Dom > PRIJE > Termoparovi. Mjerna oprema Postupak rada


Termoparovi. Mjerna oprema Postupak rada




9.1. Cilj

Određivanje zavisnosti termoelektromotorne sile termoelementa o temperaturnoj razlici spojeva.

U zatvorenom kolu (slika 9.1), koji se sastoji od različitih vodiča (ili poluprovodnika) A i B, nastaje elektromotorna sila (emf) E T i struja teče ako se kontakti 1 i 2 ovih provodnika održavaju na različitim temperaturama T 1 i T 2 . Ovaj emf naziva se termoelektromotorna sila (termo-emf), a električni krug od dva različita vodiča naziva se termoelement. Kada se promijeni predznak temperaturne razlike između spojeva, mijenja se smjer struje termoelementa. to
fenomen se naziva Seebeckov fenomen.

Tri su poznata razloga za nastanak termo-EMF-a: formiranje usmjerenog toka nosilaca naboja u provodniku u prisustvu temperaturnog gradijenta, povlačenje elektrona fononima i promjena položaja Fermijevog nivoa. zavisno od temperature. Razmotrimo ove razloge detaljnije.

U prisustvu temperaturnog gradijenta dT/dl duž provodnika, elektroni na njegovom vrućem kraju imaju veću kinetičku energiju, a time i veću brzinu haotičnog kretanja u odnosu na elektrone hladnog kraja. Kao rezultat toga, postoji dominantan tok elektrona od vrućeg kraja provodnika ka hladnom, negativno naelektrisanje se akumulira na hladnom kraju, a nekompenzirano pozitivno naelektrisanje ostaje na vrućem kraju.

Akumulacija se nastavlja sve dok rezultirajuća razlika potencijala ne izazove jednak protok elektrona. Algebarski zbir takvih potencijalnih razlika u krugu stvara volumetrijsku komponentu termo-emf.

Osim toga, postojeći temperaturni gradijent u provodniku dovodi do pretežnog kretanja (drifta) fonona (kvanta vibracione energije kristalne rešetke provodnika) od toplog kraja ka hladnom. Postojanje takvog drifta dovodi do činjenice da elektroni raspršeni samim fononima počinju da se kreću od vrućeg kraja ka hladnom. Akumulacija elektrona na hladnom kraju provodnika i iscrpljivanje elektrona sa toplog kraja dovodi do pojave fononske komponente termo-emf. Štaviše, pri niskim temperaturama doprinos ove komponente je glavni u nastanku toplotne emf.

Kao rezultat oba procesa, unutar provodnika nastaje električno polje usmjereno prema temperaturnom gradijentu. Intenzitet ovog polja se može predstaviti kao

E = -dφ / dl = (-dφ / dT) (-dt / dl)=-β (-dT / dl)

gdje je β = dφ / dT.

Relacija (9.1) povezuje jačinu električnog polja E sa temperaturnim gradijentom dT / dl. Rezultirajuće polje i temperaturni gradijent imaju suprotne smjerove, tako da imaju različite predznake.

Polje određeno izrazom (9.1) je polje vanjskih sila. Integracijom jačine ovog polja preko preseka kola AB (slika 9.1) od spoja 2 do spoja 1 i uz pretpostavku da je T 2 > T 1, dobijamo izraz za termo-emf koji deluje na ovu deonicu:



(Predznak se promijenio kada su se granice integracije promijenile.) Slično, određujemo termo-emf koji djeluje u sekciji B od spoja 1 do spoja 2.

Treći razlog za nastanak termo-emf. je temperaturno ovisan položaj Fermijevog nivoa, koji odgovara najvišem energetskom nivou koji zauzimaju elektroni. Fermi nivo odgovara Fermijevoj energiji E F koju elektroni mogu imati na ovom nivou.

Fermijeva energija je maksimalna energija koju elektroni provodljivosti mogu imati u metalu na 0 K. Fermijev nivo će biti veći, što je veća gustina elektronskog gasa. Na primjer (slika 9.2), E FA je Fermijeva energija za metal A, a E FB je za metal B. Vrijednosti E PA i E PB su najveća potencijalna energija elektrona u metalima A i B, respektivno. Kada dva različita metala A i B dođu u kontakt, prisustvo razlike Fermijevog nivoa (E FA > E FB) dovodi do prelaska elektrona iz metala A (sa višim nivoom) u metal B (sa niskim Fermijevim nivoom) .

U ovom slučaju, metal A je nabijen pozitivno, a metal B negativno. Pojava ovih naboja uzrokuje pomak u energetskim nivoima metala, uključujući Fermijeve nivoe. Čim se Fermijevi nivoi izjednače, uzrok koji uzrokuje preferencijalni prijelaz elektrona iz metala A u metal B nestaje, a između metala se uspostavlja dinamička ravnoteža. Od sl. 9.2 može se vidjeti da je potencijalna energija elektrona u metalu A manja nego u B za vrijednost E FA - E FB . Prema tome, potencijal unutar metala A je veći od unutar B za vrijednost)

U AB = (E FA - E FB) / l


Ovaj izraz daje razliku potencijala unutrašnjeg kontakta. Potencijal se za ovu količinu smanjuje za vrijeme prijelaza iz metala A u metal B. Ako su oba spoja termoelementa (vidi sliku 9.1) na istoj temperaturi, tada su kontaktne razlike potencijala jednake i usmjerene u suprotnim smjerovima.

U ovom slučaju, oni se međusobno poništavaju. Poznato je da nivo Fermija, iako slabo, zavisi od temperature. Dakle, ako je temperatura spojeva 1 i 2 različita, tada razlika U AB (T 1) - U AB (T 2) na kontaktima daje svoj kontaktni doprinos toplinskoj emf. Može se uporediti sa volumetrijskom termo-emf. i jednak je:

E nastavak \u003d U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1 / l) ( + )

Poslednji izraz se može predstaviti na sledeći način:

Rezultirajuća termo-emf. (ε T) se sastoji od emf koji djeluje u kontaktima 1 i 2 i emf koji djeluje u sekcijama A i B.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E nast.

