移動(dòng)的離子后才能導(dǎo)電有了更明顯的認(rèn)識(shí)。此實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)性高，效果明顯。實(shí)驗(yàn)中若使用更小的試管（14mm口徑）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)則可大大加快實(shí)驗(yàn)速度。

2.液體的導(dǎo)電性探究

（1）實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器（如圖6所示）：

電導(dǎo)率傳感器（經(jīng)改造），數(shù)據(jù)采集器，威尼爾滴數(shù)傳感器配套滴液器（均為Vernier公司產(chǎn)），筆記本電腦，自制雙股套管銅絲（部分裸露）

實(shí)驗(yàn)試劑：O.lmol/L醋酸溶液，O.lmol/L鹽酸，O.lmol/L氫氧化鈉溶液，O.lmol/L氨水，蔗糖溶液，酒精（均為60mL滴瓶）。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

①按照?qǐng)D6連接好裝置，在滴液器中加入蒸餾水，調(diào)整好滴速（觀察到液體自銅絲彎口裸露處滴下），設(shè)置好軟件采集頻率、采集時(shí)間。

②打開滴液器開關(guān)，點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

③在裸露銅絲處滴人一滴待測液，觀察屏幕電導(dǎo)率的變化。

④待軟件上電導(dǎo)率復(fù)位后，用其他待測液重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

（4）實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)劣及進(jìn)一步改進(jìn)

該實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行如下改進(jìn)后，利用水的張力使待測液停留在裸露銅絲處，在裸露銅絲處滴加待測液能看到電導(dǎo)率有明顯的突躍，之后由于滴液管中水流的作用，電解質(zhì)溶液隨之滴下，電導(dǎo)率趨于緩和，整個(gè)過程10秒鐘左右。具有簡單快速的優(yōu)點(diǎn)，圖中6個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品在1分鐘內(nèi)就可以檢驗(yàn)完畢，并且可以讓學(xué)生直觀地感受到強(qiáng)弱電解質(zhì)導(dǎo)電性之間的區(qū)別，而該實(shí)驗(yàn)在前期準(zhǔn)備上較為繁瑣，裝置體量也較大，因此可以更近一步進(jìn)行微型化改進(jìn)：

改進(jìn)后將流水沖洗接液處改為手動(dòng)用蒸餾水沖洗，使實(shí)驗(yàn)裝置更顯簡潔，用該套裝置完成的電導(dǎo)率測試圖如下所示（實(shí)驗(yàn)步驟大體如之前所示）：

對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)后操作量相對(duì)大了些導(dǎo)致進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間有點(diǎn)加長，但仍在可接受范圍內(nèi)，圖像上亦可較為直觀地感受到不同溶液的導(dǎo)電率情況。

四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

通過改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）可以測定許多其他熔融化合物的導(dǎo)電率，方法簡單易行，效果明顯，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該注意如下問題：

（1）選用化合物時(shí)應(yīng)選用不易在熔融狀態(tài)下易分解的物質(zhì)，如銨鹽、有機(jī)酸鹽以及非活性的金屬氧化物。

（2）酒精燈燃燒溫度為500℃，如果選用氯化鈉等熔點(diǎn)超過500℃的物質(zhì)需酒精噴燈或丁烷燈。

（3）本實(shí)驗(yàn)裝置不需要?dú)饷苄詸z驗(yàn)，且不可塞緊橡皮塞否則有可能導(dǎo)致試管內(nèi)部氣壓過大引起危險(xiǎn)。

五、總結(jié)

威尼爾的電導(dǎo)率傳感器是一款十分好用的儀器，進(jìn)行此番改進(jìn)以后，可以做許多與電導(dǎo)率有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，筆者在此僅提供一個(gè)簡單例子。在此，歡迎大家集思廣益，創(chuàng)造出更多微型化、便攜化的導(dǎo)電率實(shí)驗(yàn)裝置。

參考文獻(xiàn)

[1]馬宏佳.化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的理論與實(shí)踐[M].北京：人民教育出版社，2016：119-120，124-125