關于對電導率儀的溫度補償器進行計量檢定問題的探討

《計量技術》2012年第10期發表的文章：

關于對電導率儀的溫度補償器進行計量檢定問題的探討

楊繼光­1        顧家鈺2        劉朝陽3

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

摘要：論述了對電導率儀的溫度補償器進行計量檢定的重要性，并對檢定方法進行了探討。

關鍵詞：電導率儀，溫度補償器，計量檢定。


0、  引言
    溫度對電導率儀的測量影響很大［1］，一般在電導率的測量中，為了保證測量的準確，要進行溫度補償，還要對溫度系數進行設定。JJG376-2007《電導率儀》計量檢定規程［2］，對溫度系數的檢定和溫度傳感器的檢定作了規定，對溫度補償器的檢定未作說明。隨著科技的發展，國產及進口的電導率儀在設計上都有了溫度補償器的調節裝置，這也是保證測量準確性的一個重要因素，所以對電導率儀的溫度補償器進行檢定就顯得非常重要了。
1、  電導率儀的溫度補償
    電導率儀中跟溫度有關的器件有三個部分，它們分別是溫度系數、溫度補償器和溫度傳感器。
（1）    溫度系數
    當溶液的溫度一定時，它的電導率隨溫度的升高而增加，在一般的測量中用下式計算被測介質在不同溫度下的的電導率值，
Kt = K25℃[1+α(t-25)]                  （式1）
式中：Kt為某一溫度下的電導率值，K25℃為25℃時的電導率值，α為溫度系數，t為被測溶液溫度。
    對大多數離子來講，絕大部分溶液的溫度系數在1.5﹪～3.0﹪之間，在這個范圍內，它是呈線性變化的，如α值選擇2％，既每增加1℃，電導率值就增加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）

    電導率儀的生產廠家在電導率儀出廠時，一般都把溫度系數設定為2%，但是有些離子的溫度系數可達4%-6%，呈非線性變化。如果用現行的這種檢定電導率儀的溫度系數的檢定方法對該儀器進行檢定，很可能判別該儀器為不合格。好在這類儀器數量很少，大多是進口儀器用于特殊用途，如何對其儀器的溫度系數進行檢定，還有待于探討。
    我們就溫度、溫度系數和電阻、電導率之間的關系，作了試驗和研究，并作成了表格，供大家參考。（見表1）
（2）    溫度補償器
    大多數電導率儀的溫度補償器作在面板上，是一個溫度調節旋鈕。溫度調節范圍一
般為（15-35）℃，也有做成（0-60）℃的儀器，分辨率為1℃。在電導率的測量中可以發現只要把溫度補償器的旋鈕稍加轉動，電導率值就發生變化，它的準確與否，對電導率的測量影響很大，所以必須對其進行計量檢定。
（3）    溫度傳感器
溫度傳感器是電導率儀附帶的一個配件，測量精度大多為0.1℃，可以比較準確的測
量溶液的溫度，它的檢定方法在JJG376-2007中作了規定。

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

方法一（不補償法）				方法二（補償法）
溫度系數	溫度 （℃）	儀器顯示電導率值 (μs/cm)	標準器電阻值 (KΩ)	電導率值 (μs/cm)	儀器顯示電導率值 (μs/cm)	補償后電阻值 (KΩ)	補償后電導率值 (μs/cm)
溫度系數 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 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 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 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、 電導率的測量過程與溫度的關系

（1）    電極常數的確定
    電導電極常數的測定，要在25℃的條件下，測定兩個不同濃度的電導率標準溶液，求出電極常數的平均值。楊繼光就電極常數與測量溫度的關系［3］作了論述。電極常數測定后，把電極常數調到測量值。
（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，要在恒溫水槽中進行。如現場檢定，許多用戶單位不具備恒溫水槽的檢定條件，無法按規程的要求進行檢定。解決的方法是用一支經檢定過的精密水銀溫度計，測量溶液的溫度即可。市售的國產的電導率儀中，有些不帶溫度傳感器的儀器，溫度傳感器的檢定可按缺項進行。
（3）溫度補償器的調節
    測量完溶液的溫度后，如需要進行溫度補償時，把溫度補償器的旋鈕調到25℃，如不需要進行溫度補償時，把溫度補償器的旋鈕調到測量的溫度點上。市售的國產的電導率儀大多帶溫度補償器的功能，它是保證溫度補償和進行準確測量的重要的條件。
（4）溫度系數的確定
    一般把溫度補償系數調到2%/℃。由于確定了溫度系數，啟動了溫度補償，所以可在（15-35）℃的任一溫度下對電導率進行測定。溫度系數的設定和調節，在電導率儀這種電子單元模擬化的儀器，是設計在儀器的電路中的，在電路的設計和儀器的出廠檢驗，都給予了一定的保證。有些不帶溫度系數調節的儀器，溫度系數的檢定可按缺項進行。
    通過以上幾個步驟對電導率儀的測量參數進行了設定和調節，即可進行電導率的測量了。從以上電導率測量中各參數的設定過程來看，影響測量準確性的主要來源在于溫度補償器的準確與否，只有保證了溫度補償器的準確，才能進一步設定溫度系數，才能保證正確的溫度補償，才能保證電導率測量的準確性。

