關(guān)于對電導(dǎo)率儀的溫度補(bǔ)償器進(jìn)行計(jì)量檢定問題的探討

《計(jì)量技術(shù)》2012年第10期發(fā)表的文章：

關(guān)于對電導(dǎo)率儀的溫度補(bǔ)償器進(jìn)行計(jì)量檢定問題的探討

楊繼光­1        顧家鈺2        劉朝陽3

（1、3.寧夏計(jì)量測試院，寧夏銀川，750001；2、北京計(jì)量科學(xué)研究院，北京，100013）

摘要：論述了對電導(dǎo)率儀的溫度補(bǔ)償器進(jìn)行計(jì)量檢定的重要性，并對檢定方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)率儀，溫度補(bǔ)償器，計(jì)量檢定。


0、  引言
    溫度對電導(dǎo)率儀的測量影響很大［1］，一般在電導(dǎo)率的測量中，為了保證測量的準(zhǔn)確，要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，還要對溫度系數(shù)進(jìn)行設(shè)定。JJG376-2007《電導(dǎo)率儀》計(jì)量檢定規(guī)程［2］，對溫度系數(shù)的檢定和溫度傳感器的檢定作了規(guī)定，對溫度補(bǔ)償器的檢定未作說明。隨著科技的發(fā)展，國產(chǎn)及進(jìn)口的電導(dǎo)率儀在設(shè)計(jì)上都有了溫度補(bǔ)償器的調(diào)節(jié)裝置，這也是保證測量準(zhǔn)確性的一個(gè)重要因素，所以對電導(dǎo)率儀的溫度補(bǔ)償器進(jìn)行檢定就顯得非常重要了。
1、  電導(dǎo)率儀的溫度補(bǔ)償
    電導(dǎo)率儀中跟溫度有關(guān)的器件有三個(gè)部分，它們分別是溫度系數(shù)、溫度補(bǔ)償器和溫度傳感器。
（1）    溫度系數(shù)
    當(dāng)溶液的溫度一定時(shí)，它的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，在一般的測量中用下式計(jì)算被測介質(zhì)在不同溫度下的的電導(dǎo)率值，
Kt = K25℃[1+α(t-25)]                  （式1）
式中：Kt為某一溫度下的電導(dǎo)率值，K25℃為25℃時(shí)的電導(dǎo)率值，α為溫度系數(shù)，t為被測溶液溫度。
    對大多數(shù)離子來講，絕大部分溶液的溫度系數(shù)在1.5﹪～3.0﹪之間，在這個(gè)范圍內(nèi)，它是呈線性變化的，如α值選擇2％，既每增加1℃，電導(dǎo)率值就增加2％，則（式1）可以改寫為：

       Kt = K25℃[1+α(t-25)]＝K25℃[1+0.02（t-25）]＝K 25℃(0.5+0.02t)      （式2）

    電導(dǎo)率儀的生產(chǎn)廠家在電導(dǎo)率儀出廠時(shí)，一般都把溫度系數(shù)設(shè)定為2%，但是有些離子的溫度系數(shù)可達(dá)4%-6%，呈非線性變化。如果用現(xiàn)行的這種檢定電導(dǎo)率儀的溫度系數(shù)的檢定方法對該儀器進(jìn)行檢定，很可能判別該儀器為不合格。好在這類儀器數(shù)量很少，大多是進(jìn)口儀器用于特殊用途，如何對其儀器的溫度系數(shù)進(jìn)行檢定，還有待于探討。
    我們就溫度、溫度系數(shù)和電阻、電導(dǎo)率之間的關(guān)系，作了試驗(yàn)和研究，并作成了表格，供大家參考。（見表1）
（2）    溫度補(bǔ)償器
    大多數(shù)電導(dǎo)率儀的溫度補(bǔ)償器作在面板上，是一個(gè)溫度調(diào)節(jié)旋鈕。溫度調(diào)節(jié)范圍一
般為（15-35）℃，也有做成（0-60）℃的儀器，分辨率為1℃。在電導(dǎo)率的測量中可以發(fā)現(xiàn)只要把溫度補(bǔ)償器的旋鈕稍加轉(zhuǎn)動，電導(dǎo)率值就發(fā)生變化，它的準(zhǔn)確與否，對電導(dǎo)率的測量影響很大，所以必須對其進(jìn)行計(jì)量檢定。
（3）    溫度傳感器
溫度傳感器是電導(dǎo)率儀附帶的一個(gè)配件，測量精度大多為0.1℃，可以比較準(zhǔn)確的測
量溶液的溫度，它的檢定方法在JJG376-2007中作了規(guī)定。

