电导率的数据

电导率的数据（精选8篇）

电导率的数据 篇1

随着人类对自然资源的开发和使用, 石油、天然气、煤炭等不可再生资源的日益减少, 同时大量使用带来的温室气体、臭氧层破坏, 引起人类生存环境的恶化, 近10年来人类更加意识到资源的重要作用, 以及如何更有效地利用好有限的资源。另一方面开发可再生绿色环保的能源摆上日程, 成为科学工作者研究的热门课题。太阳能作为新型能源中比较理想的选择越来越受到重视, 具有清洁、安全、免费等特点, 决定了太阳能、风能、地热能等的特殊优势。

太阳能光伏发电系统是将太阳能转换为电能的装置, 由于光伏系统的非线性, 当光照强度、温度及负载发生改变, 将会影响光伏太阳能极板输出电压和输出电流, 从而影响了整个系统的工作点。为了使辐射到太阳能板的资源得到充分利用, 提高光伏系统的转换效率, 要不断跟踪系统的变化, 保持系统工作在最大输出功率点上运行。最大功率跟踪MPPT控制方法应运而生, 目前主流的方法包括:恒电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法;恒电压法最简单, 实现容易, 但精度、效率低, 系统功率损失大;扰动观察法通过注入电压, 观察功率变化确定跟踪方向, 实现比较简单, 但在最大功率点附近会造成震荡, 会影响跟踪的时间、精度, 震荡的大小由步长决定。电导增量法是对扰动观察法的改进, 是根据P-V曲线的导数特性来调整输出电压实现功率跟踪, 跟踪的步长决定跟踪的精度和速度, 步长过短会造成跟踪时间长;步长过长系统反应快但可能跳过功率点, 在最大功率处发生波动, 精度和速度形成矛盾。在利用电导增量法跟踪最大功率基础上, 提出建立实时和历史数据库跟踪功率变化, 对于数据库中可查询到的匹配数据可适当加大或减小步长, 提高跟踪速度和减小系统波动。系统采用MSP430F5438作为控制核心, 扩展信号采集处理电路, 实现DC-DC变化;采用存储器存储数据库信息。设计系统具有快速、精准、简洁特点, 迅速地跟踪环境的变化, 实现最大精度的功率跟踪。

1 光伏电池的输出特性、数学模型

光伏电池由PN结组成, 在光照下由光生伏特效应产生光生电流。光伏电池两端接入负载R, 负载上就会有电压V, 电压反作用于光伏电池PN结上产生与光伏电池电流方向相反的电流Id。电池板内部会有电池损耗, 产生电阻Rs, 由于电池在制作时会产生微小的裂痕、划痕, 从而会形成漏电电阻Rsh。光伏Rs和Rsh是电池的固有电阻, 一个理想的光伏电池两者可以忽略。等效电路如图1所示。

得到

式 (1) 中I是流过负载的电流;Iph光伏电池板的光生电流;Id流过二极管的电流;Ish光伏电池的漏电流。其中有

式 (2) 中q为电子电荷;K为波尔兹曼常数;T为绝对温度;A为PN结理想因子;Rs为光伏电池串联因子;Rsh为光伏电池并联电阻。

计算可得

光生电流和温度、光照强度的关系

式 (2) 中ISCR为标准条件下短路电流;Kt为短路电流的温度系数;λ为光照强度。

模型系统给定光伏电池额定最大功率Pmax为78 W, 额定电流Iwpp为4.2A, 额定电压Vwpp为16 V, 短路电流Iscr为4.6 A, 短路电压Vocs为20.7 V, 短路电流温度系数Kt为1.87, 短路电压温度系数KT为-0.73。

根据数学模型可知光伏电池的输出特性为非线性, 光伏电池的输出电压和输出电流是随着温度、光照的变化而变化。系统模拟温度在t=25℃, 光照强度在200~800 W/m2环境下, 可得光伏电池模型组的I-V、P-V曲线分别为图2、图3。图2中当光照强度一定时, 输出电流在电压增加时基本不变, 达到某一电压值时迅速下降, 从而导致在这一条件下输出功率的变化, 呈现单峰曲线。图3中当同一光照下, 功率随着电压增加而上升, 但当一定程度时功率反而下降, 中间某一点处形成最大功率, 即最大功率点。为了使光伏系统运行效率高, 需要保持工作在最大功率处。

2 结合数据库的电导增量法

2.1 电导增量法

由于光伏系统的输出P-V曲线为单峰曲线, 曲线只有一个最大值, 可知在峰值处, 功率对电压的导数为零。可得, 时, U是小于最大功率点电压, 工作点位于左侧;时, U是在大于最大功率点电压的区域, 工作点位于右侧;当时, U等于最大功率点电压。

由此通过判断d P/d U的大小和正负即可得电压所处的位置和当前工作点与峰值点的距离。按调整距离 (即步长) 的方式, 分为定步长和变步长电导增量法;定步长的方式值只是由d P/d U的正负判断调整的方向, 而步长是固定大小的。变步长方式是当d P/d U较大时, 适当加大步长;而当d P/d U较小时, 减小步长, 通过步长的改变提高跟踪系统的跟踪速度, 并保证具有一定的跟踪精度。在实际应用中, 取得系统的最大功率由光伏阵列和负载之间的阻抗来实现, 由电路知识可知, 只有当内阻和外阻相等时, 电源输出功率最大, 控制负载的电阻可以通过调整占空比实现。

设U (k) 、I (k) 为光伏系统k时刻的电压和电流, D (k) 为此时的占空比, N为变步长系数, 则有变步长算法:

由于d P/d U≈ΔP/ΔU可得公式为

通过设置合适的N来调整步长系数, 当d P/d U的绝对值越大时, 工作点离最大功率点越远, N可以取大一些;当d P/d U的绝对值越小时, 工作点离最大功率点越近, N可以取小一些, 从而提高最大功率跟踪的精度。

2.2 结合智能数据库的算法

在采用电导增量法建立基础数据, 经过一段时间后形成数据库, 信息数据库中存放了系统运行时经常遇到的工作状况 (光强、温度、输出电压、输出电流等) , 它分为两大部分:“利用率高表格”和“历史利用率表格”, 在利用率高表格中存放着系统经常用到的数据以及经常遇到的工作状况, 按系统出现的频率由高到低依次排列。根据概率论的原理, 系统可以在最短时间内找到所需的最大功率点Pmax。由于利用率高表格是在不断更新, 设计一个存有历史数据的历史利用率表格, 此表格的作用是, 当数据表中没有当前的工作状况时, 需要进行电导增量法的计算, 计算出Pmax, 再将历史数据表中所对应的项累计加1, 经过一段时间利用率最高的项与“利用率高数据表”中的项相比较进行替换, 可以保证数据表中的项是应用工况频率最高的, 在很大程度上提高了跟踪速度。

电导增量法程序部分是在数据表中查不到当前工况的情况下, 计算Pmax的算法。当数据表中查询不到匹配当前工作状况的项时, 进行自寻优的跟踪方法计算步长, 调整占空比, 达到最大功率跟踪, 数据再通过数据库操作形成数据以便使用。图4为采用基于数据库的可变步长的电导增量法的系统流程框图。

3 系统仿真与结果

根据光伏阵列的数学模型, 在Matlab/Simulink下建立仿真模型, 模拟光伏发电系统实现最大功率跟踪系统。采用提出的基于智能数据库的电导增量法, 算法仿真结果如图5、图6所示。图5显示一天内的光照情况, 从某天内选取8个小时采集光照强度, 从采集的数据可以得到这一天中的光照从8∶30到16∶30光强先是比较平稳上升, 然后在下午有一些波动。应用本文方法对这一天的时段内最大功率的跟踪仿真后如图6, 可以看出跟踪功率基本贴近于理论最大功率, 与传统的电导增量方法比较, 平均的误差 (图中红线) 有所改善, 提高了功率输出的稳定性。

