【畢業(yè)學(xué)位論文】鋁酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤儀的開發(fā)與應(yīng)用-冶金物理化學(xué)

分類號(hào)密級(jí)U D C 編號(hào)中 南 大 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 論文題目 : 鋁酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤儀的開發(fā)與應(yīng)用學(xué) 科、專 業(yè) : 冶金物理化學(xué)研究生姓名 : 張立川導(dǎo)師 姓 名 : 陳啟元 教授 , 尹周瀾 教授中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 I 摘 要 對(duì)不加晶種的均相成核過(guò)程動(dòng)力 學(xué)規(guī)律的研究，將為解釋過(guò)飽和鋁酸鈉溶液分解機(jī)理提供更為重要、更為直接的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，由于研究手段的限制，目前對(duì)此一研究仍顯得相當(dāng)困難。一般通過(guò)對(duì)成核前后溶液濁度、濃度、電導(dǎo)等性質(zhì)的變化來(lái)測(cè)定反應(yīng)誘導(dǎo)期，并與經(jīng)典的均相成核理論相結(jié)合，獲得過(guò)程動(dòng)力學(xué)信息。 本文采用電導(dǎo)測(cè)量技術(shù)，結(jié)合溶 液均相成核理論，研制開發(fā)了鋁酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤儀，通過(guò)在線檢測(cè) 23 K， 28 K 和33 苛性比 k苛性鈉濃度 0110 g/定反應(yīng)誘導(dǎo)期，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)理論計(jì)算，得出反應(yīng)過(guò)程的基本規(guī)律。 研究得到實(shí)驗(yàn)條件下，過(guò)飽和鋁 酸鈉溶液均相成核過(guò)程中的表觀反應(yīng)級(jí)數(shù) n68，表觀反應(yīng)活化能 0.2 kJ/ 435 界成核半徑 m。計(jì)算結(jié)果表明鋁酸鈉溶液成核過(guò)程為單純的均相反應(yīng)機(jī)制，且成核速率與溶液相對(duì)過(guò)飽和度存在較強(qiáng)的依賴關(guān)系，整個(gè)成核過(guò)程屬化學(xué)控制過(guò)程。 研究計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果相 吻合，表明該套儀器既滿足鋁酸鈉溶液均相成核研究過(guò)程所要求的精度和準(zhǔn)確度，又避免了常規(guī)檢測(cè)方法精度不夠，新型多種儀器聯(lián)用法設(shè)備要求高、操作繁冗的缺點(diǎn)，因此，該套儀器在溶液均相成核動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞 ：鋁酸鈉溶液，均相成核，電導(dǎo)儀，電導(dǎo)電極，在線檢測(cè)中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 I he of of is of l(to of of of is to of l( is by as so l( of a 23K， 328K， 333K a/in 0110 g/L. a a 0.2 kJ/5 mJ/ m， of is It is to of l( 目 錄 錄 摘 要 . I . 錄 .一章 文獻(xiàn)綜述 .言 .酸鈉溶液結(jié)構(gòu)性質(zhì) .酸鈉溶液結(jié)晶機(jī)理 .酸鈉溶液均相成核理論 .酸鈉溶液均相成核研究方法 .課題提出 .二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) .體設(shè)計(jì)方案 . 基本原理 . 設(shè)計(jì)目標(biāo) . 設(shè)計(jì)框架 .導(dǎo)式傳感器設(shè)計(jì) . 電導(dǎo)基本概念 . 溶液電導(dǎo)的測(cè)定 . 鋁酸鈉溶液電導(dǎo)傳感器設(shè)計(jì) .酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) . 硬件配置 . 軟件開發(fā) .器說(shuō)明 . 設(shè)計(jì)成果 . 儀器操作方法 .三章 鋁酸鈉溶液均相成核過(guò)程研究 .驗(yàn)方案 . 研究目的 . 研究體系 . 研究原理 .