對電導(dǎo)率的測量來講有兩種方法，一種是溫度補(bǔ)償法，一種是溫度不補(bǔ)償法。溫度補(bǔ)償法，直觀、快捷、對環(huán)境條件要求不高，所以大部分測量都是用溫度補(bǔ)償法。溫度不補(bǔ)償法不直觀、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，對環(huán)境溫度要求高，主要是對不了解溶液溫度系數(shù)是多少的溶液用不補(bǔ)償法測量。
表1  電導(dǎo)率儀溫度補(bǔ)償對照表（有兩種方法）

方法一（不補(bǔ)償法）				方法二（補(bǔ)償法）
溫度系數(shù)	溫度 （℃）	儀器顯示電導(dǎo)率值 (μs/cm)	標(biāo)準(zhǔn)器電阻值 (KΩ)	電導(dǎo)率值 (μs/cm)	儀器顯示電導(dǎo)率值 (μs/cm)	補(bǔ)償后電阻值 (KΩ)	補(bǔ)償后電導(dǎo)率值 (μs/cm)
溫度系數(shù) 1.5%	10	129.0	10	100	100	12.9	77.5
	15	117.6	10	100	100	11.76	85.0
	20	108.1	10	100	100	10.81	92.5
	25	100.0	10	100	100	10.00	100.0
	30	93.0	10	100	100	9.30	107.5
	35	86.9	10	100	100	8.69	115.0
	40	81.6	10	100	100	8.16	122.5
	45	76.9	10	100	100	7.69	130.0
溫度系數(shù) 2.0%	10	142.8	10	100	100	14.28	70.02
	15	125.0	10	100	100	12.50	80.00
	20	111.1	10	100	100	11.11	90.00

溫度系數(shù) 2.0%	10	142.8	10	100	100	14.28	70.02
	15	125.0	10	100	100	12.50	80.00
	20	111.1	10	100	100	11.11	90.00
	25	100.0	10	100	100	10.00	100.00
	30	90.9	10	100	100	9.09	110.01
	35	83.3	10	100	100	8.33	120.04
	40	76.9	10	100	100	7.69	130.03
	45	71.4	10	100	100	7.14	140.05
溫度系數(shù) 2.5%	10	160.0	10	100	100	16.00	62.5
	15	133.3	10	100	100	13.33	75.01
	20	114.2	10	100	100	11.42	87.56
	25	100.0	10	100	100	10.00	100.00
	30	88.9	10	100	100	8.89	112.48
	35	80.0	10	100	100	8.00	125.00
	40	72.7	10	100	100	7.27	137.55
	45	66.7	10	100	100	6.67	149.92