Zamjenom izraza (9.3) i (9.6) u (9.7) i izvođenjem transformacija dobijamo

gdje je α = β - ((1/l) (dE F / dT))

Vrijednost α se naziva koeficijent termo-emf. Budući da i β i dE F / d T zavise od temperature, koeficijent α je također funkcija T.

Uzimajući u obzir (9.9), izraz za termo-EMF može se predstaviti kao:


Količina α AB se naziva diferencijal ili kod odvojeni termo-EMF ovaj par metala. Mjeri se u W/K i suštinski zavisi od prirode materijala u kontaktu, kao i temperaturnog opsega, dostižući oko 10 -5 ÷10 -4 V/K. U malom temperaturnom opsegu (0-100°C) specifična termo-emf. slabo zavisi od temperature. Tada se formula (9.11) može predstaviti sa dovoljnim stepenom tačnosti u obliku:

E T \u003d α (T 2 - T 1)

Kod poluvodiča, za razliku od metala, postoji jaka ovisnost koncentracije nosilaca naboja i njihove pokretljivosti o temperaturi. Zbog toga su gore opisani efekti, koji dovode do stvaranja termičke emf, izraženiji kod poluvodiča; mnogo više i dostiže vrednosti reda od 10 -3 V/K.

9.3. Opis laboratorijske postavke

Proučiti ovisnost termo-emf. o temperaturnoj razlici spojeva (kontakata), u ovom radu koristimo termoelement od dva komada žice od kojih je jedan legura na bazi hroma (hromel), a drugi legura na bazi aluminijuma (alumel) . Jedan spoj se zajedno sa termometrom stavlja u posudu s vodom čija se temperatura T 2 može mijenjati zagrijavanjem na električnoj peći. Temperatura drugog spoja T 1 se održava konstantnom (slika 9.3). Rezultirajuća toplinska emf. mjereno digitalnim voltmetrom.

9.4. Eksperimentalna tehnika i obrada rezultata
9.4.1. Eksperimentalna tehnika

Koristimo direktna mjerenja emf koji nastaje u termoparu. Temperatura spojeva se određuje temperaturom vode u posudama pomoću termometra (vidi sliku 9.3)

9.4.2. Radni nalog

  1. Spojite kabl za napajanje voltmetra na električnu mrežu.
  2. Pritisnite dugme za napajanje na prednjoj ploči digitalnog voltmetra. Ostavite uređaj da se zagrije 20 minuta.
  3. Otpustite zavrtanj za pričvršćivanje na postolju termoelementa, podignite ga i pričvrstite. U obe čaše sipajte hladnu vodu. Otpustite spojeve termoelemenata u čaše do otprilike polovine dubine vode.
  4. Upiši u tabelu. 9.1 vrijednost početne temperature T 1 spojeva (vode) prema termometru (za drugi spoj ostaje konstantna tijekom eksperimenta).
  5. Uključite električni šporet.
  6. Zabilježite vrijednosti emf. i temperatura T 2 u tabeli. 9,1 svakih deset stepeni.
  7. Kada voda proključa, isključite električni šporet i voltmetar.

9.4.3. Obrada rezultata mjerenja

  1. Na osnovu podataka mjerenja nacrtajte zavisnost emf. termoelementi 8T (os ordinate) na temperaturnoj razlici spojeva ΔT = T 2 - T 1 (os apscise).
  2. Koristeći rezultujući graf linearne zavisnosti E T od ∆T, odredite specifičnu toplotnu emf. prema formuli: α = ∆E T / ∆(∆T)

9.5. Kontrolna lista
  1. Šta je suština i kakva je priroda Seebeckovog fenomena?
  2. Šta uzrokuje pojavu volumetrijske komponente termo-emf?
  3. Šta uzrokuje pojavu fononske komponente termo-emf?
  4. Šta uzrokuje kontaktnu potencijalnu razliku?
  5. Koji se uređaji nazivaju termoparovi i gdje se koriste?
  6. Šta je suština i kakva je priroda fenomena Peltier i Thomson?
  1. Savelyev I.V. Kurs opšte fizike. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 str.
  2. Epifanov G.I. Fizika čvrstog stanja. M.: Viša škola, 1977. - 288 str.
  3. Sivukhin DV Opći kurs fizike. Struja. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 str.
  4. Trofimova T. I. Kurs fizike. M. : Viša škola, 1985. - 432 str.
  5. Detlaf A. A., Yavorsky V. M. Kurs fizike. M. : Viša škola, 1989. - 608 str.

ziruemogo rastvora po jedinici. U proizvodnim mjerenjima se ne koriste vodonične elektrode, jer su nezgodne za korištenje.

8.1.1. merna ćelija pH metar

AT Zbog činjenice da se potencijal elektrode ne može direktno izmjeriti, u potenciometrijskoj metodi se koristi galvanska ćelija, u kojoj je jedna elektroda mjerna, a druga referentna elektroda (ili pomoćna), čiji potencijal nije ovise o koncentraciji ispitivanih jona otopine. Mjerna elektroda se postavlja u analizirani

tečnom mediju, na njoj se stvara potencijalni skok EX, određen koncentracijom jona u tom mediju. Potencijal referentne elektrode mora uvijek ostati konstantan bez obzira na promjene u sastavu medija.

AT Kao mjerne elektrode koriste se staklene elektrode, čiji je indikatorski dio izrađen od posebnih vrsta stakla sa funkcijom vodika. Kao referentna ili pomoćna elektroda obično se koriste kalomelne ili srebro-hloridne elektrode. Spadaju u elektrode takozvane druge vrste, koje se sastoje od metala, njegove slabo rastvorljive soli i slabo rastvorljive soli sa istim anjonom kao i slabo rastvorljiva so.