器與藥品 . 主要儀器 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 主要試劑 . 實(shí)驗(yàn)裝置 .液制備與分析 . 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制 . 鋁酸鈉溶液配制 . 鋁酸鈉溶液分析 . 鋁酸鈉溶液均相成核過(guò)程實(shí)驗(yàn) .應(yīng)過(guò)程誘導(dǎo)期 . .界成核半徑 .界成核功 .界成核分子數(shù) .觀成核反應(yīng)級(jí)數(shù) .觀活化能 .結(jié) .四章 結(jié) 論 .考文獻(xiàn) .錄 源程序清單 . 謝 .讀碩士學(xué)位期間主要研究成果 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 1 第一章 文獻(xiàn)綜述 言 金屬鋁于 1808年被發(fā)現(xiàn)， 1854年人們通過(guò)鈉還原法僅獲得了幾克金屬鋁1，1886年美國(guó)的霍爾和法國(guó)的埃魯特同時(shí)發(fā)明了熔鹽電解法制取金屬鋁生產(chǎn)工藝2， 1888年德國(guó)卡爾拜耳發(fā)明了苛性堿化學(xué)浸出法提取氧化鋁生產(chǎn)工藝3。這些生產(chǎn)工藝的發(fā)明，才真正標(biāo)志著鋁工業(yè)的誕生。一百多年以來(lái)，鋁工業(yè)通過(guò)工藝、設(shè)備、效能以及規(guī)模的漸進(jìn)式改進(jìn)和發(fā)展，工業(yè)體系日趨完善，對(duì)世界文明和發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)?，F(xiàn)代鋁工業(yè)是具有資源、能源、資金、技術(shù)密集型特點(diǎn)的重要基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，主要包括氧化鋁、電解鋁、鋁加工三大組成部分3 氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和需求， 使鋁酸鈉溶液結(jié)構(gòu)分解機(jī)理和分解動(dòng)力學(xué)研究得到了充分的重視，但由于工業(yè)應(yīng)用濃度范圍的堿性鋁酸鈉溶液體系十分復(fù)雜，目前還有許多問(wèn)題需要深入研究和解決。自拜爾法誕生百余年來(lái)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)改善和強(qiáng)化鋁酸鈉溶液分解已經(jīng)走到了極限。 鋁酸鈉溶液分解過(guò)程一系列問(wèn)題難于解決的根本原因在于鋁酸鈉溶液本身迥異于一般過(guò)飽和無(wú)機(jī)鹽溶液的特殊復(fù)雜性和穩(wěn)定性，鋁酸根離子本身、鋁酸根離子之間以及鋁酸根離子與介質(zhì)之間的相互作用同樣復(fù)雜2, 6 只有解釋和掌握鋁酸鈉溶液結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其分解動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)規(guī)律，才能為提高氧化鋁生產(chǎn)效率、改善氧化鋁生產(chǎn)質(zhì)量提供可靠的理論依據(jù)。以往眾多的研究更多地關(guān)注鋁酸鈉溶液的加晶種分解過(guò)程，忽略了溶液自發(fā)分解規(guī)律的研究，而鋁酸鈉溶液的自發(fā)分解過(guò)程更能反映溶液分解的本質(zhì)規(guī)律。 多年來(lái)許多科研工作者從基礎(chǔ)理論出發(fā)，不斷改進(jìn)研究方法，特別是通過(guò)建立微觀和宏觀理論模型，改進(jìn)檢測(cè)分析方法，對(duì)過(guò)飽和鋁酸鈉溶液性質(zhì)及其結(jié)晶過(guò)程的本質(zhì)規(guī)律進(jìn)行了廣泛而深入的研究。 對(duì)鋁酸鈉溶液結(jié)構(gòu)與分解動(dòng)力學(xué)機(jī)理的有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)， 在氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展的過(guò)程中不斷出現(xiàn)的新現(xiàn)象和新問(wèn)題，對(duì)鋁酸鈉溶液理論研究提出新的要求，這些新現(xiàn)象的解釋和新問(wèn)題的解決，又依賴于理論和實(shí)驗(yàn)研究方法的不斷改進(jìn)和發(fā)展，氧化鋁生產(chǎn)研究的發(fā)展離不開相關(guān)研究方法和檢測(cè)分析設(shè)備的發(fā)展。