2、 電導(dǎo)率的測量過程與溫度的關(guān)系

（1）    電極常數(shù)的確定
    電導(dǎo)電極常數(shù)的測定，要在25℃的條件下，測定兩個(gè)不同濃度的電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)溶液，求出電極常數(shù)的平均值。楊繼光就電極常數(shù)與測量溫度的關(guān)系［3］作了論述。電極常數(shù)測定后，把電極常數(shù)調(diào)到測量值。
（2）    溶液溫度的測量
    帶溫度傳感器的儀器可用溫度傳感器測量溶液溫度。但溫度傳感器的檢定比較麻煩，要在恒溫水槽中進(jìn)行。如現(xiàn)場檢定，許多用戶單位不具備恒溫水槽的檢定條件，無法按規(guī)程的要求進(jìn)行檢定。解決的方法是用一支經(jīng)檢定過的精密水銀溫度計(jì)，測量溶液的溫度即可。市售的國產(chǎn)的電導(dǎo)率儀中，有些不帶溫度傳感器的儀器，溫度傳感器的檢定可按缺項(xiàng)進(jìn)行。
（3）溫度補(bǔ)償器的調(diào)節(jié)
    測量完溶液的溫度后，如需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，把溫度補(bǔ)償器的旋鈕調(diào)到25℃，如不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，把溫度補(bǔ)償器的旋鈕調(diào)到測量的溫度點(diǎn)上。市售的國產(chǎn)的電導(dǎo)率儀大多帶溫度補(bǔ)償器的功能，它是保證溫度補(bǔ)償和進(jìn)行準(zhǔn)確測量的重要的條件。
（4）溫度系數(shù)的確定
    一般把溫度補(bǔ)償系數(shù)調(diào)到2%/℃。由于確定了溫度系數(shù)，啟動了溫度補(bǔ)償，所以可在（15-35）℃的任一溫度下對電導(dǎo)率進(jìn)行測定。溫度系數(shù)的設(shè)定和調(diào)節(jié)，在電導(dǎo)率儀這種電子單元模擬化的儀器，是設(shè)計(jì)在儀器的電路中的，在電路的設(shè)計(jì)和儀器的出廠檢驗(yàn)，都給予了一定的保證。有些不帶溫度系數(shù)調(diào)節(jié)的儀器，溫度系數(shù)的檢定可按缺項(xiàng)進(jìn)行。
    通過以上幾個(gè)步驟對電導(dǎo)率儀的測量參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定和調(diào)節(jié)，即可進(jìn)行電導(dǎo)率的測量了。從以上電導(dǎo)率測量中各參數(shù)的設(shè)定過程來看，影響測量準(zhǔn)確性的主要來源在于溫度補(bǔ)償器的準(zhǔn)確與否，只有保證了溫度補(bǔ)償器的準(zhǔn)確，才能進(jìn)一步設(shè)定溫度系數(shù)，才能保證正確的溫度補(bǔ)償，才能保證電導(dǎo)率測量的準(zhǔn)確性。

3、 溫度補(bǔ)償器的檢定方法
楊繼光［4］、［5］、劉盾［6］等人對電導(dǎo)率儀溫度補(bǔ)償器的檢定方法，提出了自己的看法，國標(biāo)GB/T11007-2008《電導(dǎo)率儀試驗(yàn)方法》［7］中給出了溫度補(bǔ)償器的檢定方法，是值得在電導(dǎo)率儀的檢定規(guī)程中添加溫度補(bǔ)償器檢定項(xiàng)目進(jìn)行參考和借鑒的。根據(jù)以上的文章和標(biāo)準(zhǔn)給出的方法，歸納出以下具體的檢定方法和過程是：
（1）    設(shè)定電極常數(shù)為1.00。
（2）    對于帶有溫度系數(shù)的儀器，把溫度系數(shù)設(shè)定為2%/℃。
（3）    把溫度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)到25℃。
（4）    把量程開關(guān)調(diào)到200μs/cm檔位上。
（5）    把25℃下的測量點(diǎn)選定為100μs（標(biāo)準(zhǔn)電阻值為10 KΩ）。
（6）    選擇溫度補(bǔ)償器的測量點(diǎn)，一般選擇3-5個(gè)點(diǎn)，如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。
（7）    用以下（式3）分別計(jì)算出不同溫度下的電阻值Ri。