设计具有MPPT跟踪功能的控制器, 一般通过调节DC-DC变换器实现电压的增加与减少, 从而实现功率跟踪, 使实际工作点靠近最大功率点。系统应用Buck型降压式DC-DC变换器, MPPT控制器采用TI公司生产的MSP430F543芯片, 内部集成有一个高性能的模数转换器, 实现12位的SAR内核的逐次逼近型转换。光伏电池阵列的输出电压和输出电流信号经霍尔传感器检测后送到控制器, 经芯片运算处理产生PWM控制开关管占空比, 从而调节光伏电池输出功率, 直至最快逼近最大功率点。系统电路原理图如图7。

系统设计的模数转换关键代码如下:

PWM波形关键代码如下

图8为DC-DC变换器的输出波形, 250 ms内系统对功率点的跟踪电压值, 电压基本稳定在12 V, 表明运用智能数据库的电导增量法有助于系统的稳定。

4 结论

为了最大程度地跟踪太阳能电池板的转换功率, 实现最大效率地利用能源, 本文针对电导增量法进行研究, 系统采用MSP430作为控制器, 通过输出PWM调节开关管开通与关断, 在变步长的靠近最大功率点方法基础上, 提出建立数据库实现实时、历史数据库, 通过检索数据库最快地调整电压。方法经过Matlab仿真, 表明可以改善功率输出误差, 减小系统震荡, 提高跟踪速度。

摘要：针对太阳能光伏发电系统的功率输出非线性特点, 提出一种结合数据库, 利用电导增量实现最大功率跟踪的系统。论文根据光伏阵列的特性, 建立光伏系统数学模型, 采用电导增量法建立历史和实时数据库, 通过数据库查询尽快跟踪功率变化, 调整占空比, 达到实时最大功率跟踪。系统采用MSP430作为控制器, 定时方式产生PWM控制变换器开关。研究结果表明, 系统可以快速跟踪最大功率变化, 提高跟踪精度和输出功率, 相对传统电导增量法本文方法跟踪速度提高5%20%。

关键词：光伏发电,最大功率跟踪,电导增量法,数据库

参考文献

[1] 黄舒予, 牟龙华, 石林.自适应变步长MPPT算法.电力系统及其自动化学报, 2011;23 (5) :26—31

[2] 熊远生, 余立.固定电压法结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中应用.电力自动化设备, 2009;29 (6) :85—88

[3] Jiang Joe-Air, Liang Tsong.Maximum power tracking for photovoltaic power systems.Tamkang Journal of Science and Engineering, 2005;8 (2) :147—153

[4] Karlis A D, Kottas T L, Boutalis Y S.A novel maximum power point tracking method for PV systems using fuzzy cognitive networks (FCN) .Science Direct:Electric Power Systems Research, 2007;77:315 —327

[5] 高金辉, 唐静.一种新型光伏系统最大功率跟踪算法的研究.电力系统保护与控制, 2011;39 (23) :21—26

[6] 朱拓斐, 陈国定.光伏发电中MPPT控制方法综述.电源技术, 2011;35 (10) :1322—1324

[7] 李鹰, 康龙云, 朱洪波, 等.一种新型光伏发电系统最大功率跟踪算法.电气传动, 2010;40 (12) :35—39

[8] 王宝忠, 刘卫法, 付宁宁, 等.光伏并网发电系统MPPT算法研究.科学技术与工程, 2010;10 (34) :8432—8437

[9] 王志兵.恒压法结合变步长电导增量法的最大功率点跟踪.科学技术与工程, 2012;12 (19) :4638—4642

[10] 何海华, 郑寿森, 祁新梅, 等.基于模糊控制的最大功率点跟踪的仿真研究.系统仿真学报, 2012; (2) :398—402

电导率的数据 篇2

乌鲁木齐河源径流电导率和TDS的变化特征

等影响,相应与土壤相互作用影响更大.总控水文点则明显地体现了1号冰川和空冰斗两水文点混合作用的影响特点.

作 者：韩添丁 叶柏生 李向应 焦克勤 李忠勤 HAN Tian-ding YE Bai-sheng LI Xiang-ying JIAO Ke-qin LI Zhong-qin  作者单位：中国科学院,寒区旱区环境与工程研究所,冰冻圈科学国家重点实验室/天山冰川观测试验站,甘肃,兰州,730000 刊 名：冰川冻土  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY 年，卷(期)： 31(4) 分类号：P332.7 关键词：河川径流   冰川消融期   电导率和TDS   乌鲁木齐河源  

2024铝合金电导率的研究 篇3

关键词：2024铝合金,热处理,电导率

2024 铝合金是国内外航空、机械工业中应用最广的铝合金之一, 然而, 对铝合金热处理工艺的控制和使用过程中, 特别是在短时较高温度下, 材料出现的问题, 通常都采用破坏的形式进行金相检查, 或采用抗拉试验或硬度试验来检测铝合金热处理质量。由于铝合金热处理后, 在一个强度 (硬度) 值下, 可能有两个不同状态。因此, 只用强度或硬度来控制铝合金热处理后的质量是一种已经落后的检测方法, 是不能完全确保质量的。电导率检测方便快捷, 工作效率高, 且基本不受被检件形状、重量等条件限制, 对零件无损检测独具优势。国内外已有很多采用测电导率的方法来决定铝合金的热处理工艺和某些力学性能的报道[1,2,3]。本研究的目的是通过一系列试验摸索出2024 铝合金热处理制度与电导率之间的关系, 为铝合金原材料的电导率检验及零件的电导率检验提供经验与数据支持。

1 试验过程

1.1 试验用原材料

试验材料为2024 铝合金, 化学成分见表1。

1.2 试验方案

(1) 退火温度对2024 铝合金电导率的影响。退火温度分别为300℃、350℃、400℃, 保温2h, 出炉空冷。

(2) 固溶温度对2024 铝合金电导率的影响。固溶处理温度分别为485℃、490℃、495℃、500℃及505℃, 保温1h, 水淬, 自然时效96h。

(3) 人工时效温度对2024 铝合金电导率的影响。固溶温度495℃, 保温1h, 水淬, 分别180℃、185℃、190℃、195℃、200℃时效, 保温12h, 空冷。

(4) 自然时效时间对2024 铝合金电导率的影响。固溶温度495℃, 保温1h, 水淬, 自然时效24h、48h、72h、96h、120h。

1.3 试验设备

试验选用D60K型、精度为±0.12MS/m的涡流电导率测量仪;在每个试样两端分别取3 点测量电导率值, 6 个测量值的算术平均数为该试样电导率值。

2 试验结果及分析

2.1 退火温度对2024 铝合金电导率的影响

图1 显示了退火温度对铝合金电导率的影响。电导率随退火温度升高而降低。这是因为当温度升高时, 合金中第二相溶解增多, 过饱和固溶体的浓度增加, 使基体晶格畸变增加, 基体点阵中的电子散射源的数量和密度也随之增加, 导电电子的平均自由程变小而使电导率下降。

2.2 固溶温度对2024 铝合金电导率的影响

铝合金固溶温度对电导率的影响见图2。从图中可以看出, 随着固溶温度的逐渐升高, 电导率则逐渐降低。固溶程度越大, 作为溶质元素的异类原子引起的作为溶剂元素的晶格点阵畸变越大, 电子的散射越大, 导致电子的平均自由程越小, 电导率越低。此外, 合金组元间的相互作用引起有效电子数减少, 也会使电阻率增大, 从而使电导率下降。

2.3 人工时效温度对2024 铝合金电导率的影响

延伸率与人工时效温度的关系如图3 所示, 可见随着时效温度的升高电导率逐渐增大。这是因为当时效温度升高时, 淬火得到的过饱和固溶体将逐步析出溶质原子, 使合金的晶格畸变程度减少, 内应力降低, 从而使电子运动变得容易, 电导率逐步增大。时效温度越高, 强化相析出越充分, 合金的电导率越高。

