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      博取儀器掌握水質監測核心技術

      酸度計和電導率儀溫度補償器的原理和作用

      酸度計和電導率儀是廣泛應用于科學實驗、環境監測和生產環節的一種常用科學分析儀器。酸度計和電導率儀的使用和檢定都離不開各自使用的溶液,而溶液的 pH 值和電導率都與溫度密切相關,當溫度發生變化時,pH 值和電導率會發生不同變化。在計量檢定過程中我們發現對兩種儀器溫度補償器的正確使用對測量結果有較大影響,而且部分儀器使用者,因對溫度補償器的原理和兩者之間的區別理解不正確,使用不當,造成測得數據不準確,所以正確理解溫度補償器的原理和區別是至關重要的。

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      一、酸度計和電導率儀溫度補償器的原理和作用
        1、酸度計溫度補償器的原理和作用
        在酸度計計量檢定和使用中,我們發現 pH 值測量不準確的原因主要是未能正確使用溫度補償器造成的。下面就介紹一下酸度計溫度補償器的原理、對 pH示值的影響和產生問題的原因。對于酸度計來說,不同溶液的 pH 值的溫度系數差別很大, 要將不同溫度下的 pH 值折算到 25℃時的 pH 值是非常困難的, 也沒有必要。所以酸度計的溫度補償器是將其電極在標定溫度下得到的轉換系數按能斯特公式換算到當前溫度下的轉換系數,從而得到當前溫度下的 pH 值。其中酸度計是用電位相對測量法來測定溶液 pH 值的,其理論依據來自于能斯特方程式:
        通過對一臺 PHS-3C 型號酸度計在 25℃條件下使用標準緩沖液校準后,對同一溶液在不同溫度下的 pH 值進行測量實驗,得到結果如下:
        由此表可看出溫度補償器固定在 25℃條件下時(即不啟動酸度計的溫度補償器時),測量溶液的 mv 值是不隨著溫度變化而變化的,酸度計測得的 pH 值也永遠是標定溫度下的 pH 值;當酸度計啟動溫度補償器時,測量溶液的 mv 值同樣是不隨著溫度變化而變化的,但是測得的 pH 值是隨溫度的改變而變化的。根據實驗數據我們可以發現,隨著溶液溫度的改變,由于溶液的 mV 值是不隨溫度的變化而變化的,所以被測溶液與標定溶液間的電位差也是不發生變化的,隨著溫度的變化實際發生變化的是每 mV 值變化量對應的 pH 值的變化量,通過公式(3)我們可以發現這就使得 K 值發生了變化,所以酸度計通過溫度補償調整轉換系數K 來抵消溫度變化引起的電動勢差的變化。因此,為了適應各種溫度狀態下 pH 值的測量,酸度計中均設有溫度補償裝置。
        2、電導率儀溫度補償器的原理和作用
        電導率的大小與電解質在水中的離解度及離子的遷移速度有密切的關系,而離解度及遷移速度又與溶液的溫度有關。溫度升高,溶液的電導率增加,反之,則電導率減小。溶液的電導率受溫度的影響較大,實驗數據見下表。通過對一臺 DDS-307 型號電導率在溶液不同溫度下進行溫度補償實驗,得到結果如下:
        由此表可以看出不進行溫度補償,同一溶液的電導率隨著溶液溫度的增加而不斷增大,使得測量結果沒有參考價值,所以電導率的測量結果一般均折算到參考溫度下(參考溫度:20℃或 25℃,使用 25℃時較多)。如果把電導率儀的溫度補償器關掉,則需先測出溶液的溫度及該溫度下的電導率,再將測得的結果換算到參考溫度的電導率。公式如下:
        通過式(4)可以看出當電導率儀不啟動溫度補償器時,即溫度校正系數為0.00%時,測得的電導率為溶液實際溫度下的電導率,需要人工換算成參考溫度下溶液的電導率值,否則測得值沒有參考價值。電導率儀的溫度補償器的作用就是為了克服溫度的影響,將溶液在實際溫度下的電導率值轉換為參考溫度(一般為 25℃)下的電導率值,使得溶液在不同溫度下的電導率具有可比性,以滿足各行各業比對或控制指標的需要。因此,市面上越來越多的電導率儀具有溫度補償功能,在檢定過程中,檢定規程規定增加這一檢定項目看來也是很有必要的。
        二、酸度計與電導率儀溫度補償器使用過程中的注意事項
        1、酸度計溫度補償器使用中的注意事項
        由于酸度計測量過程中溶液的 mV 值是不隨溫度的變化而改變的,實際上起到作用的是通過調節溫度補償器進而調整轉換系數 K,進而改變每 mV 變化量引起的 pH 的變化量,所以在使用酸度計時需要注意的是用于標定儀器的標準參考溶液與被測溶液的溫度差。
        2、電導率儀溫度補償器使用中的注意事項
        通過公式(4)我們發現,在將電導率修正為參考溫度下電導率時,溫度校正系數β是一個關鍵參數,且不同的溶液溫度校正系數也不同,所以在使用溫度校正系數不可調節的電導率儀時,溫度校正系數會引入測量誤差,所以在進行準確度要求較高的測量時,如果溫度校正系數不能調整為溶液實際的溫度校正系數,則應該關閉電導率儀的溫度補償功能,通過準確測量溶液溫度后根據公式(4)計算出參考溫度下的電導率值,或將被測溶液的溫度嚴格控制在參考溫度條件下測量,進而減小測量誤差。
        三、儀器使用中溫度補償器出現異常的快速判定方法
        1、酸度計溫度補償器出現異常的快速判定方法
        先通過兩點標定斜率,并測量第三種標準溶液示值誤差合格。然后用酸度計測量第三種標準溶液在打開溫度補償器時的 pH 值及其溫度,查找 JJG119-2018《酸度計檢定規程》,規程中表 A.2 顯示了標準溶液不同溫度下對應的 pH 值,通過與測量的 pH 值進行對比,測量結果的示值誤差應小于儀器對應等級的最大允許誤差,否則酸度計的溫度補償器功能可能出現異常,應及時送檢。
        2、電導率儀溫度補償器出現異常的快速判定方法
        綜上所述,電導率儀溫度補償器,其作用就是為了克服溫度的影響,將溶液在實際溫度下的電導率值轉換為參考溫度(一般為 25℃)下的電導率值,使得溶液在不同溫度下的電導率具有可比性。而酸度計的溫度補償器,其作用是將電極在標定溫度下得到的轉換系數按能斯特公式換算到實際溫度下的轉換系數,從而得到實際溫度下的 pH 值。
        由此可見兩種儀器的溫度補償作用是有所區別的,不能混淆,只有正確理解酸度計和電導率儀的溫度補償器對于儀器測量準確度的意義和作用,才能促進儀器的合理、正確使用,保證測量結果的準確性。同時通過文中溫度補償器出現異常的快速判定方法,使用者就可以自己合理判定溫度補償功能是否正常工作,當發現儀器溫度補償器可能存在異常時,需及時到計量檢測機構對儀器進行檢定。

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