Opšti izgled ćelije sa staklenom mjernom elektrodom prikazan je na sl. 1, gdje je 1 staklena indikatorska elektroda, 2 je kalomelna referentna elektroda.

EMF senzora elektrode pH metra sastoji se od niza potencijala:

E ćelija \u003d E k + E vn + E x + E cf + E d,

gdje je E k razlika potencijala između kontaktne pomoćne elektrode i otopine koja ispunjava staklenu elektrodu; E ext - razlika potencijala između rastvora i unutrašnje površine merne membrane; E x je razlika potencijala između vanjske površine staklene membrane i kontroliranog medija (pH funkcija); E cf je razlika potencijala na granici živa (Hg) - kalomel (Hg 2 Cl 2); E d - potencijal difuzije na kontaktnoj granici dva medija - KCl i kontrolisanog okruženja. Chloe

Kalijum ride KCl igra ulogu elektrolitičkog ključa koji povezuje analizirani rastvor sa elektrodom.

Rice. 1. Električno kolo mjerne ćelije pH metra

U ovom slučaju, vrijednosti Ek, Evn, Ev su konstantne i ne zavise od sastava analiziranog medija. Potencijal difuzije E d je vrlo mali i može se zanemariti. Dakle, ukupni EMF je određen aktivnošću vodikovih iona: E ćelija \u003d E x + E.

Dakle, E ćelija \u003d f (pH), odnosno E ćelija je linearna funkcija pH, koja se koristi u električnom merenju pH.

Ovisnost EMF ćelije elektrode E ćelije od pH određena je elektrodnim svojstvima stakla i karakterizirana je koeficijentom nagiba S karakteristika elektrodnog sistema S= E/ pH. Promena temperature analiziranog rastvora utiče na EMF elektrodnog sistema, menjajući nagib nominalne statičke karakteristike (NSH) merne elektrode. Ako ovu zavisnost izrazimo grafički (slika 2), dobićemo gomilu linija koje se seku. Koordinate tačke preseka pravih nazivaju se koordinate izopotencijalne tačke (E N , rN N ) i najvažnije su karakteristike elektrodnog sistema, koje se rukovode proračunom kola temperaturne kompenzacije pH metar. Temperaturna kompenzacija promjena u EMF-u elektrodnog sistema, u pravilu se vrši automatski (uz pomoć TS-a uključenog u krug industrijskog pretvarača pH metra).

>> R ST.

Rice. 2. NSH mjerne elektrode

Mjerna ćelija sa staklenom elektrodom može se predstaviti kao ekvivalentno kolo (slika 3). Otpor R ćelije je vrlo visok zbog visokog otpora membrane staklene elektrode R st (R ćelija 500 MΩ), stoga će protok malih struja kroz unutrašnji otpor ćelije uzrokovati veliku grešku mjerenja:

UVH \u003d EJCH - ICH RCH ; UVH \u003d EYACH.

Iz posljednje jednakosti se može vidjeti da se glavni zahtjev mjerenja U IN = E YCH može ispuniti ako R IN >> RCH , tj.

R IN

Rice. 3. Ekvivalentno kolo mjerne ćelije

8.1.2. Industrijski pretvarači za pH metre GSP

Komplet automatskog industrijskog pH-metra sastoji se od potopnog senzora (tip DPg-4M) ili glavnog senzora (tip DM-5M), mjernog visokootpornog pretvarača i GSP sekundarnog uređaja za opće industrijske namjene. Zadatak mjernog uređaja koji se nalazi u kompletu pH metra je mjerenje EMF sistema elektroda, koji je u uslovima konstantne temperature funkcija pH.

Precizno mjerenje EMF-a mjerne ćelije pH metra, koji je izvor male snage, povezano je sa značajnim poteškoćama. Kao prvo, kroz mjernu ćeliju ne može se proći struja čija gustoća prelazi 10–7 A/cm2, jer može doći do pojave polarizacije elektrode, uslijed čega elektrode pokvare. Druga značajna poteškoća leži u činjenici da se prilikom direktnog mjerenja EMF ćelije pH-metra sa potrošnjom struje, na primjer, milivoltmetra, stvara električni krug kroz koji teče struja, što je određeno zbrojem unutrašnjeg otpor mjerne elektrode (oko 500 ... 1000 MΩ) i otpor mjernog uređaja. U tom slučaju mora biti ispunjen niz uslova: struja mjerenja mora biti manja od struje polarizacije elektroda; unutrašnji otpor uređaja mora biti najmanje 100 puta veći od otpora staklene elektrode, što je, međutim, u suprotnosti sa zahtjevom za visokom osjetljivošću uređaja. U tom smislu, pretvarači s direktnim mjerenjem EMF-a praktički se ne koriste.

Jedina metoda koja zadovoljava sve zahtjeve za mjerenje EMF ćelije pH metra je kompenzacijska (potenciometrijska) ili nulta metoda mjerenja, čija je glavna prednost odsustvo struje u trenutku očitavanja. Međutim, ne treba pretpostaviti da se metodom kompenzacije elektroda uopće ne opterećuje, pa je stoga isključena pojava polarizacije elektrode. Ovdje se protok struje (unutar 10-12 A) objašnjava činjenicom da tokom procesa mjerenja uvijek postoji neuravnoteženost, a u trenutku mjerenja kompenzacija se postiže samo sa tačnošću sa kojom je osjetljivost nulte indikatora dozvoljava.