2.4 自然时效时间对2024 铝合金电导率的影响

电导率与自然时效保温时间的关系见图4, 随着时间的延长, 电导率逐渐升高, 在96 小时之后变化趋势不明显。这是因为当时效时间增加时, 淬火得到的过饱和固溶体将逐步析出溶质原子, 使合金的晶格畸变程度减少, 内应力降低, 从而使电子运动变得容易, 此时电导率逐步增大。自然时效时间越长, 强化相析出越充分, 合金的电导率越高, 但超过96 小时之后, 析出溶质原子趋于饱和, 因而电导率的变化趋于平缓。

3结论

通过2024 铝合金的电导率试验研究, 我们得出这样的结论: (1) 随着退火温度的升高铝合金电导率逐渐降低。 (2) 铝合金电导率随固溶处理温度的升高逐渐降低, 可用电导率来判断固溶处理时铝合金固溶体的过饱和程度, 如当铝合金的固溶温度持续升高时, 电导率如果持续下降, 说明该铝合金固溶体的过饱和程度在持续提高;如果电导率保持不变, 则说明铝合金固溶体的过饱和程度已经达到极限, 继续升温意义不大。 (3) 铝合金电导率随着人工时效温度的升高而升高, 后期上升趋势缓慢。 (4) 电导率随自然时效时间的延长而逐渐升高, 后期趋于稳定。 (5) 在材料机械性能符合标准的前提下, 可以通过调整热处理参数调整铝合金的电导率。 (6) 两个不同的强度可能对应着一个相同的电导率读数, 两个不同的电导率值也可能对应着一个相同的强度值, 因此, 不能单独用电导率值来确定铝合金的热处理状态。

参考文献

[1]王宁, 石峰.电导率用于铝合金热处理工艺控制和过程检查[J].材料工程, 19949 (6) :37-39.

[2]何和种.热处理对919铝合金电导率和力学性能的影响[J].材料开发与应用, 1997, 12 (3) :6-9.

费森尤斯血透机电导率问题的探讨 篇4

1 原理分析

透析液浓度的准确性是血液透析治疗的基础。透析液的成分与人体内环境相似, 主要有钠、钾、钙、镁四种阳离子, 氯和碱基两种阴离子, 血透机通过监测透析液的电导率, 间接获得透析液的浓度值, 电导率代表了被测物的导电能力, 表示透析液中各种离子的总量, 单位为“ms/cm”。医学上一般采用“mmol/l”来表示离子的浓度, 两者之间的转换并非简单的线性关系, 但在透析用的浓度范围内, 可以较为简单地把电导率“ms/cm”的值乘以10, 作为“mmol/l”单位的值。

血透机正常工作状态下, A液 (浓缩液) 、B液 (碳酸氢钠溶液) 、RO (反渗水) 按一定的比例进行混合后形成透析液, 传感器对透析液的电导率进行监测, 反馈给控制CPU, 控制CPU调整A、B液的吸入量, 使透析液的电导率和处方电导率一致。A、B液的浓度、A、B吸液泵的准确性、流量、温度、电导率传感器内表面污物附着等等都会影响透析液电导率的检测, 因此, 在检查、校准之前, 应尽可能地排除这些因素。

通过模数转换器 (Analog to Digital Converter, ADC) , 电导率值由模拟量转换成数字量, CPU通过计算或查表, 转换成适合于控制的数字值并显示。对于一个ADC的设计, 在满足测量精度、转换速度等要求的条件下, 尽可能在测量范围内接近线性, 以方便检测、计算、控制和校准。对电导率进行校准, 实质就是给电导率的ADC定标, 将真实的电导率值“告诉”血透机, 让血透机进行修正。

2 4008S型机电导率检查和校准状态

4008S型血透机的维修模式, 用于各种参数的检查、设置、校准, 在这个模式下, 可以得知很多在正常工作状态下无法了解的一些机器参数, 给机器的检修带来极大的方便。

在电导率检查态下, 显示介面有act.cond:XX.Xms/cm表示当前机器的测得的电导率值, XXXX ADC-digits表示当前ADC的数字值, 第一个XXXX steps和第二个XXXX steps, 另外还有alpha display (显示) 、concentrate setting (A液设置) 、bicarbonate setting (B液设置) 、temperature setting (温度设置) 。分别在A、B液设置中改变吸入量 (最大改变范围为±10%) , Steps会相应改变, 因此推断第一个Steps是A液吸入量, 第二个steps是B液吸入量, 这个值是吸液计量泵步进电机的数字化步进值, 值越大, 吸入的液体越多。利用外接电导仪或进行透析液抽样生化检查, 就可以知道机器显示值的准确性。

在电导率设置状态下, 显示介面与检查状态类似, 但可以修改电导率值。机器要求改变A、B液的吸入量, 使电导率实际值为12.8ms/cm后确认, 再改变A、B液的吸入量, 使电导率实际值为15.7ms/cm后确认, 完成电导率的校准。也就是“告诉”机器实际电导率的低端值和高端值, 完成ADC的定标, 电导率的实际值可以是外接校准用的电导仪的读数, 在无电导仪的情况下, 透析液抽样生化检测结果作为真实值。

如果按要求进行校准, 非常麻烦, 甚至不可行, 以设置低端值为例, 减少A、B液的吸入量 (例如都设置为-9%) , 等待五分钟左右使透析液浓度稳定, 测量电导率实际值, 如果不是12.8 ms/cm, 继续修改吸入量, 等待透析液稳定, 再检测, 直到实际值为12.8 ms/cm。用电导仪校准, 要花费很长的时间, 抽样生化检测, 所需的时间就更为漫长。如果A、B液的吸入量均已在最小的-10%, 而实际检测值仍高于12.8ms/cm时, 就无法进行校准了。

3 A、B液吸入量对电导率值、ADC值、机器显示值的影响

采用外接电导仪对透析液的浓度进行检测, 所用的电导仪是Mesa Laboratories , Inc.的90XL电导仪, 其电导温度模块在校准周期内。电导率以“ms/cm”为单位时, 可以精确到千分位, 而血透机的显示值仅为十分位, 因此对电导仪的千分位采用四舍五入的方法, 读取90XL电导仪的读数。所使用的A、B液是商品化的成品, 其浓度的准确性和一致性是可以信赖的, 如果使用由粉剂配置的浓缩液, 请一定严格按要求进行配置, 以保证浓度的一致性。

首先, 用一台工作正常的血透机, 在检查电导率状态下, A液吸入量不变 (0%) , 改变B液的吸入量, 可以看出在可调的±10%范围内, 改变B液的吸入量会影响透析液的电导率, 但远远小于血透机12.8-15.7 ms/cm的调节范围。另外在吸入量变化均为0%的状态下, ASetps∶BSetps=243∶296 =1∶1.218, 接近于1∶34配方时A、B液的吸入比1∶1.225, 其误差值可能是由于量化误差, 也可能是由于A、B液吸液泵每步吸入量差异造成的。

对一台作正常的机器 (2006年购置, 使用时间16024小时) , 更换电导传感器 (7# Conductivity cell) , 使机器电导率失准, 为方便检测, B液吸入量不变, 逐步改变A液吸入量, 在检查状态下, 检测机器显示电导率、ADC值、电导仪读数、A泵Setps, 结果如表所示。并按本文提出的校准方法进行校准, 再检查上述四个值, 一并列于表2中。

从校验前后的表中可以看出:吸入量相同时, 步数相同, 理论上表示透析液的实际电导率值是相同的, 此时校验前后ADC值和90XL的值也基本相同, 机器的显示值发生变化, 校准前, 显示值与90XL的读数有0.6 ms/cm左右的误差, 校准后, 基本一致了。A液吸液量设置量变化, 相应的Steps也发生变化, 改变量为2步时, 电导率变化量约为0.09 ms/cm, ADC值变化约为2;改变3步时, 电导率变化量约为0.13 ms/cm, ADC值变化约为3。误差值可用ADC转换的量化误差来解释, 说明ADC在测量范围内有很好的线性, 这也是本文所提出的校准方法的依据。在其它同型号的机器进行测量比对, 也得出类似的结果, 限于篇幅, 不再列出其它机器的测量结果。

