液体电导率测量实验仪FD-LCM-A型液体电导率测量实验仪使用说明（第八届亚洲物理奥林匹克竞赛实验竞赛仪器）一、概述FD-LCM-A液体电导率测量实验仪是一种物理思想极其丰富，实验方法巧妙，实验动手能力训练内容多，并有实际应用价值的基础物理实验教学仪器。本仪器可用于基础物理实验、设计性与研究性物理实验，也可以用于测量液体电导率的科学研究。组成仪器的核心为一组中空互感式液体电导率测量传感器，其内部由二个纳米材料高导磁率铁基合金环的电感线圈组成。该传感器通低频正弦交流电，且感应电极不与待测液体接触，因此传感器周围无极化现象产生。由这种互感式传感器组成的电导率测量仪，可精确地测量液体的电导率。用这种原理制成的液体电导率自动测量仪已在石油、化工等领域广泛用于各种混合物液体如泥浆水等的电导率的测量。二、仪器简介仪器由一组频率为2500Hz的实验信号源；二个纳米材料高导磁率铁基合金环的电感线圈组成的电导率测量传感器；一组高精度系列电阻；3 1/2数字交流电压表；500ml实验量杯及实验连接线等组成。三、技术指标1. 三位半数字交流电压表: 量程0-1.999V，分辨率0.001V2. 正弦波交流实验电源： 输出电压1.700-1.900V连续可调，频率2500Hz3. 传感器： 纳米材料高导磁率铁基合金环线圈组成的互感器4. 精密标准电阻： 0.1、0.2、0.2、0.5和1、2、2、5 准确度0.01%。 5. 电源电压 AC 220V10%;功耗50W四、仪器外型与结构仪器面板排列如图1 图1五、仪器的应用及注意事项 1.本仪器开启电源后请预热10分钟左右,待输出信号稳定后才能开始做实验,为了方便实验,增加了选择开关,按规定连线后,就能拨动选择开关来测量传感器的(I)组或(II)组的电压（仪器面板上连线插座为测量共同端）。 2.测量盐水饱和溶液在某一温度时的电导率,须将盐水混合搅拌,使盐充分溶解后在测量。 3.实验用传感器应稳拿轻放，不可以掉地，撞击。 4.实验完成后，必须将传感器冲洗干净，并用清洁干纱布擦干。 5.实验时传感器初级电压通常取1.7V-1.9V，其中任一点电压均可做实验。具体实验方法请参阅实验讲义。液体电导率测量实验【实验目的】1. 了解和演示该互感式液体电导率传感器的工作原理,测量传感器放入液体中时,传感器输出电压与液体电导率的关系,帮助学生深刻理解法拉第电磁感应定律、欧姆定律和互感器原理等重要物理概念与规律。2. 用精密标准电阻对互感式液体电导率传感器进行定标。3. 测量室温时盐水饱和溶液的电导率。4. 测量盐水溶液电导率与温度关系曲线【实验仪器与材料】FD-LCM-A液体电导率测量实验仪（含频率为2500Hz的实验信号源；中空互感式液体电导率测量传感器；一组高精度系列电阻；3 1/2数字交流电压表；500ml实验量杯及实验连接线；食盐100克；和自来水700ml）。【实验原理】 FD-LCM-A液体电导率测量实验仪测量液体的电导率采用一种中空互感式液体电导率测量传感器。传感器内部由二个纳米材料铁基合金环的电感线圈组成，每环各绕一组线圈，两组线圈匝数相同，其结构示意如图1所示 图1 这种传感器的工作原理是：由信号发生器输出的交变电流在线圈（1，1）环内产生交变磁场，该磁场在导电液体中产生交变的感生电流，由于液体中的感生电流使同在液体中的线圈（2，2）环内产生交变磁场，该磁场在线圈（2，2）内又产生感生电动势，成为传感器的输出信号。 改变液体的电导率（），在相同的输入幅度（Vin）条件下，感生电流会发生变化，导致传感器的输出信号电压（Vout）的变化。可以证明，液体的电导率在一定的Vin范围内，与Vout成正比，所以可以写成： (1) 在测量中，称为 “电压衰减”，所以在某一确定输入幅度的驱动下，电导率与电压衰减成正比。在测量装置中，盛放待测液体的容器很大，Vout的大小主要与传感器的中空圆柱体的液体（简称液体柱）有关，可从液体柱来计算液体的电导率。传感器的液体柱电阻与固体电阻相当，所以： （2）比较（1）和（2）可得： （3）式（3）中：，也可写成：。代入（1）可得到： （4）说明用此传感器测液体电导率时，与它的中空圆柱体长度（L），截面积（S），电压衰减和比例常数（B）有关。而“外面”的液体，因为等效的S很大，R很小。所以，液体中的感生电流主要由中空圆柱体内的液体住的阻值限定。需要注意的是：在实验中，为了多点定标比例常数（B)，需要配备多种标准的液体，这样操作既费时又困难。因此根据上面的原理，用电阻回路也称为“校核标准”（R）来代替标准的液体使实验方便准确。“校核标准”的结构就是将标准电阻替代液体住，短接标准电阻两端，成为电阻回路。需要注意的是电阻回路的一部分必须从传感器中空圆柱体内穿过。实验证明，“校核标准”和实际盐水配置的标准结果，误差不大于量级。