Trenutno se za mjerenje EMF sistema elektroda sa staklenom elektrodom koriste samo elektronski nul indikatori (mjerni pretvarači) sa statičkom kompenzacijom. Pojednostavljeni blok dijagram koji objašnjava princip rada takvog pretvarača prikazan je na sl. 4. Konvertor je DC pojačalo pokriveno dubokom negativnom povratnom spregom povratne sprege na izlaznu struju, što osigurava veliki ulazni otpor. Pojačalo je izgrađeno prema kolu za pretvaranje jednosmjernog u naizmjenični napon sa naknadnom demodulacijom.

Rice. Slika 4. Strukturni dijagram metode za mjerenje EMF ćelije pHmetra

Izmjereni EMF E IA se upoređuje sa naponom U OUT formiranim od protoka izlazne struje pojačala I OUT kroz otpornik R OS. Razlika između ovih napona se dovodi na ulaz pojačala U IN = E IJ -U OUT. Ako je pojačanje k = U OUT / U IN, onda E IA = U OUT / (1 + 1 / k). Sa dovoljno velikom vrijednošću k (k 500) E IA U OUT I OUT R OS , tj. jačina izlazne struje je praktično proporcionalna ulaznom signalu iz mjerne ćelije pH-metra.

Upotreba statičke kompenzacije omogućava višestruko smanjenje struje koja se troši iz mjerne ćelije tokom procesa mjerenja.

Ovaj princip je implementiran u skoro svim industrijskim pH pretvaračima - meračima: pH-201, P201, P202, P205 (baza poluvodičkih elemenata) i u P215 (koristeći standardna mikro kola).

8.1.3. Opis pretvarača P - 201

Industrijski pretvarači tipa P201 su namenjeni za merenje aktivnosti vodoničnih jona (pH vrednost) rastvora i pulpe u sistemima automatskog upravljanja i regulacije tehnoloških procesa.

Sonde su dizajnirane da rade sa svim komercijalno dostupnim pH osetljivim elementima, kao što je DPg-4M; DM-5M i drugi.

Pretvarač ima naponske i strujne izlaze za povezivanje sekundarnih uređaja sa odgovarajućim ulazom

signale.

Glavne tehničke karakteristike:

granice mjerenja

-1 do 14 pH

granica dozvoljenog osnovnog smanjena

greške:

a) DC izlazni signali i

DC napon

b) prema instrumentu za indikaciju

mjerenje otpornosti stakla

elektroda

otpor pomoćne elektrode

vrijeme poravnanja

ne više od 10 s

izlazna struja

izlazni napon

0 do 10 100mV

Konverter je dizajniran za ugradnju u neposrednoj blizini industrijskih jedinica. Pretvarač se može sastojati od indikativnog uređaja uskog profila i samog pretvarača, instaliranog na jednom zajedničkom panelu ili odvojeno, ili samo jedne sonde. Izgled uređaja prikazan je na sl. 5.

Kućište 1 je izrađeno od čeličnog lima, poklopac 2 je liveni, od legure aluminijuma. Na prednjoj strani poklopca nalazi se natpis sa indeksom uređaja, kapom 3 i čepom 4.

Rice. 5. Izgled pretvarača P201

Unutar kućišta je ugrađen okvir koji služi kao osnova za ugradnju svih blokova i elemenata uređaja. Na prednjoj ploči pretvarača, koji se nalazi ispod poklopca, prikazane su ose varijabilnih otpornika, dizajniranih da mijenjaju granice mjerenja pretvarača. Blok sa stezaljkama za vanjske električne priključke nalazi se u zatvorenom odjeljku, pristup mu je omogućen sa stražnje stijenke kućišta. Žice se uvode u odjeljak kroz četiri žlijezde u donjem zidu uređaja (slika 6).

Rice. 6. Šema eksternih električnih priključaka pretvarača P-201: TRM - univerzalni brojilo-regulator; TKR - blok otpornika za temperaturnu kompenzaciju

8.1.4. Verifikacija i kalibracija automatskog pH metra

Trenutna verifikacija automatskog pH metra sastoji se u poređenju njegovih očitanja sa očitanjima kontrolnog uređaja. Uz značajno odstupanje, očitanja uređaja koji se testira se korigiraju pomoću kompenzatora ili promjenom kalibracije pretvarača pomoću dugmadi za podešavanje. Osim

Osim toga, potrebno je periodično provoditi detaljniju provjeru senzora i sonde.

Provjera senzora uključuje sljedeće radnje:

1) pažljiv vanjski pregled, posebno onih dijelova koji dolaze u kontakt sa mjerenim medijem;

2) provjera električnih kola, posebno otpora izolacije stakla i krugova referentnih elektroda

u odnosu na kućište, koje mora biti najmanje 1012 oma, odnosno 2108 oma;

3) provera karakteristika elektrodnog sistema puferskim rastvorima sa poznatom pH vrednošću pomoću kontrolnog laboratorijskog pH metra.

Provjera pretvarača uključuje:

1) određivanje glavne greške mjerenja pretvarača i korekcija njegove kalibracije;

2) određivanje dodatnih grešaka mjerenja pretvarača zbog promjene otpora staklene elektrode R ST , promjene otpora referentne elektrode RSR

i promjena potencijala kontrolirane otopine E X .

Za kalibraciju skale pH metara potrebno je imati simulator elektrodnog sistema I-01 ili I-02.

Simulator sistema elektroda vam omogućava da provjerite performanse senzora pH-metra; utjecaj promjena otpora elektroda i napona između otopine i tijela jedinice na očitavanja uređaja; otpornost na buku pH metara.

Koristeći simulator, možete reproducirati sljedeće parametre elektrodnog sistema:

a) napon ekvivalentan EMF sistema elektroda, u opsegu od 0 do 1000 mV;

b) otpor ekvivalentan otporu staklene elektrode: 0; 500 i 1000 MΩ;

c) otpor jednak otporu pomoćne elektrode: 10 i 20 kOhm;

d) napon ekvivalentan EMF-u "zemlja - rješenje": 0 i

Simulator je električni ekvivalent sistema elektroda (slika 7) i dizajniran je kao prenosivi uređaj smješten u čeličnom kućištu sa poklopcem koji se može ukloniti.