表2的测量是在一台无OCM (在线清除率监测) 模块的机器上得到的结果, 对于有OCM模块的机器, 检查状态下, 机器显示的电导率值精确到十分位, 在校准状态下, 电导率显示值精确到百分位, 但校准方法同样适用。

表3列出了部分4008S型机在不同吸入量时A、B泵的Setps, 机器的使用时间从400小时到29000小时不等, 部分机器带HDF模块和OCM模块。从表中可以看:A液低端的步数在214-221之间, 高端步数在260-269之间, 高、低端的吸液量差值在46-48步之间。

4 校准方法

4.1 校准之前先做一次热化学消毒。

4.2 在维修模式-->CALIBRATION (校准) -->CAL.FLOW 500 mL/min, 检查500mL流量的情况, 如果不准确, 校准。

4.3 CALIBRATION (校准) -->CALIB.CONDUCTIVITY (电导率校正) --> CONDUCTIVITY Check (电导率检查) 状态下, 分别测量记录A液在-6%、0%、+10%三种状态下的机器显示电导率值 (C-6%、C0%、C+10%) 、ADC-digits、Steps、Steps值, 并在0%状态下对透析液进行抽样送检。每改变一次A液的吸入量, 应等待5分钟左右使电导率值稳定。

4.4 将生化检测结果中钠、钾、钙、镁等阳离子的浓度值简单相加, 再除以10, 作为在0%状态下的电导率值的真实值CR0。

4.5 在CALIBRATION (校准) -->CALIB.CONDUCTIVITY (电导率校正) --> CONDUCTIVITY Set (电导率设置) 状态下, 低端值在A液吸入值-6%时, 设置为 (C-6%— (C0%—CR0) ) ;高端值在A液吸入值+10%时, 设置为 (C+10%— (C0%—CR0) ) 。

4.6 再做一次A液改变量为0%状态下的电导率检查, 测量值应与CR0差值在±0.1 ms/cm左右。

例如:上表中:校准前C-6%、C0%、C+10%分别为12.9、13.5、14.5, 0%时以电导仪的读数14.09≈14.1作为CR0的值。进入到校准状态, 低端值在A液吸入值-6%时, 设置值为 (C-6%— (C0%—CR0) ) =12.9— (13.5—14.1) =13.5 ms/cm;高端值在A液吸入值+10%时, 设置值为 (C+10%— (C0%—CR0) ) =14.5— (13.5—14.1) =15.1 ms/cm。校准后, 显示的电导率值与90XL测量值非常接近, 可以满足实际治疗的要求了。高低端偏移量的选择并无特别的要求, 例如选择±9%、±7%或其它组合也可以, 只要拉开一定的距离, 在校准状态下输入的数据不会出现无效值 (Invalid Data) 即可。

5 小结

实际正常工作时, A、B液的吸入量与流量、处方电导率是关联的, 我们利用在维修状态下A、B液的吸入量可以单独变化这一特性, 同时利用ADC在测量范围内的线性特性, 完成对机器的电导率的检查和校准。A、B液吸入量的变化, 必然导致透析液电导率的变化, 因此在在检查状态下, 结合吸液泵的吸入量的校准, 逐步测量出吸入量改变时机器的显示电导、ADC、和Setps值, 可以判断传感器的好坏及线性, 方便血透机的维修。

本方法同时也为别的型号的血透机提供一个思路:从血透机电导率控制的过程中总结出它们的规率, 逆向思考, 方便血透机的校准和检修。

摘要：本文针对费森尤斯4008S型血透机, 分析其透析液浓度控制的工作原理, 根据实际测出的数据, 提出一种在无电导仪的情况下, 只需一次透析液生化检测, 就可以校准电导率简单、可靠的方法, 对于很多无电导仪的血透室质控有很大的意义。该方法也适应于费森尤斯其它型号的血透机, 同时也可用于相关故障的排除。

关键词：血液透析,电导率,质控ADC

参考文献

电导率的数据 篇5

在生态学中, 电导率是以数字表示的溶液传导电流的能力, 以m S/m表示, 而生理体液多以m S/cm计量。体液电导率的大小主要与其电解质浓度有关, 并受温度影响。现代医学已有众多生命体征参数监测装置供医院选择, 但尿液监测显然未受到足够重视, 传统的间断测量尿比重、渗透压、尿常规、手工目视计量等方法仍在沿用。一些对集尿装置精细化改进的研究, 仍然需要进行目测和手工定时计量[1,2,3,4]。尽管近年来出现了以光电传感仪记录尿液滴数[5]、以尿液压力差和流经时间计算尿液流速、手工输入尿比重并称重自动计量尿量的装置, 但尿液浓度的动态变化仍被忽视。因此, 我们研制了一种自动计量尿液容积和电导率的装置, 为尿液流速和电解质浓度的连续自动监测提供了便利, 现介绍如下。

1 设计思路

急危重症患者在急救时, 血压和尿量是否正常, 是脏器血流灌注是否充分的快速直观的指标, 尿液浓度则反映血容量和肾功能状况。现有的监护仪都没有设置自动监测尿量和尿浓度的功能, 须人工耗时记录或送检, 因而这2个重要指标难以被利用和重视。前述的尿量自动计量方法已成熟, 但尿液浓度仍需人工计量。经查阅, 国内已有多篇文献报道了尿液电导率与尿比重和渗透压的良好相关性, 且正常人尿液电导率的正常参考范围为 (22.9±12.9) m S/cm[6,7], 处于电极常数为10的电导率电极的测量范围 (2~100 m S/cm) 。但这些研究均为利用尿沉渣仪和实验仪间断测量尿标本的电导率, 难以满足急危重症患者救治时自动连续监测的需要。为此, 研制自动测量装置, 使尿液电导率和尿量的测量、显示、报警自动化, 将提高临床医师对这2个无创参数的重视程度。

2 系统结构设计

系统结构如图1所示。

2.1 尿液测量池

尿液测量池用整块有机玻璃加工制作, 包括底部的尿液进、出三通接口和顶部的顶盖。其中, 三通接口与硅胶软管和尿液进、出管连接;顶盖上固定安装有已知电极常数 (K≈10) 的铂金玻璃电极 (电导率电极) 、温度电极和液位感应电极。以上3个电极通过导线与测量电路连接。盖上顶盖后, 3个电极处于测量室中央位置, 各电极处于不同平面, 相互绝缘。测量池一侧设有尿液溢出口, 其水平位置略高于感应电极, 通过硅胶管与电磁阀远端的尿液出管相通, 用以保障感应电路或电磁阀故障时也能顺利将尿液导入尿袋, 从而防止尿液溢出后污染尿液测量池下方的电磁阀。

2.2 测量电路

测量电路是以单片机为核心的硬件测量系统, 并进行温度采集和温度补偿等工作。图2为该电导率测量系统的原理框图。系统以51系列单片机为核心控制器件。单片机发出2个频率不同的方波信号来驱动电导率测量电极, 并通过对多路转换开关进行控制, 分时测量尿液测量池中溶液的电导率和溶液的温度, 分别对各信号进行放大、滤波和A/D转换。

作为电导率测量电路, 要求输入激励源的频率与幅值必须非常精确、稳定, 尤其是幅值指标对测量数据准确性的影响很大。为此, 设备专门对信号发生器的输出信号进行整形。测量电路中的高精度电压基准源MCl403输入+5 V电压, 经过电阻和电位器分压得到稳定的+2 V电压, 经通用高速、高阻运放TL084缓冲进入模拟开关CD4052的0通道, 其他通道和INH引脚均接地, 保证模拟开关上电工作。信号源接入通道选择引脚B, 只要信号源频率稳定, 且能保证提供模拟开关所需要的高低电平就可以了, 对信号源幅度的限制大大降低。从模拟开关的连线可以知道随着信号源方波的加入, 模拟开关的0通道和2通道交替选通, 从而交替输出0 V电压和2 V电压, 即正脉冲。模拟开关与下一级运放缓冲之间加一手动开关, 试验过程中需要切换正脉冲和信号源。正脉冲经缓冲接到电导率测量电路输入端。这样得到的激励源幅值是很稳定的, 且十分准确, 仅存在十几m V的偏差。信号源采用交流方波, 且幅值很小, 有利于消除极化效应的影响。

