一种新的痕量水测量仪的研制

　　1　引　言

　　测定有机物中含水量的卡尔费休法至今仍是测定水分最为精确的方法。我国已把卡尔费休法列入石油化工、表面活性计的基础标准[1]。液体中痕量水的测量在电力、石油炼制、化工等部门的生产和科研过程中有着极为重要的作用。特别是电力变压器绝缘油,要求水的含量严格控制在10×10-6以下;锂电池电解液的含水量,要求达到质量分数为50×10-6以下[1]。卡尔费休法实现了质量分数为10-6的水分测量分辨率[2]。本文提出了一种库仑测量仪器设计的新思路,用ARMS3C440B为处理器芯片设计了痕量水测量仪,理论和实践均表明本仪器具有很高的测量精度。

　　2　卡尔费休法

　　在含有吡啶、碘化氢、二氧化硫、甲醇的混合试液中(称卡尔费休试剂),通过电解使溶液的碘化氢在阳极上氧化生成碘:

　　所生成的碘与测试样品中的水反应又生成碘化氢:

　　如此反复进行,直到试液中的水全部反应完毕为止。反应终点用一对铂电极所组成的指示系统来确定,终点到达时停止电解,并记录电解过程中生成碘所消耗的电量,根据法拉第定律即可求出样品中水的含量

式中:W为试样中的含水量(μg);M为水分子量;n为物质的分子转移数;Q为电解消耗的电量(μC)。上式说明,每测量1μg的水就需要消耗10 721μC的电量。基于此原理,试样中的含水量就可根据电解过程的耗电量求得。

　　3　仪器设计方法及受控电解电流源

　　由式(1)可知,要测准质量W,必须测准电解时所消耗的电量Q

t1为样品注入时刻;t2为指示电极反映的终点时刻。式(4)表明,只要知道t1、t2及电解过程中的电解电流i就可以求出电解所消耗的电量。为确保测量的精度,电解电流i在整个电解过程中受控,并随着电解过程的进行电解电流将逐渐减小,否则就会出现电解过度,造成测量误差。目前大多数库仑仪器的电解电流源输出电流的幅度都可连续调节,以满足测量需要。电解消耗的电量是通过对电解电流的A/D转换后积分获得。本文提出了一种通过调节已知电流幅度方波的占空比来调节电流的方法,同时将测量电解消耗电量的方法改变为根据电解过程中需要多少电解电量就向电解池输出多少电量,式(4)可改写成

　　下面就如何获得Δqj的方法进行简要的说明。图1为受控电流源输出在第j个电解周期的电解电流波形。每个电解周期的Tc=200 ms,为常数;Tj为宽度,由微处理器调节,每个电解周期可能不同,但对微处理器来说却是个已知数;Imax由微处理器选定,是已知数。因此在第j个电解周期,电流源提供的电解电量可表示为