液体电阻率测量装置的设计与制作

在工业、国防和科技研究中经常要对固体或者液体的电阻率进行测量，其中液体因其本身物理性质较固体有所不同，其电阻率的测量也更为困难. 为了能够测量不同环境下液体的电阻率，国内很多研究人员对液体电阻率测量装置进行了设计[1,2]，金虎杰[3]等人通过研究液体电阻率与液体浓度、温度的关系分析了液体电阻率的温度特性和浓度特性，但测量过程中没有应用传感技术,无法实时读出液体电阻率的数值. 刘豹[4]等人以交流信号为激励源,并利用环形电极的电流和导热均匀分布等特性对信号进行传递和采集，但只给出测量电路，没给出整体装置的信息.

本文研究并制作出液体电阻率测量装置，对盛放液体的容器进行巧妙的设计，利用传感技术采集电压、电流信号并将信号输入单片机，单片机按预先编写的程序进行运算，并通过液晶显示屏实时显示测量结果. 本文将解决液体电阻率测量复杂性的问题，并有效地完成对液体电阻率的实时测量，可作为实验室设备供教学与科研使用，具有一定实用价值.

1 基本原理

一段导体的电阻其中L为导体的长度，S为导体的横截面积，由此可以得到导体的电阻率公式为

(1)

其中U为待测液体两端极板间的电压，I为流过液体的电流，S表示极板与液体接触的面积，L表示液体的长度，a、b表示极板与液体接触部分的宽与长，通过直接测量出这5个未知量的大小，即可间接测量液体的电阻率.

2 设计方案

根据物理原理，本文设计了一个物理容器,该容器可以给定液体的长度L和液体横截面积S. 为了更加精确地测量两电极板之间的电压和通过液体的电流，利用电压传感器和电流传感器实时采集电压、电流信号并传输至单片机中，经过单片机运算后通过液晶屏实时显示电阻率的数值，液体电阻率测量装置的系统框图如图1所示.

图1 测量系统框图

2.1 液体截面积及高度测量设计

本文设计了一个长方体容器盛放待测溶液，该容器是基于CATIA软件建立的三维模型，并利用3D技术打印制成，从而有效地保证了加工精度. 容器的三维模型图如图2所示.

图2 容器三维模型图

设计一个长方体薄壁容器，根据极板的宽度a在容器一侧开两个相互平行的方形槽，将两个电极插入槽中，并使极板与容器内壁无缝衔接，从而保证极板深入容器部分的面积即为待测液体的截面积；液体与极板长度方向接触部分即为b；极板间的高度即为液体长度L.

极板选用石墨极板优势在于：1)石墨极板与溶液不发生化学反应，从而防止溶液中自由移动离子种类发生变化；2)石墨具有更好的可加工性.并且在高温下硬度增大，能有效地降低放电损耗(石墨损耗为铜的1/4)，从而提高测量精度.

液体长度L及液体横截面(a,b)待容器制作完毕后，用游标卡尺多次测量取平均值，通过键盘预置于单片机中供计算时使用.

2.2 电压电流测量设计

由于液体的流动性，其电压、电流的采集是个难点问题. 本装置中石墨电极与容器一体化的设计为利用传感技术实时采集液体的电流及液体两端的电压创造了条件. 选用ACS712传感器模块接入电极两端，当电路通电后，芯片内部产生磁场，磁场被集成在内部的霍尔器件探测，并转化为一定比例的电压值，将采集到的电压及电流信号经过A/D转化后传送至单片机.

2.3 系统结构设计

液体电阻率测量装置主要包含保护外壳、液体盛放容器、单片机、液晶显示器. 依据设计方案中各部分的几何尺寸，本文设计的装置结构图如图3所示.

图3 实验装置结构图

其中①为石墨上极板，②为保护外壳，③为温度传感器，④为石墨下极板，⑤为液晶显示屏，⑥为单片机，⑦为电压模块，⑧为电流模块.

当接通直流电时溶液会发生电解，自由离子在阳极和阴极上会发生氧化还原反应，从而引起溶液离子浓度的变化，因此测量液体电阻率时一般会采用交流电法进行测量. 此外，在外加电场的作用下，电解质会发生极化现象[5-7],并且极化程度与离子的扩散速率与离子种类密切相关，最终会导致阴极电势更低，阳极电势更高.