测量电路由单片机控制电导率电极、温度电极和液位感应电极的测量及电磁阀的启闭, 通过内置的无线网卡与控制/显示屏系统间进行无线数据通信。

2.3 电磁夹管阀

尿液三通进管夹常开, 患者尿液经导尿管和三通入管依重力进入测量池;尿液三通出管夹常闭。电磁夹管阀的启闭动作由感应电极启动, 由测量电路控制电磁夹管阀启闭的持续时间 (s) 。

2.4 控制/显示触摸屏

控制/显示触摸屏系统可输入参数如患者姓名、体质量、住院号等, 与测量电路之间采用Wi-Fi无线通信, 具备预设每次计量尿液量 (m L) 、排空时间 (s) 、报警上下限、光声报警等功能。测量数据在显示触摸屏上以坐标折线和单位数据的形式双重实时显示并自动保存。单位数据为最近第1、4、8、12、24 h (可调) 的累计尿量 (m L) 和平均尿量 (m L/h) 。当输入患者体质量参数时平均尿量显示为m L/ (kg·h) 。

2.5 软件算法的实现

首先采用双频法将电极间的分布电容作为一个未知变量引入电导率的计算中, 从而避免在传统交流计算方法中分布电容对电导率测量精度的影响。同时采用迭代算法将复杂的计算方法简化, 使之可以在单片机中进行编程和应用。其次采用二次插值的方法对电导率的实测值进行温度补偿, 从而提高电导率仪的温度补偿精度, 达到提高电导率仪测量精度的目的, 并且根据给出的电导率和温度补偿的算法分别设计对应的数据处理子程序。

2.6 总电源

外接12 V交流电源。

3 工作原理

尿液依重力自三通入管进入尿液测量池, 达到液位感应电极平面时触发计量和尿液排空一次。计量内容包括尿液的预设容积、电导率、温度。由电磁夹管阀的出管软管夹上缘至感应电极尖端水平的固定容量决定每次计量的尿液容积 (可标定和预设) , 尿液计量容积除以相邻2次测量的间隔时间, 即为该时间段的尿液流速 (m L/h) 。由测量电路向电导率电极施加交变正负2 V方波脉冲电压10次, 1 ms/次, 间隔1 ms测量其回路电流并取均值, 由此计算尿液电导值G (G=I/V, I为测试电流值, V为试验电压值) , 并推算出尿液电导率值S (S=KG, K为试验电极的电极常数) 。最后结合所测尿液温度值C, 通过温度校正公式S25℃=S/ (1+0.02× (C-25) ) 计算得换算至25℃下的电导率值 (m S/cm) , 并显示于显示/触摸屏的坐标上。瞬时测量完成后, 控制电路开启尿液出管电磁阀 (常闭型) 和关闭尿液进管电磁阀 (常开型) 达预设时间, 确保尿液排空后电磁阀自动复位, 然后进入下一次计量。以上测量值可以导出为Excel表格文件。系统软件具备事件标示功能, 便于科研记录、拓展报警内容及综合评价患者情况。设置的膀胱冲洗键可输入冲洗液量 (m L) , 系统自动计量排出的液量达冲洗液量后, 继续自动计量尿液电导率和流速 (如图3所示) 。

4 性能试验和结果

4.1 试验方法

以上海仪电科学仪器股份有限公司生产的DDS-307型电导率仪 (电极常数为10) 和深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司生产的PM-8000Express便携式多参数监护仪 (显示数字温度) 为参照, 与自研装置对比测试同一容器中不同浓度和温度的盐溶液, 共69份。

4.2 试验结果

如图4所示, 通过对69份溶液样本的测定, 自研装置测得的各样本温度值与参照设备所测温度值近似, 变化趋势高度相关 (r=0.961, P<0.01) 。如图5所示, 通过对69份溶液样本的测定, 自研装置测得的各样本电导率值与参照设备所测电导率值近似, 变化趋势高度相关 (r=0.999, P<0.01) 。

5 应用及讨论

为进一步验证自研装置测量的准确性, 通过间断测量法, 与检验科的自动尿沉渣检测仪和实验用电导率仪同时测量724份门诊和住院患者的尿液样本, 结果与性能试验一样, 几种测量方法的结果高度近似和相关。在自研装置连续工作的稳定性测试方面, 经急诊科、麻醉科、肾内科、重症医学科等172例留置导尿管患者连续使用2 h~16 d, 证实自研装置性能稳定, 并且发现用医用75%酒精10 m L隔日冲洗管路, 可避免连续使用期间的尿垢堵塞。

尿量和其浓度监测是临床基本内容之一, 尤其在急危重症的救治过程中尤为重要。其监测结果能反映肾脏灌注状态和尿液浓缩功能, 而肾功能支持是防止病程向多器官功能障碍发展进而死亡的最重要一环。常用的手工计量尿量、尿比重和渗透压测量是间断性检测人工送检的标本, 且操作复杂、设备昂贵, 难以满足危重病救治时自动连续监测的要求。

国内已有一些学者应用尿沉渣仪能够检测尿电导率的特点, 对比研究了尿电导率与比重、渗透压的关系, 发现相关性很好[7,8], 且电导率主要受带电粒子 (电解质) 浓度的影响, 不受有机分子 (蛋白、细胞、糖、造影剂、结晶盐) 的影响, 其反映肾脏的浓缩和稀释功能较稳定, 可以替代传统的尿比重和渗透压检测[8,9]。这些可能的影响因素对自研装置在连续使用状态下是否产生影响, 今后将进一步研究。

本文研制的基于容积和电导率的尿液自动连续监测装置能自动连续显示患者尿液的流速和动态电导率, 更好地满足危重病救治需要, 提高效率、减少误差。经过盐溶液样本测试、患者尿液样本测试、床旁连续试用等方法, 初步证实了自研装置测量结果的可靠性, 但装置的临床实用性、耐久性、智能化以及电导率值结合尿量指标在监测肾功能方面的临床意义等, 仍需后续实验进一步验证提高。

参考文献

[1]张桂春, 许敏昭, 李培珍.新型尿量监测装置的研制与应用[J].广西医学, 2009, 31 (7) :950-951.

[2]杨芬, 李仕芬, 莫静丽, 等.尿量测量滴定装置制作及应用[J].护士进修杂志, 2005, 20 (8) :678.

[3]张淑芬, 曹琳.新型尿液排放计量装置的研究[J].齐鲁护理杂志, 2004, 10 (10) :797.

[4]李磐志.尿液引流及测量装置的改良研究与应用[J].齐鲁护理杂志, 2010, 16 (7) :31-32.

[5]张东衡, 徐军, 郑风, 等.基于光电传感器的尿量监测仪设计[J].制造业自动化, 2010, 32 (5) :122-124, 128.

[6]沈薇, 杜振东, 张军, 等.UF2100尿液分析仪检测尿液电导率与比密的关系及正常值参考范围研究[J].现代检验医学杂志, 2007, 22 (6) :51-52.

[7]姜文玲, 夏运成, 许向青, 等.两种方法测定的尿液渗透压和尿液电导率相关关系分析[J].中国医学工程, 2007, 15 (2) :163-165.

[8]陈松, 杨永刚.尿液电导率与肾脏远曲小管功能的相关关系分析[J].中国中西医结合肾病杂志, 2011, 12 (8) :716-717.