E W Rv

Rice. Slika 7. Ekvivalentno kolo simulatora elektrodnog sistema: R I – otpor mjerne staklene elektrode; R B je otpor pomoćne elektrode; E - ukupni EMF sistema elektroda: E G - EMF "zemlja - rastvor".

Na prednjoj ploči simulatora nalaze se terminali za spajanje na verificirani pH metar pomoću kabela koji se nalazi u kompletu. Tamo se nalaze i dugmad za podešavanje potrebnog izlaznog napona, otpora elektrode, kontrolisanog potencijala rastvora itd.

8.2. OPREMA I INSTRUMENTI

1. industrijski pretvarač P-201.

2. Simulator elektrodnog sistema I-02.

3. Brojilo-regulator univerzalni višekanalni TPM 138.

8.3. SEKVENCIJA RADA

1. Sastavite instalaciju za provjeru pretvarača P-201 koristeći simulator I-02 u skladu sa šemom na sl. 8 povezivanjem izlaza simulatora na ulaz “Meas” i “Aux” sonde preko koaksijalnog kabla.

2. Pripremite simulator za rad. Da biste to učinili, pritisnite prekidače simulatora: „R I ” – dugme 500; “EZR”, “RV” - dugmad

“00” za EZP i “010” za RB ; “POWER” – tipka “INTERNAL” i “ON”.

3. Uključite napajanje na postolje.

Rice. 8. Šema verifikacije: 1 – I-02 simulator elektrodnog sistema; 2 – sistem elektroda; 3 - visokootporni pretvarač P-201; 4 - višekanalni mjerač-regulator TPM 138

4. Koristite strelice ^ v na TPM 138 da izaberete kanal br. 5, kroz koji se broji EMF.

5. Provjerite pretvarač.

Za ovo:

5.1. Na tipkama prekidača “E, mV” simulatora birajte EMF vrijednost koja odgovara pH vrijednosti digitalizirane oznake na skali. Prekidač “EX , mV” je postavljen u položaj “+” ili “-“ u zavisnosti od predznaka EMF-a u kalibracionoj tabeli.

5.2. Za očitavanje indikacija na simulatoru I-02. Odredite osnovnu grešku mjerenja pri RV = 10

kOhm; EZ =0. Glavna greška se provjerava na svim digitaliziranim oznakama na skali tokom kretanja naprijed i nazad i izračunava se po formuli = [(E -E 0) / (E K -E H)] 100%, gdje je E 0 tabelarno (stvarna vrijednost EMF sistema elektroda koji odgovara ovoj digitaliziranoj skali, mV, E – stvarna EMF vrijednost, mV, E K , E N – EMF vrijednosti koje odgovaraju konačnoj i početnoj skali.

6. Rezultate provjere predstaviti u izvještaju.

Ministarstvo obrazovanja i nauke Ruske Federacije

Federalna agencija za obrazovanje

Saratovska država

Technical University

Merenje elektroda

potencijali i emf

Smjernice

na predmetu "Teorijska elektrohemija"

za studente specijalnosti

smjer 550800

Lokalna distribucija elektronsko izdanje

Odobreno

uredništvo i izdavaštvo

Vijeće Saratova

stanje

tehnički univerzitet

Saratov - 2006

Sva prava na reprodukciju i distribuciju u bilo kom obliku ostaju na programeru.

Nezakonito kopiranje i korištenje ovog proizvoda je zabranjeno.

Sastavio:

Uređeno od

Recenzent

Naučno-tehnička biblioteka SSTU

Matični broj 060375-E

© Saratovska država

tehnički univerzitet, 2006

Uvod

Jedan od fundamentalnih koncepata elektrohemije su koncepti elektrohemijskog potencijala i EMF elektrohemijskog sistema. Vrijednosti elektrodnih potencijala i EMF-a povezane su s tako važnim karakteristikama otopina elektrolita kao što su aktivnost (a), koeficijent aktivnosti (f), brojevi prijenosa (n+, n-). Mjerenjem potencijala i EMF elektrohemijskog sistema mogu se izračunati a, f, n+, n - elektroliti.

Svrha smjernica je upoznavanje studenata sa teorijskim idejama o uzrocima potencijalnih skokova između elektrode i otopine, sa klasifikacijom elektroda, savladavanje teorijskih osnova kompenzacijske metode za mjerenje potencijala elektrode i EMF-a, korištenjem ove metode za izračunati koeficijente aktivnosti i transportne brojeve jona u rastvorima elektrolita.


Osnovni koncepti

Kada se metalna elektroda uroni u otopinu, na sučelju se pojavljuje dvostruki električni sloj i posljedično se pojavljuje potencijalni skok.

Pojava potencijalnog skoka uzrokovana je različitim razlozima. Jedna od njih je izmjena nabijenih čestica između metala i otopine. Kada se metal uroni u otopinu elektrolita, ioni metala, napuštajući kristalnu rešetku i prelazeći u otopinu, unose u nju svoje pozitivne naboje, dok površina metala, na kojoj ostaje višak elektrona, postaje negativno nabijena.

Drugi razlog za pojavu potencijala je selektivna adsorpcija anjona iz vodene otopine soli na površini nekog inertnog metala. Adsorpcija dovodi do pojave viška negativnog naboja na površini metala i dalje do pojave viška pozitivnog naboja u najbližem sloju otopine.

Treći mogući razlog je sposobnost polarnih nenabijenih čestica da budu orijentirane adsorbirane blizu granice faze. U orijentiranoj adsorpciji, jedan od krajeva dipola polarnog molekula okrenut je prema sučelju, a drugi prema fazi kojoj pripada dati molekul.