然而氧化还原反应和极化过程都需要一定的时间，因此为了更准确地测量出石墨极板之间的电势差，接通交流电后的瞬间将采集到的电流和电压信号储存起来，作为电流和电压的标准值. 因为在接通交流电源的瞬间氧化还原反应还没来得及发生，且溶液的极化与电解程度较低，所以该系统结构的设计可以完成实时测量，即待测液体倒入容器，与石墨上下两极板接触后瞬间即可测出待测液体的电阻率，大大减少了氧化还原反应与极化对测量结果的影响，使得测量有较高的准确性.

3 制作过程

依据设计方案，首先进行选购元器件、制作机壳、3D打印容器、系统组装与调试等工作. 液体电阻率测量装置的制作过程要点如下：

1)保护外壳：采用环氧树脂板材料制作保护外壳. 利用CAD绘制250200 mm2、250150 mm2的长方形，之后根据图形尺寸，利用切割机对材料进行切割、加工与组装.

2)液体容器的制作：根据设计尺寸利用CATIA绘制容器的三维图形，并将图形信息输入3D打印机中进行打印，容器制成后封装石墨电极，使容器与石墨电极融为一体；按预定位置封装温度传感器，便于实时检测液体的温度.

3)液体截面面积(a，b)及长度L 测定：在系统装配前，用游标卡尺测量石墨电极板与液体接触部分的边长a、b及液体的长度L(通过测量两极板的间距)，为了减小偶然误差，应进行多次测量并求出平均值，表1给出测量数据，并将测量值写入单片机中. 长度测量图如图4所示.

图4 长度测量图

表1 长度测量数据

4) 装配与调试：按照预定的方案，先将各部分器件连接、调试，待调试成功后，再将各部分器件固定. 装配过程中，盛装液体的容器一定要保持水平，安装时需用水平仪检测. 设计制作的液体电阻率测量装置实物图如图5所示.

图5 液体电阻率测量装置实物图

4 实验测量

装置制作完毕后，在室温下对不同浓度的氯化钠溶液进行测量. 首先将待测溶液缓缓注入容器中直至液体浸没上极板，以便能够有效的采集流过液体的电流以及极板两端的电压；再将导线与石墨极板相连，接通电源后按下开关，从液晶屏上便可显示电阻率的数值. 测量数据见表2.

表2 不同浓度氯化钠溶液电阻率数据

其中当氯化钠溶液浓度为0.5%时，查阅《中华人民共和国机械行业标准 电导率仪的试验溶液 氯化钠溶液的制备方法》JB/T8278 -1999电阻率为125.46 Ω·cm，其相对误差大小为

(2)

当氯化钠溶液浓度为10%时，查阅国家标准电阻率为8.237 Ω·cm，其相对误差大小为

(3)

当氯化钠溶液浓度为20%时，查阅国家标准电阻率为5.095 Ω·cm，其相对误差大小为

(4)

从测量的数据可以发现，当浓度低于0.1%时，由于溶液中自由移动离子的数目过少，电流模块很难检测到电流信号，此时显示屏显示的数值为0；当浓度大于0.5%时，显示屏可以显示电阻率的大小，但与国标数值有较大差异，误差原因一是受传感器灵敏度的影响，二是当接通电源时，采集信号的瞬间，电压瞬时变化，此时由于溶液自由离子浓度较少，受瞬间电场的影响离子间移动有较大的随机性，从而产生误差；当浓度达到20%时，测量的准确度较高，相对误差仅为2.3%.

刘豹[4]等人利用环形电极以及变压器等设计电路对液体电阻率进行了测量，测得28.7℃下氯化钠浓度为0.5%时电阻率数值为97.60 Ω·cm，当氯化钠浓度为15.2%时电阻率数值约为4.15 Ω·cm，与本文设计的电路相比其测量的精确度较高，但其设计的方案主要应用于大型工程中，对设备的要求较高，不利于小规模测量. 本文设计的液体电阻率测量装置是大学生创新实践的作品，主要体现系统结构设计的新颖与创意，同时可在实验教学中实现小规模应用测量，操作简单、快捷、成本低.

5 结束语

本设计与制作的液体电阻率测量装置可实时测量液体电阻率，在一定浓度范围内，测得的待测液体的电阻率的值较为准确.

设计与制作的液体电阻率测量装置，采用3D打印机进行容器加工，保证了容器的准确性；创新性地实现了石墨电极与容器一体化，并且测量过程中不易与溶液发生化学反应，更有利于测量液体电阻率，但电解问题仍有待解决.

液体电阻率测量装置为科研工作者提供了一种便捷测量电阻率的方法，具有较高的测量精度和实用性；也可广泛应用于实验室中，为开展教学与科学研究工作提供条件，培养学生的学习兴趣.