电导率的数据 篇6

随着药用水、生物用水、锅炉用水以及大型发电机组冷却用水的急剧增加,膜技术作为高效节能的分离技术得到了跨越式的发展。电导率不仅成为衡量去离子水纯度的一项重要技术指标,也是评价膜分离效果的重要依据[1],因此,实现水质电导率的准确测量变得尤为重要。近年来,微计算机控制的电导率测量仪表已取代了机械指针仪表,并实现了电导率的在线测量,但存在测量精度低、稳定性差、温度补偿不够的缺点。针对这些缺点,本研究在分析电导率在线测量原理和干扰因素的基础上,设计了温度在线补偿、信号采集及数据处理电路。

2 总体方案设计

电路设计以AT89S52单片机为核心,主要包括电导率信号采集电路、温度补偿电路、模数转换电路、控制电路及显示电路,整体设计框图如图1所示。

电路的工作原理:信号源产生占空比为50%的正负脉冲电压加到电导率电极的两端,流经电极的电流信号被放大滤波后,经过A/D转换送入单片机,完成电导率信号的采集;同时通过温度传感器DS18B20对水温进行在线采集,送到单片机,单片机对这两个信号进行数据处理后,完成对电极极化和温度产生误差的补偿,并把结果通过LCD显示器显示出来。

3 电导率测量原理

电导率κ是水溶液导电能力的重要标志,是电阻率ρ的倒数[2],根据电阻率的公式(式中,R为导体电阻,Ω;A为导体有效横截面积,cm2;L为导体的有效长度,cm),电导率(式中,为电极常数)。因此,通过测量水质电阻R即可求出电导率κ。

电导率传感器在测量时与水溶液形成了电导池,它不能简单等效为电阻,其简化等效电路如图2(a)所示。R1为电导池中的介质电阻,C2为电导池的极间电容和连接电缆的分布电容,C1为电极极化效应产生的电容。当电极选定后,C1、C2即为常数,通常情况下C1(μF级)>>C2(p F级)[3]。选择高频信号源可以减少C1对测量的影响,却会引起C2较大测量误差,当系统选择频率为2 k Hz、幅值为±2 V的脉冲信号时,可将电导池等效电路进一步简化为图2(b)。

影响电导率测量的因素主要有两个:温度和电极极化效应。温度对水的电导率测量影响最大,水温上升,粒子水化作用减弱,运动阻力减小,定向运动加快,电导率增大,反之减小。工业上以溶液温度25℃时的电导率为该溶液的电导率,其温度补偿公式[4]为:

式中,Kt为温度t时的电导率;K25为转换成25℃时的电导率,即为所求电导率;α为温补系数;t为测量时温度。电极极化效应对水的电导率测量精度的影响比温度影响要小。当电极两端加上电压时,在电场的作用下正负离子反向运动,产生内部电场,内部电场方向与外加电场方向相反,阻止了离子导电作用,使电导率减小。为减小电极极化误差,系统采用了正负方波脉冲作为激励源。

4 硬件电路

4.1 温度补偿

温度是影响电导率测量精度的一个重要因素,系统设计了实时温度补偿电路,减小温度对水质电导率测量的影响。DS18B20数字温度传感器应用了DALLAS半导体公司推出的一项特有的1-wire Bus技术,它采用单根信号线,既可传输时钟,又能传输数据,而且传输数据是双向的[5]。采用DS18B20采集温度,电路简单,硬件成本低。在-10~85℃的范围内的误差为±0.5℃,满足系统对温度补偿的要求。系统利用DS18B20温度传感器采集温度值,传给单片机,再通过软件编程补偿温度误差。

4.2 信号采集

信号采集电路由电导池、正负方波脉冲电路和采样保持电路组成,采集原理如图3所示。由于正负脉冲发生器发出的信号前半周期和后半周期同值反向,电极极化误差被大大削弱,经放大器放大输出的电压信号Vo在被采集时已相对稳定,A/D采样点位于电压波形稳定后的平坦部位,在一段时间内系统相当于受到一个恒定直流电压信号的激励,被测信号无需复杂的处理,如相敏解调、滤波等环节,这样可以简化系统硬件结构,提高系统采集速度。

4.2.1 正负方波脉冲

为减小极化效应产生的误差,系统采用了L7812和L7912三端稳压器作为激励信号发生器,如图4所示。L7812为正压输出稳压电源,L7912为负压输出稳压电源。由于被测水质的导电能力不同,电导率会相差很大。当被测电导率信号较小时,为尽可能加大系统的有用信号,以便能从系统噪声中提取出来,激励电压源的幅值应尽可能大,但加在电导率电极两端的电压幅值也不能过大,应控制在10 V以下,所以选用了L7812和L7912为系统提供±12 V的稳压电源。MAX303是Maxim公司生产的高性能开关芯片,开关闭合时间短于150 ns,断开时间短于100 ns[6]。同时导通电阻小于22Ω,能够满足系统要求。

4.2.2 采样保持及A/D转换

在A/D转换之前,系统设计了采样保持电路,保持芯片采用美国国家半导体公司生产的LF398,它具有很高的捕获时间(短于10μs)和低的衰减率,跟随的精度误差不大于0.002%[7],其优点是只需要一个保持电容就能完成采样保持功能。

MAX197芯片是由美国Maxim公司生产的8通道、12位A/D转换器,它采用逐次逼近的工作方式,内部输入保持电路将模拟信号转换为12位数字量输出,其并行输出口很容易与单片机接口[8]。系统采用89S52单片机控制MAX197实现电压测量,使用MAX472实现被测电流到电压的转换。单片机通过设置P1.7的高低电平实现对MAX197输出数据的高低位控制;通过设置P1.6的高低电平实现MAX197的中断控制。A/D转换电路图如图5所示。

5 软件设计

程序使用C语言编写,配合伟福6L仿真器仿真调试。软件采用模块化设计,程序包括一个主程序Main()和应用子程序:初始化程序、电导率采集子程序、A/D转换子程序、LCD显示子程序等。初始化程序在上电复位后对单片机及其外围芯片赋初值,为正常工作做好准备。信号采集子程序是系统软件设计的重要环节,其设计流程图如图6所示。

6 小结

在分析水质电导率的测量原理和影响电导率测量精度的主要因素(包括温度和电极极化效应)的基础上,采用单片机技术,设计在线检测电导率信号的硬件结构和软件编程。通过对具体硬件系统的反复比较和筛选,保证了系统的稳定性和可靠性;通过软件编程,实现了电极极化误差和温度补偿。为实现以电导率测量为核心的多参数水质检测系统的研究打下坚实的基础。

参考文献

[1]林波,张效玮,贾科进,等.基于双极性脉冲电压的水电导率仪控制系统的设计[J].电子器件,2007,30(3):921-925.

[2]郑联英.水溶液电导率的测量方法研究[D].北京:北京化工大学,2007:4-6.

[3]方建安.电化学分析仪器[M].南京:东南大学出版社,1992:195-242.

[4]Randall E W,Wilkinson A J,Cilliers J J,et al.Current Pulse Technique for Electrical Resistance Tomography Measurement[C]//Proceedings of the Second World Congress on Industrial Process Tomography,August29-31.Germany:Hanover,2001:493-501.

[5]王海燕,朱孟府.清洗消毒机程序式控制系统的设计[J].医疗卫生装备,2005,26(10):14-15.

[6]张敏.一种新型工业电导信号测量仪的研制[D].浙江:浙江大学信息科学与工程学院,2005:23-32.

[7]陈志文.自动换挡水电导率仪的研制[D].河北:河北工业大学,2004:16-18.

