通过测量溶液分压来测量电导探针头部导通面积.doc

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1、中国工程热物理学会 多相流学术会议论文 编号：116074通过测量溶液分压来测量电导探针头部导通面积周豹1，曹夏昕2，高璞珍3 （哈尔滨工程大学核科学与技术学院，哈尔滨 150001）(Tel:0451-82569655, Email: gaopuzhen)摘要：把不同导通面积的金属丝与溶液串联形成一个回路，利用溶液电导率与电极导通面积的函数关系，通过测量的探针两端分得的电压和金属丝的导通面积进行拟合。利用拟合的关系式实现了通过测量溶液两端分得电压来测量探针头部导通面积的目的，从而给出了一种新的判断制作的探针是否满足精度要求的方法。还发现当探针头部导通面积越小、测量系统内阻越小，探针输出的高低

2、电压信号差值越小，当小到一定程度时很难与噪声信号区分，基于这个发现给出了电导探针测量电路的改进建议。关键词：电导探针；气液两相流；测量精度； 0 前言 气液两相流的测量主要有：电导法、电容法、光学法和摄影法。由于电导法具有分辨率高、响应快、经济性好的特点近年来越来越受到人们的重视。早期电导法多采用单头电导探针，为测量更多的局部参数，近年来国内外又发展出双头电导探针和多头电导探针。由于目前尚无商品探针出售，实验室用电导探针多为自制。 气液两相流具有可变的边界及影响因素多等特点，所以无论是何种探针制作时必须达到精度要求。探针的测量精度主要决定于探针头部的导通面积。导通面积越小探针的测量精度越高，相

3、反则越低。对于频率很高、体积很小的泡状流，对探针测量精度的要求尤为突出。而目前电导探针的制作并没有统一的标准，相关文献也没有给出检验探针测量精度的具体方法。目前对探针头部的导通面积的观测多采用高倍读数显微镜。高倍读数显微镜的优点是观测直观，缺点是价格昂贵。本文把制作的电导探针针尖部分作为一侧电极与盐溶液串联成回路，利用溶液电导率与电极导通面积的关系，通过测量溶液分电压来测量探针头部导通面积，从而确定制作的探针是否符合测量精度要求，为完善电导探针的制作工艺提供参考。1 电导探针的原理.（以单头电导探针为例）电导探针是利用一些如氯化钠、氯化钾等电解质溶液的导电特性工作的，如图所示，图1为探针的测量

4、电路示意图， 图2为探针测量电路等效电路示意图。当探针头部与探针套筒同时浸没在溶液当中时，整个系统形成一个回路，信号采集设备采集到的电压信号为溶液两端的分压；当溶液中产生的气泡包裹住探针头部时探针头部与套筒之间形成断路，信号采集设备采集的电压信号是电源电压。溶液中气相和液相就是通过采集设备采集到的高低电压来体现的。这就是电导探针的测量原理。图3为大气泡通过实验管路时，采集设备通过电导探针采集到的高低电压信号，图中高电压为气相所对应的电压信号，低电压为液相所对应的电压信号。 图1 探针测量原理图 图2 探针测量原理图图3 探针测量原理图2 电导探针的制作方法 把细金属丝（多选用0.1mm以下的细

5、探针电极）的一端用打磨、剪或腐蚀的方法处理成很细的针尖（一般针尖直径在30m以下），把整个探针电极涂上绝缘漆，再用打磨等方法把针尖上的绝缘漆弄掉，形成一个很小的导通面（一般在10-4mm2左右），再把一个或几个这样处理过的不锈钢电极用穿入金属套筒等方法固定在试验管路内，便制作成单头或多头电导探针。探针的制作过程中一个主要问题是如何确保探针头部导通面得面积足够小，这也是本文着重要解决的问题。3 溶液电导率与电极导通面积的关系 电解质溶液也属于导体，它与金属导体导电的机理不同，金属导体属于电子型导体，是依靠金属表面自由电子的定向运动来导电的，而溶液属于离子型导体，是依靠正负离子的定向运动来导电的。

6、在工程技术上，通常用电阻和电阻率来衡量电子型导体的导电能力，而用电导和电导率来衡量离子型导体的导电能力。电子型导体的电阻温度系数一般是正的，而离子型导体的电阻温度系数一般是负的。当采用电阻的倒数即电导来表示离子型导体的导电能力时，电导的温度系数也是正的。溶液电阻的表达式为：其中：G电导，s；电导率，-1m-1；A两电极的有效横截面积,s2；导体的有效长度,m；R溶液电阻,。溶液电阻率,m。电导池池常数,m-1。从公式中可以看出溶液电阻主要受两方面因素决定：一方面决定于溶液本身的性质，如：溶液的种类、浓度、温度；另一方面决定于整个电导池的形状，包括两电极的相对位置，横截面积，电导池的大小等因素。