研究思想的科學(xué)性、研究方法的正確性、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精確性等決定了研究結(jié)果的可靠性。自上個(gè)世紀(jì)五十年代至今，氧化鋁生產(chǎn)工藝研究和實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)研究一直沿著從經(jīng)驗(yàn)到理論、從定性到定量、從人工到自動(dòng)、從宏觀到微觀的發(fā)展方向，研究方法也經(jīng)歷了從一種儀器到多種設(shè)備聯(lián)用、從人工取樣到自動(dòng)分析、從實(shí)驗(yàn)研究到理論模擬的發(fā)展過(guò)程。氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)研究和實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展，客觀上要求研究者們不斷改進(jìn)研究手段和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 酸鈉溶液結(jié)構(gòu)性質(zhì) 鋁酸鈉溶液是真溶液還是膠體，鋁酸根離子基本形態(tài)是 l(4，一直是人們爭(zhēng)論不休的問(wèn)題，從目前的研究結(jié)果來(lái)看，鋁酸鈉溶液屬于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的真溶液。 鋁酸鈉溶液與一般電解質(zhì)溶液有很大差別，如密度、粘度、電導(dǎo)率和飽和蒸汽壓等理化性質(zhì)與組成的關(guān)系曲線具有明顯的特殊性，在其分解過(guò)程中，鋁酸鈉溶液又處于不斷變化的狀態(tài)，準(zhǔn)確掌握鋁酸鈉溶液的結(jié)構(gòu)比較困難。近年來(lái)，在傳統(tǒng)的電化學(xué)、 物理化學(xué)等常規(guī)測(cè)試手段之外， 采用了大量的如紅外線吸收光譜、紫外線吸收光譜、 拉曼光譜、 核磁共振、 可以直接近似判斷離子結(jié)構(gòu)，使鋁酸鈉溶液結(jié)構(gòu)研究取得了重大進(jìn)展。通常所說(shuō)的鋁酸鈉溶液結(jié)構(gòu)，指的是鋁酸根陰離子的組成及結(jié)構(gòu)，并且包括它們彼此之間及其和溶劑之間的相互作用， 鋁酸鈉溶液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是研究鋁酸鈉溶液分解過(guò)程的基礎(chǔ)。目前的研究表明，鋁酸鈉溶液雖為真溶液，但離子以多種復(fù)雜的狀態(tài)存在，受溫度、濃度和溶液苛性比的影響，這些離子之間又會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)換。 i， T. J. 26用光散射譜研究表明，鋁在鋁酸鈉溶液中的存在形式受 度的影響，當(dāng)溶液中 濃度 0，單位面積的自由能變化即為固 ；另一部分為體積自由能變化 晶核中溶質(zhì)粒子與溶液中溶質(zhì)粒子自由能差， 無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)精度要求；采用 合法，實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，對(duì)儀器要求高。 本文以溶液電導(dǎo)檢測(cè)分析法為基本原理，自行 開發(fā)一套獨(dú)立完整的鋁酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤儀，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)鋁酸鈉溶 液均相成核過(guò)程誘導(dǎo)期，研究溶液均相成核動(dòng)力學(xué)過(guò)程，基于誘導(dǎo)期和均相成 核理論，獲得鋁酸鈉溶液均相成核過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)關(guān)鍵信息，為氧化鋁 生產(chǎn)科研提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，在減輕實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)的同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 12第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)儀器的性能是研究結(jié)果可靠性的保障。