电导率的数据 篇7

1 实验部分

1.1 原料与仪器

3-甲基吡啶,二溴丁烷,KPF6,乙酸乙酯,丙酮,乙腈,环丁砜,无水乙醇,二甲基亚砜,N-甲基吡啶,N,N-二甲基甲酰胺。

电子分析天平,循环水真空泵,磁力搅拌器,电动搅拌器,三口烧瓶,分液漏斗,温度计,移液管,恒温水浴箱,DSC差示扫描热量仪,IR、电导率仪。

1.2 离子液体的合成与纯化

1.2.1 合成方法

(1)3-甲基吡啶与二溴代烷在以异丙醇为溶剂的体系中反应生成双烷基3-甲基吡啶溴盐离子液体。反应方程见式1:

(式1)

(2)双烷基3-甲基吡啶溴盐离子液体与六氟磷酸钾经阴离子交换合成双烷基3-甲基吡啶六氟磷酸盐离子液体。反应方程见式2:

(式2)

1.2.2 合成步骤

(1)双烷基3-甲基吡啶溴盐的合成

称取20.58g二溴丁烷和20.51g 3-甲基吡啶(物质的量之比为1.0∶2.2),倒入三口反应瓶中,然后加入5mL异丙醇,电动搅拌开始升温,温度控制在70～80℃后,继续电动搅拌反应过程中根据体系的黏度适量加入异丙醇,反应4～6h,体系呈黏稠糊状,加丙酮将其转移至烧杯中,有白色固体出现,减压抽滤,滤饼用丙酮洗涤3次,100℃干燥后得到产品为白色晶体,即为[C4(MPy)2][Br]2。

(2) 双烷基3-甲基吡啶六氟磷酸盐离子液体的合成

称取24.48g[C4(MPy)2][Br]2于烧杯中加150mL蒸馏水磁力搅拌溶解。按物质的量之比为1∶2.1称取23.54g KPF6于另一塑料烧杯中,加蒸馏水溶解。将溴盐过滤到一个1000mL的烧杯中,然后过滤KPF6溶液滴加到溴盐离子液体溶液中,加入过程中有大量白色沉淀析出。加完后继续搅拌约4h,然后减压抽滤得到[C4(MPy)2][PF6]2白色固体,后将固体转移至烧杯中,加蒸馏水洗涤,用AgNO3检测滤液,若没有白色沉淀生成,表明产品中的KBr洗涤完全。100℃烘干,然后将样品瓶放入干燥器中,待用。

1.3 产品的纯化

溴盐离子液体用丙酮洗涤后,通过测溴离子含量,含量可达到99%以上后,合成六氟磷酸盐离子液体。用二甲基亚砜充分溶解,过滤,除去不溶杂质,过滤后所得溶液加适量的水,由于六氟磷酸盐离子液体不溶于水,可以使其从水中析出,减压抽滤,105℃烘干,装入样品瓶中放入干燥器,待用。

1.4 样品的表征

(1)液相色谱分析(HPLC)

色谱柱:WaterS C18;色谱柱温度:30℃;检测器:紫外光220nm照射;检测器温度:115℃;流动相:乙腈;流速:0.8mL/min。纯度计算采用面积归一化法。

(2)红外光谱分析(IR)

产物的红外光谱是用KBr压片经德国Bruker TENSON 27红外光谱仪测得。

在200～4500cm-1红外光谱分析得出的光谱图与基团的光谱图对照,可以分析出合成的离子液体的结构[4,5,6]。

1.5 电导率的测定

1.5.1 测定方法

使用DDS-307型电导率仪,用容量瓶配制离子液体在DMF、DMSO等溶剂中不同浓度的有机溶液,在常温下对不同浓度下每种离子溶液的电导率进行测定;用恒温水浴箱控制温度的变化,对不同温度下每种离子液体的电导率进行测定。

1.5.2 测定步骤

(1)准备工作:

将待测液体倒入试管中,在恒温水浴箱中保持所需要的测定温度。电导仪要开启预热30min后方可使用。电导仪上所带的铂黑电极不用时应浸没于蒸馏水中,使用前要再用蒸馏水冲洗干净,用滤纸将其头端擦干,并保持干燥,以待使用。

(2)校准:

旋转检查钮至1.0处,后旋转校准钮,当显示器至100时停止,再将旋钮调至显示器出现105.9为止(该电导仪的电极常数为105.9)。固定数据,即可使用。

(3)测定:

将铂黑电极插入恒温中装有离子液体的试管,旋转档位键,至数字显示栏中出现读数。静置,待读数不再发生变化后读取,即得到该测定温度下该种离子液体的电导率。后改变水浴箱设定温度并处理电极,待温度稳定后重复上述操作,即可测得不同温度下不同离子液体的电导率[7,8,9,10]。

2 结果与讨论

2.1 离子液体纯度的表征

(1)液相色谱法

液相色谱分析(HPLC)在色谱柱:WaterS C18;色谱柱温度:30℃;检测器:紫外光220nm;检测器温度:115℃;流动相:乙腈;流速:0.8mL/min等条件。测试结果如图1。归一法计算出[C4(MPy)2][PF6]2纯度为99.40%。

(2)红外光谱法

对产物[C4(MPy)2][PF6]2进行红外光谱分析,结果见图2。

从图2可以看出:3442cm-1处是吡啶环上C-H伸缩振动吸收峰;2937cm-1处3个小峰是烷基C-H 键伸缩振动吸收峰,也是烷基链的特征吸收峰;1508cm-1和1255cm-1范围内出现的5个吸收峰是吡啶环的特征吸收峰;1176cm-1芳环的C-H面内弯曲振动,这一吸收带内出现一组7个中到弱的吸收峰;719cm-1是-CH2-平面摇摆振动吸收带,这一吸收带强度可以粗略的判断烷基链的长度C-H 伸缩振动吸收峰。PF-6红外吸收峰在552.4cm-1附近。从产品的红外光谱分析可知该产品与3-甲基吡啶六氟磷酸盐的结构相符。

2.2 电导率

(1)在293～343K温度范围及0.02～0.4mol/kg浓度范围内,[C4(MPy)2][PF6]6离子液体在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)有机溶剂中不同浓度、不同温度下的电导率数据。由数据作图,可得离子液体电导率随温度、浓变化关系分别如图3、图4所示。

由图3得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在DMF中的电导率随着温度的升高而增大,温度高时分子内能高,所以越不稳定,离子越多电导率越大;并且从低浓度到高浓度可以看出,浓度越大时电导率增加的梯度越大。由图4得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在DMF中的电导率随着浓度的增大而增大,当浓度增加到一定程度后,解离度下降,离子运动速率降低,电导率也将降低。

(2)在293～343K温度范围及0.02～0.4mol·kg-1浓度范围内,[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在二甲基亚砜(DMSO)有机溶剂中不同浓度、不同温度下的电导率数据。由数据作图,可得离子液体电导率随温度、浓变化关系分别如图5、图6。

由图5得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在DMSO中的电导率是随着温度的升高而增大,并且浓度增加的梯度越大电导率值变化梯度就越大。由图6得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在DMSO中的电导率随着浓度的增大而增大,当浓度增加到一定程度后,解离度下降,离子运动速率降低,电导率也将降低。

(3)在293～343K温度范围及0.02～0.4mol/kg浓度范围内,[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在N-甲基吡咯烷酮(NMP)有机溶剂中不同浓度、不同温度下的电导率数据。由数据作图,可得离子液体电导率随温度、浓度变化关系分别如图7、图8。

由图7得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在NMP中的电导率是随着温度的升高而增大;由图8得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在NMP中的电导率是随着浓度的增大而增大;并且浓度增加的梯度越大电导率值变化梯度就越大。

(4)在293～343K温度范围及0.02～0.4mol/kg浓度范围内,[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在乙腈有机溶剂中不同浓度、不同温度下的电导率数据。由数据作图,离子液体电导率随温度、浓变化关系分别如图9、图10。

由图9得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在乙腈中的电导率是随着温度的升高而增大;由图10得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在乙腈中的电导率是随着浓度的增大而增大;并且浓度增加的梯度越大电导率值变化的梯度就越大。

(5)在293～343K温度范围及0.02～0.4mol/kg浓度范围内,[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在环丁砜有机溶剂中不同浓度、不同温度下的电导率数据。由数据作图,可得离子液体电导率随温度、浓度变化关系分别如图11、图12。

