卡爾費休水分測定儀的改進方法

　　引言

　　采用卡爾-費休（KarlFischer）法測定大部分有機和無機固、液體石油、化工產(chǎn)品中游離水或結(jié)晶水的含量是一種傳統(tǒng)的經(jīng)典方法。國際標準化組織（ISO）和我國國家標準中有多項標準推薦使用該方法。常用的有GB6283-1986《化工產(chǎn)品中水分含量的測定》、GB7600-1987《運行中變壓器油水分含量測定法（庫侖法）》兩個方法標準。以上兩個標準，基礎(chǔ)理論是一致的，但兩個標準推薦使用的儀器差距較大。

　　GB7600推薦使用的微庫侖分析儀不論在整個系統(tǒng)的準確性上還是整個系統(tǒng)的自動化程度上明顯優(yōu)于GB6283推薦使用的儀器。本文以GB7600推薦的儀器模型為基礎(chǔ)設(shè)計的WS-6型全自動微量水分測定儀為依據(jù)，并針對此模型國產(chǎn)原有儀器存在的不足探討改進的方法，借此來減輕廣大化學(xué)分析工作者的勞動強度，推動儀器的全自動化和網(wǎng)絡(luò)化管理。

　　1.采用卡爾-費休庫侖法測定水分的原理

　　其原理是基于有水時，碘被二氧化硫還原，在吡啶和甲醇存在的情況下，生成氫碘酸吡啶和甲基硫酸氫吡啶。反應(yīng)式如下：

　　H2O I2 SO2 3C5H5N→2C5H5N?HI C5H5N?SO3

　　C5H5N?SO3 CH3OH→C5H5N?HSO4CH3

　　在電解過程中，電極反應(yīng)如下：

　　陽極：2I--2e→I2

　　陰極：I2 2e→2I-

　　2H 2e→H2↑

　　產(chǎn)生的碘又與樣品中的水分反應(yīng)生成氫碘酸，直至全部水分反應(yīng)完畢為止。反應(yīng)終點用一對鉑電極所組成的檢測單元指示。在整個過程中，二氧化硫有所消耗，其消耗量與水的克分子數(shù)相等。

　　依據(jù)法拉第電解定律，電解1克分子碘，需要二倍的96493C電量，即電解1毫克水需要電量為96493C。樣品中的水分含量按式（1）計算：

　　式中：W---樣品中的水分含量，μɡ;

　　Q---電解電量，mC;

　　18---水的分子量;

　　2.儀器設(shè)計特點

　　WS-6型全自動微量水分測定儀2。測量電極測得信號送至單片機Ⅰ。由單片機Ⅰ首先診斷儀器狀況。儀器正常時，信號經(jīng)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過數(shù)字濾波，輸出一個電壓控制信號。此信號經(jīng)壓控電流源變換后加到電解電極上。電解電極的電流經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入到VF變換器。由單片機Ⅱ?qū)F變換后的頻率信號進行累加積分。此積分結(jié)果Q=∫I?dt與公式（1）相對應(yīng)，由此可以計算出W值，即水分含量。單片機Ⅱ還負責完成按鍵響應(yīng)、液晶顯示、打印輸出及與單片機Ⅰ的通訊功能，控制單片機Ⅰ的啟動、停止。

　　3.儀器功能改進

　　3.1測量單元

　　測量單元用獨立的變壓器供電，隔離度高，可使后級測量信號放大電路用高抗共模干擾能力的數(shù)字放大器來實現(xiàn)。采用場效應(yīng)管穩(wěn)幅文氏橋震蕩器來改進普通運放形成的正交振蕩器。使其振蕩波形穩(wěn)定、失真小。采用美國微晶片公司推出的最新單片機，測量信號直接輸入A/D轉(zhuǎn)換的單片機內(nèi)。利用軟件進行絕對值變換、積分變換。使電路簡化，精度高、系統(tǒng)可靠性高。同時可以對輸入信號進行數(shù)字濾波消除工頻干擾。并可利用單片機內(nèi)部的PWM直接輸出電解電流的控制電壓。

3.2信號轉(zhuǎn)換單元

　　原有儀器VF變換器的非線性度大于0.1%。采用A/D654進行VF變換后，系統(tǒng)的非線性度僅有0.02%。原有儀器用康銅線繞電阻器作為采樣電阻。溫度系數(shù)為250ppm，受溫度影響，阻值漂移太大。改進后采用高精度金屬膜電阻采樣，溫度漂移極小，僅為50ppm。

　　3.3數(shù)字信號單元

　　采用philips最新推出的大容量單片機。功耗低，內(nèi)置大容量程序存貯器，優(yōu)化精簡了接口電路，改進了原有儀器采用單片機外掛EPROM的復(fù)雜系統(tǒng)。使得測量精度大幅度提高。