本 文中自行設(shè)計(jì)的鋁酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤儀主體包括電導(dǎo)式傳感器設(shè)計(jì)、 現(xiàn)有硬件改裝和配套操作軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)。設(shè)計(jì)電導(dǎo)式傳感器時(shí)主要考慮鋁酸 鈉溶液特殊的強(qiáng)堿、高電導(dǎo)率等特性，及傳感器的靈敏度；硬件改裝主要解決 數(shù)字電橋和電腦的通信；操作軟件依據(jù) 字電橋既定的功能和通信協(xié)議設(shè)計(jì)各種操作功能， 重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取和存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)。 體設(shè)計(jì)方案 通常所說(shuō)的拜爾溶液是指中等濃度 (度一般為 26)過(guò)飽和鋁酸鈉溶液， 高，而且溶液結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多種離子共存，溶液粘度較大，且主要受含鋁離子影響，但是溶液主體為 H)4 本原理 鋁酸鈉溶液的分解本質(zhì)上是從鋁酸鈉溶液中析出氫氧化鋁固體的過(guò)程48，是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。從電化學(xué)角度分析，在 均相過(guò)飽和鋁酸鈉溶液體系中，該反應(yīng)過(guò)程可以視為導(dǎo)電性比較差的含鋁離子逐漸減少、導(dǎo)電性強(qiáng)的 液粘度下降的過(guò)程，溶液的導(dǎo)電性因 此發(fā)生變化，誤差允許范圍內(nèi)，在均相成核階段，溶液中沒(méi)有明顯的晶體出現(xiàn) 時(shí)，鋁酸鈉溶液的導(dǎo)電性變化由這兩類離子的變化主導(dǎo)31，研究檢測(cè)溶液電導(dǎo)隨時(shí)間的變化規(guī)律可以確定成核反應(yīng)過(guò)程的誘導(dǎo)期，從而獲得相關(guān)信息，這便 是電導(dǎo)法研究均相鋁酸鈉溶液成核過(guò)程的基本原理。 計(jì)目標(biāo) 本套設(shè)備應(yīng)滿足如下要求： 1. 靈敏而準(zhǔn)確測(cè)定均相鋁酸鈉溶液體系電導(dǎo) 變化，能夠清晰界定溶液均相成核過(guò)程的誘導(dǎo)期?，F(xiàn)有研究所采用的各種 實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)質(zhì)上都是人工定時(shí)采樣，且采樣步長(zhǎng)較長(zhǎng)，這是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié) 果誤差較大的主要原因之一，因?yàn)殇X酸鈉溶液均相成核過(guò)程是一個(gè)不非平 衡過(guò)程，臨界結(jié)晶核的出現(xiàn)即誘導(dǎo)期的結(jié)束是一個(gè)突變過(guò)程，人工采樣往往無(wú)法準(zhǔn)確界定這一突變時(shí)間點(diǎn)，必須采用實(shí)時(shí)觀測(cè)技術(shù)在線跟蹤整個(gè)成核 過(guò)程，檢測(cè)信號(hào)能夠及時(shí)反映出中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 13溶液的變化情況，并在誘導(dǎo)期終點(diǎn)發(fā)生信號(hào)突變。 2. 在線自動(dòng)記錄鋁酸鈉溶液體系電導(dǎo)值隨時(shí) 間的變化過(guò)程，要能捕捉溶液均相成核過(guò)程中豐富的數(shù)據(jù)信息。 H)3晶體的析出是 H)4四面體向H)6八面體的轉(zhuǎn)化過(guò)程，這種轉(zhuǎn)化過(guò)程受鋁酸根離子之間及鋁酸根與介質(zhì)之間相互作用的影響，并使溶液結(jié)構(gòu) 發(fā)生一系列復(fù)雜的變化，如何檢測(cè)和分析解釋這些變化規(guī)律便成為解釋鋁 酸鈉溶液分解機(jī)理的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 3. 儀器穩(wěn)定可靠，單次實(shí)驗(yàn)可穩(wěn)定運(yùn)行 20h 以上，多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重現(xiàn)性良好。鋁酸鈉溶液特殊的穩(wěn)定性使得 H)3晶體的析出非常緩慢， 均相溶液的自發(fā)成核更是很難發(fā)生，受不同實(shí)驗(yàn)條件的 影響，鋁酸鈉溶液均相成核過(guò)程的誘導(dǎo)期從 時(shí)到 10 小時(shí)甚至 15 小時(shí)以上不等， 這要求儀器能在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中穩(wěn)定運(yùn)行。 