由图11得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在环丁砜中的电导率随着温度的升高而增大;由图12得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在环丁砜中的电导率随着浓度的增大而增大;并且浓度增加的梯度越大电导率值变化的梯度就越大。

(6)在293～343K温度范围内,0.06mol/kg[C4(MPy)2][PF6]26离子液体在上述DMF、DMSO等五种有机溶剂中电导率数据。由数据作图,可得离子液体在5种不同有机溶剂中电导率随温度变化关系如图13。

(a:环丁砜;b:NMP ;c:DMSO ;d:DMF ;e:乙腈)

由图13可以得出:[C4(MPy)2][PF6]2离子液体在有机溶剂中的电导率是随着温度的上升而上升的,并且在相同温度下电导率在有机溶剂中的大小关系为:环丁砜 < N-甲基吡咯烷酮(NMP)< 二甲基亚砜(DMSO)< N,N-二甲基甲酰胺(DMF)< 乙腈;对于离子化合物来说,水和其他极性溶剂的作用主要是削弱晶体中离子间的引力。

3 结论

(1)在室温条件下,双阳离子型吡啶六氟磷酸盐离子液体在有机溶剂中的电导率随着离子液体浓度的增加而增大;因为增大浓度可以促进离子向电离的方向移动,从而得到更多的离子这有利于提高溶液的导电性能。

(2)在293～343K温度范围内,浓度为0.06mol/kg时双阳离子型吡啶六氟磷酸盐离子液体在有机溶剂中的电导率随着温度的上升而增大,因为升高温度可以增强离子的活动能力,使离子液体的电离变得更为容易,还可以降低体系黏度和提高离子迁移能力,都有利于提高体系的离子导电性能。

(3)浓度为0.06mol/kg、相同温度下,乙腈的电导率最大;环丁砜的电导率最小。

参考文献

[1]梁红玉,宫红,姜恒,等.离子液体未来化学工业中的绿色溶剂[J].当代化工,2002,32(1):60-62.

[2]邢光,冯家平,王鹤庆,等.绿色溶剂-离子液体的研究进展[J].华工科技市场,2007,30(12):27-28.

[3]姜妲,尹振,翟玉春.离子液体及其研究进展[J].材料导报.2006,20(5):89-90.

[4]Hong Xue,Rajendar Verma,Jean’ne M Shreeve.Review of ion-ic liquids with fluorine-containing anions[J].Jounmal of Chem-istry,2006,127:159-163.

[5]闵江马,付时雨.离子液体的合成与功能化设计[J].广州化学,2005,30(3):39-45.

[6]Elaiwi A,Hitchcock P B,et al.[J].J.chem.Soc,Dalton Trans,1995,3467-3472.

[7]王建英,赵风云,刘玉敏,等.1-烷基-3-甲基咪唑系列室温离子液体表面张力的研究[J].化学学报,2007,65(15):1445-1446.

[8]赵宁,董文举,石起增.苯甲醛在离子液体中的电化学行为[J].电化学,2006,12(1):80-84.

[9]杨许召,王军,李刚森.室温离子液体1-烷基-3-甲基咪唑硫酸甲酯的合成及电导率研究[J].精细与专用化学品,2007,15(10):16-18.

电导率的数据 篇8

关键词：黑火药,硝酸钾含量,电导率法

黑火药是我国古代的四大发明之一,是人类历史上出现的最早的火药,也是现代炸药的前身。它是由硝酸钾、硫磺和木炭三种原料按一定比例制成的混合火药。长期流传的简易配方为“一硝二黄三木炭”,就是16两为1斤的一斤(500g)硝酸钾,二两(62g)硫磺和三两(93g)木炭。基本与现代黑火药的常用配比KNO3:S:C=75%:10%:15%相符。用于烟花爆竹行业中的黑火药称为民用黑火药。民用黑火药分为四个品号,1~3号为颗粒状,4号为粉末状,常用来当作发射药、引燃药等,使用量大,范围广。各组分的配比应符合表1所示。

黑火药中各组分含量的测定,我们通常采用的方法是GJB1047-2004黑火药试验方法。其中对于硝酸钾含量的测定是利用黑火药中硝酸钾易溶于水,而硫磺和木炭水溶性差的特点,通过水的提取,过滤,从而实现硝酸钾与硫磺、木炭的分离,然后蒸发,烘干,称重,最后通过计算,得到硝酸钾的含量。该方法步骤繁琐,耗时较长(一次实验最少需要7小时),且准确度受过滤、蒸发、烘干等环节因素影响。为此,本研究采用新的方法进行测定。该方法较快速准确、试验操作简单且影响因素少。

1 测定方法设计

电导率是测定溶液中离子多少的一种指标。测定溶液的电导率是间接地表示溶液浓度的最简便的方法。当溶液浓度升高时,溶液中离子增加,导电能力增强,溶液的电导率值升高;当溶液浓度降低时,溶液中离子减少,导电能力减弱,溶液的电导率值下降。通过测定硝酸钾溶液的电导率,根据电导率和浓度之间的关系,得出硝酸钾的含量。

2 实验

2.1 试剂与仪器

试剂:二苯胺硫酸溶液(0.2%),硝酸钾固体试剂(A.R.)

仪器:DDS-11A电导率仪(上海日岛科学仪器有限公司),SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵(河南巩义市予华仪器有限责任公司),AL204分析天平(梅特勒-托利多)

2.2 实验方法

将一定量的黑火药加水溶解、过滤(分离出木炭和硫磺),提取含有硝酸钾的水溶液并稀释到一定体积,在一定温度下测定其电导率,换算成硝酸钾含量。

2.3 实验步骤

(1)绘制标准曲线。配置不同质量分数硝酸钾溶液,在相同的测试温度下,采用电导率仪测定溶液的电导率,并且绘制电导率--硝酸钾质量百分数曲线图。

(2)测定硝酸钾含量。称取研磨后(粉状黑火药无需研磨)的试样0.2±0.0003g,放入烧杯内,然后用热水溶解、过滤、洗涤到容量瓶中,洗至不含硝酸根为止(用二苯胺硫酸溶液检查时不呈现蓝色)。待滤液冷却后稀释至250m L。

倒出约40m L滤液于烧杯内,将电导电极浸入,严格控制滤液温度与绘制标准曲线时温度一致,待读数稳定后记录电导率值。

查标准曲线后计算结果。

硝酸钾质量百分数(X)按1式计算:

式中:A-查标准曲线得出的硝酸钾质量百分数;

W-测得的黑火药水分质量百分数。

(3)水分的测定。称取黑火药10g,精确至0.0002g,置于洗净烘干的称量瓶内,放入烘箱中,取下瓶盖,在100±2℃的温度下30min,盖上瓶盖后取出,置于干燥器内冷却30min后,称量,直至恒重。

水分质量百分数(X)按式(2)计算:

式中:m1-烘干前试料与称量瓶的质量,g;

m2-烘干后试料与称量瓶的质量,g;

m-试料的质量,g。

3 实验结果

3.1 标准曲线

在室温24℃下,进行实验,实验结果如图1所示。

3.2 水分含量(如表2)

3.3 硝酸钾的含量(如表3)

通过查图,即可知道硝酸钾的质量分数为74.92%

通过计算,即可知道硝酸钾的质量分数为75.52%。根据黑火药性能指标,可以判断该黑火药硝酸钾含量符合标准要求。

4 结束语

(1)采用该方法,简便快捷,只需要测定黑火药水分和黑火药的电导率即可通过标准曲线计算出黑火药中硝酸钾的含量。

(2)采用该方法,影响的因素少,准确度高,重现性好。

参考文献

[1]GB18450-2001.民用黑火药[S].国家质量监督检验检疫总局,2001.

[2]GJB1047-2004.黑火药试验方法[S].国防科学技术工业委员会,2004.

[3]武汉大学.分析化学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1995.

[4]卢樱,孙霖,陈静,等.黑火药组分测定新方法[J].火工品,2013,4:53-56.