Nemoguće je izmeriti apsolutnu vrednost skoka potencijala na interfejsu elektroda-otopina. Ali moguće je izmjeriti EMF elementa koji se sastoji od elektrode koja se proučava i elektrode, čiji se potencijal uvjetno uzima kao nula. Ovako dobijena vrijednost naziva se "unutarnji" potencijal metala - E.

Standardna vodikova elektroda služi kao elektroda, čiji se ravnotežni potencijal konvencionalno uzima kao nula.

Potencijal ravnoteže je potencijal koji karakterizira uspostavljena ravnoteža između metala i otopine soli. Uspostavljanje ravnotežnog stanja ne znači da se u elektrohemijskom sistemu uopšte ne dešavaju procesi. Razmjena jona između čvrste i tekuće faze se nastavlja, ali brzine takvih prijelaza postaju jednake. Ravnoteža na granici metal-otopina odgovara uslovu

iTo= iALI=iO , (1)

gdje iTo je katodna struja;

iO – struja razmjene.

Za mjerenje potencijala ispitivane elektrode mogu se koristiti druge elektrode, čiji je potencijal poznat u odnosu na standardnu ​​vodikovu elektrodu - referentne elektrode.

Glavni zahtjevi za referentne elektrode su konstantnost skoka potencijala i dobra ponovljivost rezultata. Primjeri referentnih elektroda su elektrode druge vrste: kalomel:

Cl- / hg2 Cl2 , hg

Srebrna hloridna elektroda:

Cl- / AgCl, Ag

elektroda sa živinim sulfatom i dr. U tabeli su prikazani potencijali referentnih elektroda (prema vodonikovoj skali).

Potencijal bilo koje elektrode - E, određen je pri datoj temperaturi i pritisku vrijednošću standardnog potencijala i aktivnostima tvari uključenih u reakciju elektrode.


Ako se reakcija odvija reverzibilno u elektrohemijskom sistemu

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

zatim https://pandia.ru/text/77/491/images/image003_83.gif" width="29" height="41 src=">ln i Cu2+ (5)

Elektrode druge vrste su metalne elektrode obložene slabo topljivom soli ovog metala i uronjene u otopinu vrlo topljive soli koja ima zajednički anion sa slabo topljivom soli: primjer su srebrni klorid, kalomel elektrode itd.

Potencijal elektrode druge vrste, na primjer, elektrode srebrnog klorida, opisuje se jednadžbom

EAg, AgCl/Cl-=E0Ag, AgCl/Cl-ln aCl - (6)

Redoks elektroda je elektroda napravljena od inertnog materijala i uronjena u otopinu koja sadrži neku tvar u oksidiranom i reduciranom obliku.

Postoje jednostavne i složene redoks elektrode.

U jednostavnim redoks elektrodama uočava se promjena valencije naboja čestica, ali kemijski sastav ostaje konstantan.

Fe3++e→Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Ako oksidirane ione označimo kao Ox, a redukovane ione kao Red, onda se sve gore navedene reakcije mogu izraziti jednom opštom jednadžbom

Ox+ e→Crveno

Jednostavna redoks elektroda je napisana kao dijagram Crveni, Ox/ Pt, a njegov potencijal je dat jednačinom

E Red, Ox=E0 Red, Ox+https://pandia.ru/text/77/491/images/image005_58.gif" width="29" height="41 src=">ln (8)

Razlika potencijala između dvije elektrode kada je vanjsko kolo isključeno naziva se elektromotorna sila (EMF) (E) elektrohemijskog sistema.

E= E+ - E- (9)

Elektrohemijski sistem koji se sastoji od dvije identične elektrode uronjene u otopinu istog elektrolita različitih koncentracija naziva se koncentracijska ćelija.

EMF u takvom elementu nastaje zbog razlike u koncentracijama otopina elektrolita.

Eksperimentalna tehnika

Metoda kompenzacije za mjerenje EMF i potencijala

Instrumenti i pribor: Potenciometar R-37/1, galvanometar, baterija, Weston ćelije, ugljenik, bakar, cink elektrode, rastvori elektrolita, srebro-hlorid referentna elektroda, elektrolitički ključ, elektrohemijska ćelija.

Sastavite dijagram instalacije (slika 2)

e. I. – elektrohemijska ćelija;

e. i. – ispitivana elektroda;

e. With. – referentna elektroda;

e. k. - elektrolitički ključ.

DIV_ADBLOCK84">

koncentracije CrO42- i H+ jona su konstantne i jednake su 0,2 g-jona/l i 3-jona/l koncentracija H+ varira i iznosi: 3; 2; jedan; 0,5; 0,1 g-jona/l;

koncentracije CrO42-, Cr3+ jona su konstantne i jednake su 2 g-jona/l i 0,1 g-jona/l, respektivno, koncentracija H+ jona varira i iznosi: 2; jedan; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 g-jona/l.

Zadatak 4

Mjerenje potencijala jednostavnog redoks sistema Mn+7, Mn2+ grafit.

koncentracija Mn2+ jona je konstantna i jednaka je 0,5 g-jona/l

koncentracija iona MnO2-4 se mijenja i iznosi 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 g-jona/l;

koncentracija MnO-4 jona je konstantna i jednaka je 1 g-jona/l

koncentracija Mn2+ iona v se mijenja i iznosi: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 g-jona/l.

Obrada eksperimentalnih podataka

1. Svi dobijeni eksperimentalni podaci moraju se pretvoriti u vodonikovu skalu.

3. Konstruisati grafičku zavisnost potencijala od koncentracije u koordinatama E, lgC, izvesti zaključak o prirodi uticaja koncentracije jona koji određuju potencijal na vrednost potencijala elektrode.