式中：Ri—不同溫度下的用（式3）計(jì)算出來的外接電阻值。
      R0--25℃下的標(biāo)準(zhǔn)電阻值（10 KΩ）。
α—溫度系數(shù)（2%/℃）。
      ti—選擇的溫度補(bǔ)償器的測量點(diǎn)。
（8）    調(diào)節(jié)溫度補(bǔ)償器于不同的測量點(diǎn)，用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱輸入不同溫度下用（式3）計(jì)算出來的Ri值。
（9）    誤差計(jì)算：測量三次，測量結(jié)果的平均值與標(biāo)準(zhǔn)電阻箱輸入值之差，用該量程下的引用誤差的計(jì)算公式計(jì)算誤差。
以上方法經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是科學(xué)合理的，是符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的，比以往文章等介紹的方法更為全面和富有可操作性。
4、結(jié)束語
    綜上所述，電導(dǎo)率儀中溫度補(bǔ)償器的檢定是保證用電導(dǎo)率儀進(jìn)行準(zhǔn)確測量的重要條件，是非常重要的一個(gè)檢定項(xiàng)目，如不進(jìn)行檢定，對整個(gè)儀器來說，是不全面的，尤其對模擬量的儀器來說，由于長期使用，對元器件的磨損、老化，有的儀器已經(jīng)不能達(dá)到儀器新出廠時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，急需計(jì)量部門檢測和判斷。建議電導(dǎo)率儀計(jì)量檢定規(guī)程的制訂者，在聽取各方面的意見的基礎(chǔ)上，盡快的對規(guī)程進(jìn)行修訂，添加溫度補(bǔ)償器的檢定項(xiàng)目，以保證規(guī)程的完善和保證電導(dǎo)率儀測量的準(zhǔn)確和可靠。

“2、（3）溫度補(bǔ)償器的調(diào)節(jié)
    測量完溶液的溫度后，如需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，把溫度補(bǔ)償器的旋鈕調(diào)到25℃，如不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，把溫度補(bǔ)償器的旋鈕調(diào)到測量的溫度點(diǎn)上。”感覺這句表述有誤，不需要補(bǔ)償才設(shè)置為25℃，需要補(bǔ)償才調(diào)到測量的溫度點(diǎn)吧

“2、（2） 溶液溫度的測量    解決的方法是用一支經(jīng)檢定過的精密水銀溫度計(jì)，測量溶液的溫度即可”
存在一個(gè)問題，該方法一般比較適用于國外單點(diǎn)自校準(zhǔn)（大部分帶自動溫度補(bǔ)償功能）的儀器，但目前國內(nèi)生產(chǎn)的大部分都是手動校準(zhǔn)，而且根據(jù)規(guī)程，需要用兩點(diǎn)校準(zhǔn)取常數(shù)平均值，但是很難保證兩個(gè)溶液都在同一個(gè)溫度

個(gè)人認(rèn)為，電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償，雖然該文提到三個(gè)，其實(shí)歸結(jié)為兩個(gè)，一個(gè)是補(bǔ)償系數(shù)，一個(gè)是溫度傳感器（沒有傳感器的，才設(shè)置為溫度調(diào)節(jié)鈕，但其功能與傳感器相同，傳遞一個(gè)溫度信號給處理器，然后處理器根據(jù)接收到的溫度值計(jì)算出補(bǔ)償后的結(jié)果）
對于補(bǔ)償系數(shù)，由于其只是個(gè)數(shù)值設(shè)置的問題，不涉及任何傳感器，所以不涉及誤差問題，規(guī)程表述有誤。
所以現(xiàn)有規(guī)程檢測的所謂的溫度補(bǔ)償系數(shù)誤差，實(shí)質(zhì)是由于溫度傳感器(溫度調(diào)節(jié)鈕)存在誤差引起的。因此，規(guī)程存在的缺陷，不在于增加溫度補(bǔ)償器的檢測，而只需要把溫度補(bǔ)償系數(shù)誤差更改為溫度補(bǔ)償誤差，當(dāng)然相應(yīng)的計(jì)算公式和指標(biāo)也得修改。
由于溫度調(diào)節(jié)鈕線路內(nèi)置，不可能拆開來檢測其電阻值，從而檢測其出差。在默認(rèn)補(bǔ)償系數(shù)不存在誤差的前提下，可以從溫度補(bǔ)償結(jié)果推算出溫度調(diào)節(jié)鈕示值與理論值的差別。