加上标准液体的电导率对温度较敏感，所以实际应用都不用标准盐水进行定标。【实验内容】1.画出液体电导率定标的实验电路图。为了保证测量的准确性，实验必须利用选择开关，使测量传感器输入电压（Vin）和输出电压（Vout）能快速转换，并在同一个数字电压表上显示。2.根据“校核标准”范围:0.009.00,测量不同“校核标准”(不能少于20点)时的值,记录在数据表格内。测量时注意随时调节（Vin）的幅度，在整个测量过程中（Vin）保持不变。3.测量传感器的有关尺寸，计算值，写出用本仪器测量液体电导率的计算公式和相对不确定度公式。4.取电压衰减为纵坐标；取液体柱的倒数（1/R）为横坐标作图（不少于20点）。可以看出传感器感生电流在某一范围内是线性的。写出与（1/R）线性关系式。计算平均斜率值（定义为：），和斜率的相对误差（定义为：）（式中的Bmax和Bmin分别为斜率的最大可能值和最小可能值）。5.测量常温下饱和盐水溶液的电导率,写出结果。【实验数据】*所有实验数据与每台仪器参数、实验室环境温度、盐水溶液温度等有关，仅供参考。(1) Vout/ Vin1/R关系测量（28.2）R/Vin(V)Vout(V)(1/R)/sVout/Vin0.20 1.8051.388 5.000 0.769 0.30 1.8051.278 3.333 0.708 0.40 1.8051.170 2.500 0.648 0.50 1.8051.065 2.000 0.590 0.60 1.8050.928 1.667 0.514 0.70 1.8050.897 1.429 0.497 0.80 1.8050.801 1.250 0.444 0.90 1.8050.785 1.111 0.435 1.00 1.8050.711 1.000 0.394 1.10 1.8050.646 0.909 0.358 1.20 1.8050.610 0.833 0.338 1.30 1.8050.575 0.769 0.319 1.40 1.8050.540 0.714 0.299 1.50 1.8050.509 0.667 0.282 1.60 1.8050.464 0.625 0.257 1.70 1.8050.459 0.588 0.254 1.80 1.8050.434 0.556 0.240 1.90 1.8050.420 0.526 0.233 2.00 1.8050.405 0.500 0.224 2.10 1.8050.384 0.476 0.213 R/Vin(V)Vout(V)(1/R)/sVout/Vin2.20 1.8050.366 0.455 0.203 2.30 1.8050.349 0.435 0.193 2.40 1.8050.338 0.417 0.187 2.50 1.8050.327 0.400 0.181 2.60 1.8050.309 0.385 0.171 2.70 1.8050.303 0.370 0.168 2.80 1.8050.293 0.357 0.162 2.90 1.8050.279 0.345 0.155 3.00 1.8050.276 0.333 0.153 3.20 1.8050.258 0.313 0.143 3.40 1.8050.243 0.294 0.135 3.60 1.8050.226 0.278 0.125 3.80 1.8050.215 0.263 0.119 4.00 1.8050.205 0.250 0.114 4.50 1.8050.184 0.222 0.102 5.00 1.8050.164 0.200 0.091 5.50 1.8050.150 0.182 0.083 6.00 1.8050.136 0.167 0.075 6.50 1.8050.125 0.154 0.069 7.00 1.8050.117 0.143 0.065 7.50 1.8050.107 0.133 0.059 8.00 1.8050.101 0.125 0.056 8.50 1.8050.093 0.118 0.052 9.00 1.8050.088 0.111 0.049 9.50 1.8050.083 0.105 0.046 10.00 1.8050.078 0.100 0.043 (2)作Vout/ Vin1/R关系图（1/R由05S范围）（3）取Vout/ Vin1/R作直线图（1/R由05S范围）（4）K值计算 传感器实际：L=30.16mm; d=14.05mm 即S=155.039mm ;B=0.4499 =0.4323（5）测量饱和盐水的电导率 盐水温度29.0；Vo