4. Za elemente koncentracije (zadatak 2), izračunajte skok difuzijskog potencijala φα koristeći jednadžbu

φα = (10)

pri mjerenju EMF metodom kompenzacije

1. Potenciometar mora biti uzemljen prije rada.

2. Kada radite sa baterijama, morate:

Koristite za provjeru napona na terminalima prijenosnim voltmetrom;

Prilikom sastavljanja baterija u bateriju, izbjegavajte kratki spoj kućišta i terminala kako biste izbjegli teške opekotine.

3. Nakon rada isključite sve uređaje.

Književnost

1. Antropovska elektrohemija:

udžbenik / .- 2. izd. revidirano add.-M.: Viša škola, 1984.-519s.

2.-Rotinjanska elektrohemija: udžbenik / ,

L.: Hemija, str.

3. Damask /, .- M.: Viša škola, 1987.-296s.

Šta EMF(elektromotorna sila) u fizici? Električnu struju ne razumiju svi. Kao svemirska distanca, samo ispod samog nosa. Generalno, ni naučnici to nisu u potpunosti razumjeli. Dovoljno za pamćenje Nikola Tesla sa svojim čuvenim eksperimentima, vekovima ispred svog vremena, a i danas ostajući u oreolu misterije. Danas ne rješavamo velike misterije, već pokušavamo odgonetnuti šta je emf u fizici.

Definicija EMF-a u fizici

EMF je elektromotorna sila. Označava se slovom E ili malo grčko slovo epsilon.

Elektromotorna sila- skalarna fizička veličina koja karakteriše rad vanjskih sila ( sile neelektričnog porekla) koji rade u električnim krugovima naizmjenične i jednosmjerne struje.

EMF, like voltaža e, mjereno u voltima. Međutim, EMF i napon su različite pojave.

voltaža(između tačaka A i B) - fizička veličina jednaka radu efektivnog električnog polja koji se izvodi pri prijenosu jediničnog testnog naboja s jedne tačke na drugu.

Objašnjavamo suštinu EMF-a "na prstima"

Da bismo razumjeli šta je šta, možemo dati primjer analogije. Zamislite da imamo vodotoranj potpuno ispunjen vodom. Uporedite ovaj toranj sa baterijom.

Voda vrši maksimalni pritisak na dno tornja kada je toranj pun. Shodno tome, što je manje vode u tornju, to je slabiji pritisak i pritisak vode koja teče iz slavine. Ako otvorite slavinu, voda će postupno istjecati prvo pod jakim pritiskom, a zatim sve sporije dok pritisak potpuno ne oslabi. Ovdje je stres pritisak koji voda vrši na dno. Za nivo nultog napona uzet ćemo samo dno tornja.

Isto je i sa baterijom. Prvo, uključujemo naš izvor struje (bateriju) u krug, zatvarajući ga. Neka to bude sat ili baterijska lampa. Dok je nivo napona dovoljan i baterija nije ispražnjena, lampa svijetli jako, a zatim se postepeno gasi dok se potpuno ne ugasi.

Ali kako osigurati da pritisak ne prestane? Drugim riječima, kako održati konstantan nivo vode u tornju, i konstantnu razliku potencijala na polovima izvora struje. Po uzoru na toranj, EMF je predstavljen kao pumpa, koja osigurava dotok nove vode u toranj.

Priroda emf

Razlog za pojavu EMF-a u različitim izvorima struje je različit. Prema prirodi pojave, razlikuju se sljedeće vrste:

  • Hemijski emf. Javlja se u baterijama i akumulatorima zbog hemijskih reakcija.
  • Thermo EMF. Nastaje kada su spojeni kontakti različitih vodiča na različitim temperaturama.
  • EMF indukcije. Javlja se u generatoru kada se rotirajući provodnik stavi u magnetsko polje. EMF će se inducirati u vodiču kada provodnik pređe linije sile konstantnog magnetskog polja ili kada se magnetsko polje promijeni u veličini.
  • Fotoelektrični EMF. Nastanak ovog EMF-a je olakšan fenomenom spoljašnjeg ili unutrašnjeg fotoelektričnog efekta.
  • Piezoelektrični emf. EMF nastaje kada se supstanca rasteže ili stisne.

Dragi prijatelji, danas smo razmatrali temu "EMF za lutke". Kao što vidite, EMF sila neelektričnog porekla, koji održava protok električne struje u kolu. Ukoliko želite da saznate kako se rešavaju problemi sa EMF-om, savetujemo vam da se obratite naši autori– savjesno odabrani i provjereni stručnjaci koji će brzo i jasno objasniti tok rješavanja bilo kojeg tematskog problema. I po tradiciji, na kraju vas pozivamo da pogledate video trening. Sretno gledanje i sretno u učenju!

Instrumenti za merenje temperature tečnih metala i EMF senzora aktivnosti kiseonika iM Sensor Lab su dizajnirani da mere termo-EMF koji dolazi iz primarnih termoelektričnih pretvarača koji mere temperaturu tečnih metala (liveno gvožđe, čelik, bakar i drugi) i EMF koju generiše senzori aktivnosti kiseonika.

Opis

Princip rada

Termo-EMF signali iz primarnog termoelektričnog pretvarača (termopar) i EMF senzora aktivnosti kiseonika (mV) dovode se na "merni" ulaz uređaja za merenje temperature tečnih metala i EMF senzora aktivnosti kiseonika iM2 Sensor Lab se pretvaraju u digitalni oblik i, prema odgovarajućem programu, pretvaraju u vrijednosti temperature i aktivnosti kisika. Ovi signali se primaju u ciklusima do 250 s-1. Uređaj ima 4 ulaza: Ch0 i Ch2 - za mjerenje signala sa termoparova, i Ch1, Ch3 - za mjerenje EMF signala sa senzora aktivnosti kisika.