3、 溫度補償器的檢定方法
楊繼光［4］、［5］、劉盾［6］等人對電導率儀溫度補償器的檢定方法，提出了自己的看法，國標GB/T11007-2008《電導率儀試驗方法》［7］中給出了溫度補償器的檢定方法，是值得在電導率儀的檢定規程中添加溫度補償器檢定項目進行參考和借鑒的。根據以上的文章和標準給出的方法，歸納出以下具體的檢定方法和過程是：
（1）    設定電極常數為1.00。
（2）    對于帶有溫度系數的儀器，把溫度系數設定為2%/℃。
（3）    把溫度調節旋鈕調到25℃。
（4）    把量程開關調到200μs/cm檔位上。
（5）    把25℃下的測量點選定為100μs（標準電阻值為10 KΩ）。
（6）    選擇溫度補償器的測量點，一般選擇3-5個點，如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。
（7）    用以下（式3）分別計算出不同溫度下的電阻值Ri。

式中：Ri—不同溫度下的用（式3）計算出來的外接電阻值。
      R0--25℃下的標準電阻值（10 KΩ）。
α—溫度系數（2%/℃）。
      ti—選擇的溫度補償器的測量點。
（8）    調節溫度補償器于不同的測量點，用標準電阻箱輸入不同溫度下用（式3）計算出來的Ri值。
（9）    誤差計算：測量三次，測量結果的平均值與標準電阻箱輸入值之差，用該量程下的引用誤差的計算公式計算誤差。
以上方法經過了實驗驗證，是科學合理的，是符合標準規范的，比以往文章等介紹的方法更為全面和富有可操作性。
4、結束語
    綜上所述，電導率儀中溫度補償器的檢定是保證用電導率儀進行準確測量的重要條件，是非常重要的一個檢定項目，如不進行檢定，對整個儀器來說，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，有的儀器已經不能達到儀器新出廠時的標準，急需計量部門檢測和判斷。建議電導率儀計量檢定規程的制訂者，在聽取各方面的意見的基礎上，盡快的對規程進行修訂，添加溫度補償器的檢定項目，以保證規程的完善和保證電導率儀測量的準確和可靠。

“2、（3）溫度補償器的調節
    測量完溶液的溫度后，如需要進行溫度補償時，把溫度補償器的旋鈕調到25℃，如不需要進行溫度補償時，把溫度補償器的旋鈕調到測量的溫度點上。”感覺這句表述有誤，不需要補償才設置為25℃，需要補償才調到測量的溫度點吧

“2、（2） 溶液溫度的測量    解決的方法是用一支經檢定過的精密水銀溫度計，測量溶液的溫度即可”
存在一個問題，該方法一般比較適用于國外單點自校準（大部分帶自動溫度補償功能）的儀器，但目前國內生產的大部分都是手動校準，而且根據規程，需要用兩點校準取常數平均值，但是很難保證兩個溶液都在同一個溫度

個人認為，電導率的溫度補償，雖然該文提到三個，其實歸結為兩個，一個是補償系數，一個是溫度傳感器（沒有傳感器的，才設置為溫度調節鈕，但其功能與傳感器相同，傳遞一個溫度信號給處理器，然后處理器根據接收到的溫度值計算出補償后的結果）
對于補償系數，由于其只是個數值設置的問題，不涉及任何傳感器，所以不涉及誤差問題，規程表述有誤。
所以現有規程檢測的所謂的溫度補償系數誤差，實質是由于溫度傳感器(溫度調節鈕)存在誤差引起的。因此，規程存在的缺陷，不在于增加溫度補償器的檢測，而只需要把溫度補償系數誤差更改為溫度補償誤差，當然相應的計算公式和指標也得修改。
由于溫度調節鈕線路內置，不可能拆開來檢測其電阻值，從而檢測其出差。在默認補償系數不存在誤差的前提下，可以從溫度補償結果推算出溫度調節鈕示值與理論值的差別。

個人認為，電導率的溫度補償，雖然該文提到三個，其實歸結為兩個，一個是補償系數，一個是溫度傳感器（沒有 ...
ofooo 發表于 2012-12-18 19:21

    非常感謝張博關注并及時回復我的貼子！我也很有同感，不能同意該文的觀點。
    應該說溫度補償功能（或按該文說的溫度補償器）就是由溫度系數給定、溫度測定（或給定）與實現Kt = K25℃[1+α(t-25)]的運算構成的。這點從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，就可以將被測溶液當時的電導率，換算到（或稱補償到）25時的電導率。文中“ 電導率儀中跟溫度有關的器件有三個部分，它們分別是溫度系數、溫度補償器和溫度傳感器”，這樣將溫度補償器割列出來，那么該溫度補償器的功能是什么，具體又是何物。
    我看了一下文中表1給出的兩種溫度補償對照表，隱約感覺到所謂不補償法是對應溫度補償運算公式正確的電導率儀給出的；而補償法是對應溫度補償運算公式錯誤的電導率儀給出的。即：在電極常數設為1的情況下，當設定溫度補償系數為2%時，給定標準電導為100微西，如25℃時示值為100微西/厘米，15℃時示值為125微西/厘米。按規程給出的正確計算公式為（100-125）/[125（15-25）]運算的情況；而補償法對應的是對應溫度補償運算公式錯誤的電導率儀給出的。即：在電極常數設為1的情況下，當設定溫度補償系數為2%時，給定標準電導為100微西，如25℃時示值為100微西/厘米，15℃時示值為125微西/厘米。按錯誤的運算公式為（100-125）/[100（15-25）]運算的情況。

對不起！因為過時間了，不能再編輯了。其實上述第二種情況還是應該按如下敘述的好：“而補償法對應的是對應溫度補償運算公式錯誤的電導率儀給出的。即：在電極常數設為1的情況下，當設定溫度補償系數為2%時，給定標準電導為100微西，如25℃時示值為100微西/厘米，15℃時示值為120微西/厘米。按錯誤的運算公式為（100-120）/[100（15-25）]運算的情況。”