計(jì)框架 本套設(shè)備總體設(shè)計(jì)框架如圖 2示?；舅悸肥窃诂F(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上通過(guò)硬件改裝和軟件編程，以期能夠在線跟蹤過(guò) 飽和鋁酸鈉溶液均相成核過(guò)程中溶液電導(dǎo)隨時(shí)間的變化，并能確定誘導(dǎo)期。 圖2酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤總體設(shè)計(jì)框架 字電橋不具備聯(lián)機(jī)功能，但是機(jī)箱后部預(yù)留了改裝接口，通過(guò)加裝 種常用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議 ) 標(biāo)準(zhǔn)異步串行通訊總線接口數(shù)據(jù)接口、添加 據(jù)線，與個(gè)人電腦實(shí)現(xiàn)物理連接，而 字電橋與電腦之間的通訊協(xié)議由電橋生產(chǎn)廠家定義，在 嵌入控制程序時(shí)由廠家提供相關(guān)技術(shù)資料，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)自主進(jìn)行 序編輯、調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)電橋與電腦之間的同步、通信與控制功能的自動(dòng)化操作。儀器設(shè)計(jì)說(shuō)明如表 2 電導(dǎo)傳感器設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換 操作平臺(tái) 軟件設(shè)計(jì) 硬件改裝 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 14表2酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤設(shè)計(jì)說(shuō)明 單元 功能 性能要求 實(shí)現(xiàn)技術(shù) 電導(dǎo)式傳感器 1 檢測(cè)體系電導(dǎo)變化 2 產(chǎn)生模擬信號(hào) 1 浸入式電極 2 抗強(qiáng)堿溶液環(huán)境（ 單次實(shí)驗(yàn)?zāi)芊€(wěn)定運(yùn)行 20h 以上 4 具備聯(lián)機(jī)功能 由 主改裝 (詳見(jiàn) ) 操作 平臺(tái) 1 在線控制、記錄 2 數(shù)據(jù)分析 1 準(zhǔn)確記錄體系電導(dǎo)與時(shí)間關(guān)系 2 準(zhǔn)確界定誘導(dǎo)期 1 2 導(dǎo)式傳感器設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的電導(dǎo)分析法是通過(guò)測(cè)量電解質(zhì)溶液的電 導(dǎo)值來(lái)確定物質(zhì)含量的分析方法，針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象，采用的電導(dǎo)式傳感器即電導(dǎo)池亦不盡相同。 導(dǎo)基本概念 1. 電導(dǎo) (G) 在外電場(chǎng)作用下，電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子以 相反的方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象叫電導(dǎo)58。電導(dǎo)是表征電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的物理量，數(shù)值上等于溶液電阻 從歐姆定律，單位是西門子 S。 G= 112- 電阻率， 液橫截面積， 液長(zhǎng)度， - 電導(dǎo)率， =1/， S 導(dǎo)池常數(shù)， Q=L/A， 溶液的導(dǎo)電能力與溶液的溫度、溶液中正負(fù)離 子的數(shù)目、離子所帶的電荷數(shù)、離子在溶液中的遷移速度等因素有關(guān)，溶 液的電導(dǎo)是存在于溶液中所有各種離子單獨(dú)電導(dǎo)的總和。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 152. 電導(dǎo)率 () 所謂溶液電導(dǎo)率59，是指單位體積電解質(zhì)溶液的正立方體液柱 (A=1 =1 具有的電導(dǎo)值； 也相當(dāng)于 1 兩電極間所具有的電導(dǎo)。 電導(dǎo)率 與電解質(zhì)溶液的濃度與性質(zhì)有關(guān)： (1) 在一定范圍內(nèi)，離子的濃度愈大，電導(dǎo)率愈大。 (2) 離子的遷移速度愈快，電導(dǎo)率愈大。 (3) 離子的價(jià)數(shù)愈高，電導(dǎo)率愈大。 液電導(dǎo)的測(cè)定 電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，因此測(cè)量電導(dǎo)實(shí)際上就是 測(cè)量它的電阻。電導(dǎo)的測(cè)量裝置包括電導(dǎo)池和電導(dǎo)儀。通常采用直流和交 流兩種電流信號(hào)，對(duì)于電解質(zhì)溶液，應(yīng)以較高頻率的交流電作為測(cè)量電導(dǎo)電源以降低電極極化效應(yīng)56, 57。 1電導(dǎo)池 電導(dǎo)池由兩個(gè)電導(dǎo)電極構(gòu)成。常規(guī)的電導(dǎo)池電 極一般由兩片平行的鉑片制成，鉑電極分為鉑黑電極和光亮鉑電極60。如圖 2示。 圖2規(guī)鉑電極使用示意圖 電導(dǎo)池常數(shù)等于兩個(gè)電極片正對(duì)面積和距離的 比值，但通常采用標(biāo)準(zhǔn)溶液法測(cè)定 Q， 即將已知電導(dǎo)率的 準(zhǔn)溶液加入電導(dǎo)池， 用電導(dǎo)儀測(cè)定其電導(dǎo)，計(jì)算電極常數(shù)。 測(cè)定電導(dǎo)還是測(cè)定電導(dǎo)率，取決于實(shí)驗(yàn)研究條 件和目的。如果是高純水質(zhì)分析、大氣污染監(jiān)測(cè)、土壤、海水鹽度測(cè)定和 一些物理化學(xué)常數(shù)如電離度、難溶鹽的溶解度等研究，需要測(cè)得溶液電導(dǎo)率的 具體數(shù)值；如果不需要檢測(cè)溶液電導(dǎo)或電導(dǎo)率的數(shù)值，而是測(cè)定其隨時(shí)間變化 情況，便只需測(cè)定溶液的電導(dǎo)即可。對(duì)于鋁酸鈉溶液，主要是通過(guò)檢測(cè)溶液電 導(dǎo)隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)測(cè)定均相成核過(guò)程誘導(dǎo)期的，因此采用直接電導(dǎo)檢測(cè)法較為簡(jiǎn)便可靠。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 162. 電導(dǎo)測(cè)定原理 根據(jù) 2，測(cè)定溶液電導(dǎo)實(shí)際上是測(cè)定溶液 電阻。電導(dǎo)儀是用于測(cè)量溶液電導(dǎo)的專用儀器，商品電導(dǎo)儀的型號(hào)有很多 ，根據(jù)其作用可分為平衡電橋式和直讀式兩大類，通常采用平衡電橋式電導(dǎo)儀61。其基本原理電路即惠斯通電橋62，如圖 2示。一定溫度下，電導(dǎo)儀給電導(dǎo)池兩極加上一定的交流電壓，使夾在電導(dǎo)池兩片電極之間的溶液發(fā)生電導(dǎo)現(xiàn) 象，電導(dǎo)池內(nèi)溶液電阻、電導(dǎo)池電壓和電流之間符合歐姆定律，通過(guò)電導(dǎo)池將 溶液的電阻信號(hào)傳遞給電導(dǎo)儀并轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)。 圖2斯通電橋原理圖 酸鈉溶液電導(dǎo)傳感器設(shè)計(jì) 根據(jù)國(guó)標(biāo) 3規(guī)定，為降低實(shí)驗(yàn)中的相對(duì)誤差，要求電導(dǎo)池兩個(gè)電極之間的溶液電阻應(yīng)高于 100，因此電導(dǎo)池設(shè)計(jì)方案重點(diǎn)考慮兩個(gè)電極的形狀、尺寸及相對(duì)距離的確定。常規(guī)電導(dǎo)池電極是兩個(gè)正對(duì)的鉑片，其大小和相對(duì)距離都在 1用于稀溶液；對(duì)于離子濃度較高的鋁酸鈉溶液，為了符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)的電導(dǎo)池電極尺寸和相對(duì)距離均應(yīng)遠(yuǎn)小于 1 1. 電導(dǎo)傳感器設(shè)計(jì)圖 根據(jù) 節(jié)討論結(jié)果，鋁酸鈉溶液電導(dǎo)傳感器設(shè)計(jì)如圖 2示。 3 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 17圖2酸鈉溶液電導(dǎo)傳感器設(shè)計(jì)圖 1. 設(shè)計(jì)工藝說(shuō)明 1) 電極主體材料上部為優(yōu)質(zhì)圓細(xì)銅絲， 1=0.5 部為圓細(xì)鉑絲， 1=0.5 種導(dǎo)線采用錫焊結(jié)技術(shù)相連，嵌于兩根特制的石英玻璃柱中心。 