U procesu mjerenja temperature vrši se analiza promjene ulaznog ulaznog signala kako bi se odredio njegov izlaz na stabilna očitavanja (karakterizirana parametrima tzv. „temperaturne oblasti“, determinisanim dužinom (vrijeme) i visinu (promena temperature). Ako tokom vremena određenog dužinom oblasti, stvarna promena temperature ne prelazi njenu navedenu visinu (tj. dozvoljenu temperaturnu promenu), tada se područje smatra odabranim. iM Sensor Lab uređaj za merenje temperature tečnih metala i EMF senzora aktivnosti kiseonika usredsređuje vrednosti temperaturnog sata izmerene po dužini izabranog područja, i prikazuje prosečnu vrednost kao rezultat merenja na ekranu.

Na sličan način se stabilnim očitanjima dodjeljuju površine koje odgovaraju EMF izlazu, čije su dimenzije također određene dužinom (vrijeme) i visinom (dozvoljena promjena vrijednosti EMF).

Osim mjerenja temperature kupke, uređaj vam omogućava da odredite likvidnu temperaturu tekućeg čelika, koja se može preračunati prema empirijskoj jednadžbi u sadržaju ugljika. Prema rezultatima mjerenja EMF-a koji generiraju senzori aktivnosti kisika, aktivnost kisika u tekućem čeliku, livenom gvožđu i bakru, sadržaj ugljika u čeliku, sadržaj sumpora i silicija u livenom gvožđu, aktivnost FeO (FeO + MnO ) u tečnim metalurškim šljakama i neki drugi parametri određuju se proračunom vezanim za termičko stanje i hemijski sastav tečnih metala. Uređaj takođe ima mogućnost da odredi nivo kupke (položaj granice šljaka-metal) analizom brzine promene temperature kada je termoelement uronjen u kadu i određivanjem debljine sloja šljake posebnim sondama.

Instrumenti za merenje temperature tečnih metala i EMF senzora aktivnosti kiseonika iM2 Sensor Lab imaju dve modifikacije, koje se razlikuju po prisustvu ili odsustvu LCD ekrana na dodir (slika 1). U nedostatku ekrana, uređaj se kontroliše sa eksternog računara ili sa industrijskog tableta. U tom slučaju se isporučuje poseban softver za komunikaciju između njih.

Ekran osjetljiv na dodir se nalazi na prednjoj ploči kućišta instrumenta i prikazuje napredak mjerenja, njegove rezultate i druge informacije vezane za mjerenja u digitalnom i grafičkom obliku. Na ekranu se također prikazuje meni u obliku tekstualnih kartica, koji se koristi za upravljanje uređajem, njegovu dijagnostiku i pregled podataka o izvršenju.

List br. 2 Ukupno listova 4

prethodna merenja. U modifikaciji "bez ekrana", sve gore navedene informacije se prikazuju na ekranu računara ili industrijskog tableta.

Elektronske ploče uređaja za mjerenje temperature tečnih metala i EMF senzora aktivnosti kiseonika iM2 Sensor Lab ugrađene su u čelično kućište otporno na prašinu izrađeno po standardu od 19” za montažu na montažni stalak ili montažu u štit.

Signali sa primarnih pretvarača mogu se prenijeti do uređaja na dva načina - kablovskim i radio-vezom. U potonjem slučaju, uređaj je preko serijskog interfejsa povezan sa prijemnom jedinicom (Receiver Box), a na ručki potopnih šipki je instaliran predajnik (QUBE) koji pretvara signale sa senzora u radio signale koji se prenose na prijemna jedinica. Potonji ih prima i prenosi u uređaj na obradu.

Uređaj nije zapečaćen.

Softver

Instalacija softvera (SW) se vrši kod proizvođača. Pristup metrološki značajnom dijelu softvera nije moguć.

Dizajn MI isključuje mogućnost neovlašćenog uticaja na softver mjernog instrumenta i mjerne informacije.

Nivo zaštite firmvera od nenamjernih i namjernih modifikacija

Visoka prema R 50.2.077-2014.

Specifikacije

Metrološke i tehničke karakteristike uređaja za mjerenje temperature tečnih metala i EMF senzora aktivnosti kiseonika iM2 Sensor Lab date su u tabeli 1. Tabela 1.

* - bez uzimanja u obzir greške primarnog pretvarača, produžnog kabla i EMF senzora.

Oznaka odobrenja tipa

Oznaka odobrenja tipa tipografski se nanosi na naslovnu stranu operativne dokumentacije tipografskom metodom i na prednjoj ploči instrumenta metodom ofset štampe.

Kompletnost

Kompletnost mjernog instrumenta data je u tabeli 2. Tabela 2

Verifikacija

provodi se prema MP RT 2173-2014 „Instrumenti za mjerenje temperature tečnih metala i EMF senzora aktivnosti kiseonika iM2 Sensor Lab. Metodologija verifikacije“, koju je odobrio GCI SI FBU „Rostest-Moskva“ 26. oktobra 2014.

Glavna sredstva verifikacije su data u tabeli 3. Tabela 3

Informacije o metodama mjerenja

Informacije o metodama mjerenja sadržane su u uputstvu za upotrebu.

Regulatorni i tehnički dokumenti kojima se utvrđuju zahtjevi za instrumente za mjerenje temperature tečnih metala i EMF senzora aktivnosti kiseonika iM2 Sensor Lab

1 Tehnička dokumentacija proizvođača Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. kg.

2 GOST R 52931-2008 „Instrumenti za praćenje i regulaciju tehnoloških procesa. Opšti tehnički uslovi".

3 GOST R 8.585-2001 „GSP. Termoparovi. Nazivne statičke karakteristike konverzije.

4 GOST 8.558-2009 „GSP. Shema državne verifikacije za instrumente za mjerenje temperature.

prilikom obavljanja poslova na ocjenjivanju usklađenosti proizvoda i drugih objekata sa obaveznim zahtjevima u skladu sa zakonodavstvom Ruske Federacije o tehničkoj regulativi.