電導率傳感器的微型化改進及其實驗

姚翔

摘要：對威尼爾電導率傳感器進行微型化實驗改造，彌補電導率傳感器無法測定高溫下電導率及其他缺陷。在高中化學中引入此方法可以擴大電導率實驗的范圍及內容，培養學生的實驗能力、創造力，提高學生的信息技術水平。

關鍵詞：傳感器技術;實驗改進;導電性;實驗探究

文章編號：1008-0546（2020）03-0092-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.026

一、問題提出

導電率，物理學概念，也可以稱為電導率。在介質中該量與電場強度E之積等于傳導電流密度J。對于各向同性介質，電導率是標量;對于各向異性介質，電導率是張量。生態學中，電導率是以數字表示的溶液傳導電流的能力。單位以西門子每米（ S/m）表示。在化學上，電導率?？捎糜谶M行強弱電解質、強酸弱酸等的判別。以前常將導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電能力強弱。在傳感器技術日趨成熟的今天，我們可以使用電導率傳感器將強弱電解質以更簡潔明了的方式呈現給學生。但現今的電導率傳感器仍有不少使用條件，如需要使用的液體量較大等，導致該傳感器實際的課堂使用率依舊不高。

二、改進方法

1.電導率傳感器的介紹及工作原理…

電導率傳感器（型號：CON-BTA或CON-DIN）是測量溶液中電荷流動難易程度的傳感器，量程分為低、中、高三個等級，分別為0-200μS/cm、0-2000μS/cm、0-20000μS/cm，精度為±1%，常用于強酸和弱酸的區別、利用由離子的生成或消耗導致的電導率的變化來監測化學反應速率、電解質溶液與非電解質溶液的區別、驗證水溶液中的電導率和離子濃度之間的關系等。

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

圖1為威尼爾電導率傳感器的內部芯片構造圖。

2.改進背景

威尼爾的電導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現該傳感器在使用時需要的溶液量較大，如果需要在課堂中測定多種不同溶液的電解質時，先期準備及重復清洗花費時間較長。且由于為塑料筆式探頭的設計，導致該傳感器無法測定高溫下液體的電導率。在經過一段時間的思索和對電導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線處，用導線的一端焊在芯片上，做出一個并聯電路，如圖2所示。經此改動后，極大地擴充了使用該儀器進行電導率實驗的范圍和內容。

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）是一個用來測量高溫的傳感器，量程為-200-1400℃，在O℃時其精度為±2.2℃，在1400℃時其精度為+15℃。常用于進行以下實驗：研究火焰不同位置的溫度、實驗室測定銅等固體的熔點、測量干冰或液態空氣的溫度等。

熱電偶溫度傳感器是將不同材質的兩根金屬絲的末端連接在一起構成一個閉合回路，當兩個結點處的溫度不同時，兩個金屬絲構成的閉合回路中將產生一個電動勢（塞貝克電壓），該電動勢的方向和大小與金屬絲的材料及兩個結點的溫度有關。因此，熱電偶溫度傳感器的原理是通過數據采集器記錄兩根金屬絲構成的閉合回路的電動勢，再通過函數關系將電動勢轉換成溫度，也就是末端連結點的溫度。

三、相關實驗改進

1.判斷固體硝酸鉀，蔗糖的電導率

（1）實驗儀器及試劑

實驗儀器（如圖3所示）：

電導率傳感器（經改造），高溫溫度傳感器，數據采集器（均為Vernier公司產），筆記本電腦，30mm口徑試管，橡皮塞，酒精燈，導線

實驗試劑：硝酸鉀（分析純），蔗糖（分析純）

（2）實驗步驟

①按照圖3連接好裝置，在試管中加入硝酸鉀固體，設置好采集頻率、采集時間。

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

③一段時間后，移開酒精燈（移開酒精燈的時間點即為圖4中溫度的折返點）。

④待溫度下降，硝酸鉀重新凝固后，結束采集。

⑤將硝酸鉀換成蔗糖，重復上述實驗。

（3）實驗數據圖

圖4表明，對于硝酸鉀，在超過4000C時即開始迅速轉化為熔融狀態，此時硝酸鉀由于已經處于熔融狀態，產生了能自由移動的離子，使其電導率迅速上升;離子化合物在完全熔融后繼續加熱，液體的電導率變化不大;溫度降低后，熔融硝酸鉀冷凝，陰陽離子重新結合為牢固的離子晶體化合物，電導率驟降。

圖5表明，蔗糖屬于分子晶體，在固態及熔融狀態下均無自由移動的離子，因此熔融時亦無導電性。

（4）實驗優點及不足

將該實驗使用傳感器進行演示后，可以更直觀觀測到電導率的變化情況，并可讓學生對熔融狀態下有自由移動的離子后才能導電有了更明顯的認識。此實驗復現性高，效果明顯。實驗中若使用更小的試管（14mm口徑）進行實驗則可大大加快實驗速度。

2.液體的導電性探究

（1）實驗儀器及試劑

實驗儀器（如圖6所示）：

電導率傳感器（經改造），數據采集器，威尼爾滴數傳感器配套滴液器（均為Vernier公司產），筆記本電腦，自制雙股套管銅絲（部分裸露）

實驗試劑：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）實驗步驟

①按照圖6連接好裝置，在滴液器中加入蒸餾水，調整好滴速（觀察到液體自銅絲彎口裸露處滴下），設置好軟件采集頻率、采集時間。

②打開滴液器開關，點擊電腦屏幕上的“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，觀察屏幕電導率的變化。

④待軟件上電導率復位后，用其他待測液重復進行實驗。

（3）實驗數據圖

（4）實驗裝置優劣及進一步改進

該實驗在進行如下改進后，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率有明顯的突躍，之后由于滴液管中水流的作用，電解質溶液隨之滴下，電導率趨于緩和，整個過程10秒鐘左右。具有簡單快速的優點，圖中6個實驗樣品在1分鐘內就可以檢驗完畢，并且可以讓學生直觀地感受到強弱電解質導電性之間的區別，而該實驗在前期準備上較為繁瑣，裝置體量也較大，因此可以更近一步進行微型化改進：

改進后將流水沖洗接液處改為手動用蒸餾水沖洗，使實驗裝置更顯簡潔，用該套裝置完成的電導率測試圖如下所示（實驗步驟大體如之前所示）：

對裝置進行改進后操作量相對大了些導致進行實驗所需時間有點加長，但仍在可接受范圍內，圖像上亦可較為直觀地感受到不同溶液的導電率情況。

四、實驗注意事項

通過改進，實驗裝置（圖2）可以測定許多其他熔融化合物的導電率，方法簡單易行，效果明顯，在實驗過程中應該注意如下問題：

（1）選用化合物時應選用不易在熔融狀態下易分解的物質，如銨鹽、有機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超過500℃的物質需酒精噴燈或丁烷燈。

（3）本實驗裝置不需要氣密性檢驗，且不可塞緊橡皮塞否則有可能導致試管內部氣壓過大引起危險。

五、總結

威尼爾的電導率傳感器是一款十分好用的儀器，進行此番改進以后，可以做許多與電導率有關的實驗，筆者在此僅提供一個簡單例子。在此，歡迎大家集思廣益，創造出更多微型化、便攜化的導電率實驗裝置。

參考文獻

[1]馬宏佳.化學數字化實驗的理論與實踐[M].北京：人民教育出版社，2016：119-120，124-125