個(gè)人認(rèn)為，電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償，雖然該文提到三個(gè)，其實(shí)歸結(jié)為兩個(gè)，一個(gè)是補(bǔ)償系數(shù)，一個(gè)是溫度傳感器（沒有 ...
ofooo 發(fā)表于 2012-12-18 19:21

    非常感謝張博關(guān)注并及時(shí)回復(fù)我的貼子！我也很有同感，不能同意該文的觀點(diǎn)。
    應(yīng)該說溫度補(bǔ)償功能（或按該文說的溫度補(bǔ)償器）就是由溫度系數(shù)給定、溫度測定（或給定）與實(shí)現(xiàn)Kt = K25℃[1+α(t-25)]的運(yùn)算構(gòu)成的。這點(diǎn)從Kt = K25℃[1+α(t-25)]該公式也可以看出，只要給出被測溶液的溫度和溫度系數(shù)，就可以將被測溶液當(dāng)時(shí)的電導(dǎo)率，換算到（或稱補(bǔ)償?shù)剑?5時(shí)的電導(dǎo)率。文中“ 電導(dǎo)率儀中跟溫度有關(guān)的器件有三個(gè)部分，它們分別是溫度系數(shù)、溫度補(bǔ)償器和溫度傳感器”，這樣將溫度補(bǔ)償器割列出來，那么該溫度補(bǔ)償器的功能是什么，具體又是何物。
    我看了一下文中表1給出的兩種溫度補(bǔ)償對照表，隱約感覺到所謂不補(bǔ)償法是對應(yīng)溫度補(bǔ)償運(yùn)算公式正確的電導(dǎo)率儀給出的；而補(bǔ)償法是對應(yīng)溫度補(bǔ)償運(yùn)算公式錯(cuò)誤的電導(dǎo)率儀給出的。即：在電極常數(shù)設(shè)為1的情況下，當(dāng)設(shè)定溫度補(bǔ)償系數(shù)為2%時(shí)，給定標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)為100微西，如25℃時(shí)示值為100微西/厘米，15℃時(shí)示值為125微西/厘米。按規(guī)程給出的正確計(jì)算公式為（100-125）/[125（15-25）]運(yùn)算的情況；而補(bǔ)償法對應(yīng)的是對應(yīng)溫度補(bǔ)償運(yùn)算公式錯(cuò)誤的電導(dǎo)率儀給出的。即：在電極常數(shù)設(shè)為1的情況下，當(dāng)設(shè)定溫度補(bǔ)償系數(shù)為2%時(shí)，給定標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)為100微西，如25℃時(shí)示值為100微西/厘米，15℃時(shí)示值為125微西/厘米。按錯(cuò)誤的運(yùn)算公式為（100-125）/[100（15-25）]運(yùn)算的情況。

對不起！因?yàn)檫^時(shí)間了，不能再編輯了。其實(shí)上述第二種情況還是應(yīng)該按如下敘述的好：“而補(bǔ)償法對應(yīng)的是對應(yīng)溫度補(bǔ)償運(yùn)算公式錯(cuò)誤的電導(dǎo)率儀給出的。即：在電極常數(shù)設(shè)為1的情況下，當(dāng)設(shè)定溫度補(bǔ)償系數(shù)為2%時(shí)，給定標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)為100微西，如25℃時(shí)示值為100微西/厘米，15℃時(shí)示值為120微西/厘米。按錯(cuò)誤的運(yùn)算公式為（100-120）/[100（15-25）]運(yùn)算的情況。”