2) 兩個(gè)石英玻璃柱截面直徑 2=3.0 底端呈 90彎曲， 曲率半徑 R=5.0 面采用金相超細(xì)砂紙打磨光滑平整。 3) 采用有機(jī)玻璃制成的固定夾套將兩個(gè)石英柱固定，兩個(gè)電極截面平行相對(duì)，其最佳間距根據(jù)前期探索性實(shí)驗(yàn)可得 d=.5 4) 電導(dǎo)傳感器的整體尺寸根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體條件而定，本研究中為高 H=200 L=30 3. 使用技術(shù)說(shuō)明 1) 電極截面平滑，相對(duì)平行固定，使用時(shí)豎 直浸入液面，排除溶液均相成核過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)微粒子因受重力在其上的沉降附著，避免干擾檢測(cè)。 2) 鉑絲、石英玻璃可耐強(qiáng)堿，可以直接與鋁酸鈉溶液接觸。 3) 電極外形設(shè)計(jì)為橫截面小 (=相對(duì)距離窄 (d=模式，主要是基于電導(dǎo)池設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和鋁酸鈉溶液 特性考慮，保證其靈敏度和抗干擾能力能夠滿足實(shí)驗(yàn)研究要求。 1 2 3 32 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 酸鈉溶液電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 本部分工作參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)64關(guān)于儀器設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行硬件改裝和軟件設(shè)計(jì)，并得到了江蘇省常州揚(yáng)子電子有限公司的技術(shù)支持。 件配置 本研究所采用數(shù)據(jù)采集器改裝自江蘇 省常州揚(yáng)子電子有限公司生產(chǎn)的 字電橋，通過(guò)添加 232C 標(biāo)準(zhǔn)異步串行通訊總線接口與外部控制設(shè)備通訊。 字電橋前面板視圖如圖 2示。 該產(chǎn)品是以微處理技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)測(cè)量電感量 L、電容量 C、電阻 R 的智能化元件參數(shù)測(cè)量?jī)x器，其工作穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便。 本儀器采用國(guó)際高精度電橋的測(cè)試原理和 以微處理技術(shù)為基礎(chǔ)，內(nèi)部測(cè)試單元主要由正弦信號(hào)發(fā)生器、 精密量程電阻、 鑒相器和高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器組成，儀器的所有控制、測(cè)量、計(jì)算和顯示均在 控制下進(jìn)行，其基本精度為 圖201234567890儀器采用五端測(cè)量技術(shù)，可以長(zhǎng)期精確測(cè)量 而無(wú)須專門調(diào)校，儀器的校準(zhǔn)功能可將存在于儀器測(cè)試段的雜散電抗和引 線電阻進(jìn)行清零，保證了測(cè)量的S D C R L 功能 極值 確定 參數(shù)頻率顯示清 零電平量程 字電橋 1 2 3 4 568101112913 14 151617181920 7 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 19精確度。其相關(guān)性能如表 2示。 表2能指標(biāo) 性能參數(shù) 性能指標(biāo) 性能參數(shù) 測(cè)量端方式 S/D/量參數(shù) L/R/C 量程 9999試信號(hào)電平 0% 測(cè)試信號(hào) 高頻正弦波交流電 信號(hào)頻率 1000測(cè)試信號(hào)阻抗 0/30/100 采樣頻率 4作環(huán)境溫度 0 40 工作環(huán)境濕度 85%作電壓 198V242V 電源頻率 50% 功耗 30W 預(yù)熱 10究中該儀器主要用于測(cè)量溶液的電阻值 R，并過(guò)軟件轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)值。其測(cè)試信號(hào)電平、信號(hào)頻率、測(cè)試信號(hào)阻抗等各項(xiàng) 參數(shù)需在前期探索實(shí)驗(yàn)中確定最佳值。研究表明，本實(shí)驗(yàn)條件下的 最佳參數(shù)設(shè)置為：信號(hào)電平 =，信號(hào)頻率 =10 試信號(hào)阻抗 =0 。 