7、这也是为什么用电导率而不是溶液电阻来描述溶液导电性质。溶液的电导率的测量就是基于本公式进行实施的。测量方法有多种，如：电极法、电磁法、超声法，其中电极法是比较的方法。而电极法又分电桥法、电流法、分压法等方法。本文以分压法为例简述测量溶液电导率的过程，如下：首先把配置好的已知电导率的标准溶液倒入到电导池，然后把电导池、交流电源、分压电阻串联成一个回路，然后测量电导池或分压电阻的分压，再把测得的信号经过放大、整流、滤波，得到反映被测溶液电导率大小的直流电压信号。假设测量的是溶液两端分压（如图1），则溶液电阻：其中：R为溶液电压；Ux为测得的溶液分压；Rd为分压电阻；U为电源电压平均值。 然后利用溶

8、液电导率的定义公式得到电导池电导常数：最后把被测溶液倒入到电导池中（注意液面高度要与标准液体相同），重复上述测量过程就可以得到被测液体的电导率：4 探针头部导通面积的测量由上节对溶液电导率测量的简述可知，如果已知溶液的电导率和溶液中两电极之间的有效长度就可以计算出电极的有效横截面积。本文就是基于这个思想来对探针头部的导通面积进行测量的。而通过测量溶液电导率来测量探针头部导通面积实施起来又很麻烦，而且本文的目的并不是精确测量探针头部的导通面积，而是力求用简单的方法判断制作的电导探针是否合乎要求，关心的是导通面积的数量级是否符合要求，这样就可以大大简化测量的过程和对测量精度的要求。一般情况下，测量

9、溶液电导率要求采用交流电。这是因为溶液通入直流电会产生极化现象，影响测量精度。极化现象是由于电极电解作用发生化学变化或电极附近电解液的浓度与主体浓度的差异而引起的。前者为化学极化，后者为浓差极化。化学极化是由于容液中在通电情况下发生化学反应，反应物在两电极上逐渐累积导致与外加电压极性相反的极化电势，使得电极两端电势降低，电流减少引起误差。浓差极化是指主体溶液在浓度不均的情况下，由于电化学反应，使得电极表面离子浓度降低，而主体溶液的离子又来不及迁移至电极上，造成电位差，从而使得测量精度降低。而采用交流电正负半周期可以相互抵消，这样可以有效遏制极化的现象。但是本文采用4v直流电源，理由是：探针电极

10、的导通面积非常小，当处在交流电正半周期时，对探针头部导通部分腐蚀严重。由于溶液两端所加电压很小，对溶液的浓度影响很小，从而对测量结果不大。测量精度要求不高。尽快记录测量值可以有效减小电极极化对测量结果的影响。测量电导探针头部导通面积过程：利用各种已知直径的商品的漆包线作为电导池的一个电极，用金属片作为另一侧电极，用饱和氯化钠溶液作为电解质溶液，把此电导池与4v直流电源和分压电阻串联成一个回路，在常温下测量溶液的分压，把测量的电压值与不同直径漆包线的截面积进行函数拟合，得到面积与电压的函数关系式，用制作好的探针电极代替漆包线，并测量溶液分压，最后把测量的电压值代入到拟合的函数式中，得到探针头部的

11、导通面积。图4的横坐标为漆包线的横截面积，纵坐标为测得的分压。图4 探针测量原理图5 探针测量电路的改进意见（以单头电导探针为例）制作好的探针按图2所示电路接入连接，其中R=103，为防止电化学腐蚀，探针电极接电源负极。但在测量时发现输出的高低电位差非常小，不能反映气泡经过的情况。经过分析和测量，发现如果探针电极头部的导通面积符合要求，头部通过水到不锈钢套筒的这段电阻数量级大于105，而一般采集装置的内阻数量级也是105，所以采集装置的电阻也不能看做无限大。为得到最大的高低电位差需要对R的大小要调整，作如下推导：高低电位差为：由于，U有最大值。所以令：求得：使得U最大，得：其中：RI采集装置内

12、阻，欧姆；RW探针电极通过水到不锈钢套筒的电阻为，；U0直流电源电压，v；U1没有气泡通过时的输出电压，v；U2有气泡通过时的输出电压，v；U高低电位差，v。由上式可知采集装置内阻RI越大越大。探针的测量精度取决于探针电极的导通面积，导通面积越小测量精度越高，而导通面积越小RW的值越大，就会越小，这就需要在测量精度和高低电位差大小之间进行权衡。例如在弹状流测量中大气弹的测量精度要求不是很高，探针电极头部的导通面积可以大一些。当测量气弹尾流中的小气泡时，导通面积就要很小,大概10-4mm2,这时就需要更换内阻量级为106的采集装置。6 结论 本文利用测量溶液分压的方法来测量电导探针头部的导通面积，从而给出了一种简便的检验探针制作精度的方法，另外本文还发现为了提高采集信号的分辨率需要提高采集设备的内阻。参考文献1 刘铁军.工程电导测试技术及应用研究 D. 浙江大学，2006 2 孙科霞.陈学俊. 应用双头电导探针技术测量气液两相泡状流局部参数 J .计量学报，1999, 20(4):297-3033 周云龙.张学清.孙斌. 应用电导探针技术识别气液两相流流型方法及电导波动信号噪声的辨识 J .传感技术学报，2008, 21(10):1708-1712