件開發(fā) 儀器操作軟件平臺(tái)在 言環(huán)境下自主編程65 1) 軟件功能設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)軟件最主要的功能有兩個(gè)：一是遠(yuǎn)程控制 字電橋，除了硬啟動(dòng)功能外，要求所有的參數(shù)設(shè)置均可以在軟件平 臺(tái)上完成；二是在線即時(shí)存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)，要求存取方便，通用性強(qiáng)。主體設(shè)計(jì)方案如表 2示。 表2字電橋聯(lián)機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案 模塊 功能 方案 通訊 議 接口設(shè)計(jì) 控制 遠(yuǎn)程控制 儲(chǔ) 數(shù)據(jù)庫(kù) ) 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì) 本儀器使用 232C 標(biāo)準(zhǔn)異步串行通訊總線接口與外部控制設(shè)備通訊，傳輸波特率固定為 9600 號(hào)的邏輯電平為 12 V，最大傳輸距離 15 m。串中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 20行接口采用直接通訊，只用 送） 、 受） 、 ）三根信號(hào)線，使用九芯的標(biāo)準(zhǔn)接口插座。 2從計(jì)算機(jī)到數(shù)字電橋的通訊69算機(jī)發(fā)送的任何一項(xiàng)指令都是以 頭，以 束，共發(fā)送 11 個(gè)數(shù)據(jù)。上位機(jī) (計(jì)算機(jī) )發(fā)送給數(shù)字電橋的數(shù)據(jù)的基本格式為： 令字?jǐn)?shù)據(jù)和小數(shù)點(diǎn)單位 11 個(gè)數(shù)據(jù) （ 數(shù)字量的數(shù)據(jù)格式為： 5 位數(shù)據(jù) +1 位小數(shù)點(diǎn)位 X X 2明：設(shè)置電阻為十進(jìn)制數(shù)。舉例：若設(shè)置電阻上限為 發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為： H 2H 3H 2H 5H 0H 體定義詳見(jiàn)表 2 表2字電橋聯(lián)機(jī)軟件控制指令格式定義 對(duì)于數(shù)據(jù)的單位符號(hào)，定義如表 2 n 指令功能 指令 格式 /備注 1 設(shè)置電阻上限 據(jù)小數(shù)點(diǎn) 單位 ( 設(shè)置電阻下限 據(jù)小數(shù)點(diǎn) 單位 ( 設(shè)置百分比上限 據(jù)小數(shù)點(diǎn) 設(shè)置百分比下限 據(jù)小數(shù)點(diǎn) 設(shè)置標(biāo)稱值 據(jù)小數(shù)點(diǎn)單位 ( 設(shè)置清零 9H 開 (55H)或關(guān) (5 設(shè)置分選 (55H)或關(guān) (5 設(shè)置訊響 (55H)或關(guān) (5 設(shè)置顯示 (55H)或 R(50 設(shè)置速度 (55H)或慢 (51 設(shè)置方式 定 (55H)或自動(dòng) (52 設(shè)置觸發(fā) (55H)或內(nèi) (53 單次 9次在觸發(fā)為外時(shí)有效，按一次測(cè)一次14 初始化 序初始化 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 電導(dǎo)在線跟蹤儀設(shè)計(jì) 21表2位符號(hào)數(shù)據(jù)格式定義 單位符號(hào) 數(shù)據(jù)格式 0H 從數(shù)字電橋到計(jì)算機(jī)的通訊 上位機(jī)接收測(cè)量數(shù)據(jù)的基本格式為： 量數(shù)據(jù) (6 位 )+單位 (1 位 )+分選結(jié)果 (1 位 )+測(cè)量狀態(tài) (1 位 )+此為標(biāo)準(zhǔn)，下位機(jī)每測(cè)試一次數(shù)據(jù)就向計(jì)算 機(jī)發(fā)送一次，計(jì)算機(jī)接收的任何一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)包都是以 頭，以 束，共接收 11 個(gè)數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)包。 6 位測(cè)量數(shù)據(jù)和 1 位測(cè)量狀態(tài)表達(dá)如表 2示。 表2量數(shù)據(jù)表達(dá)格式定