Kodu > ENNE > Termopaarid. Mõõteseadmed Tööprotseduur


Termopaarid. Mõõteseadmed Tööprotseduur




9.1. Eesmärk

Termopaari termoelektromotoorjõu sõltuvuse määramine ristmike temperatuuride erinevusest.

Suletud ahelas (joonis 9.1), mis koosneb erinevatest juhtidest (või pooljuhtidest) A ja B, tekib elektromotoorjõud (emf) ET ja vool voolab, kui nende juhtide kontakte 1 ja 2 hoitakse erinevatel temperatuuridel T 1 ja T 2 . See emf nimetatakse termoelektromootorjõuks (termo-emf) ja kahest erinevast juhist koosnevat elektriahelat nimetatakse termopaariks. Kui ristmike temperatuuride erinevuse märk muutub, muutub termopaari voolu suund. seda
nähtust nimetatakse Seebecki fenomeniks.

Termo-EMF tekkeks on kolm teadaolevat põhjust: juhis laengukandjate suunatud voolu tekkimine temperatuurigradiendi juuresolekul, elektronide tõmbamine fonoonide poolt ja Fermi taseme asendi muutumine. sõltuvalt temperatuurist. Vaatleme neid põhjuseid üksikasjalikumalt.

Temperatuurigradiendi dT / dl juuresolekul piki juhti on selle kuuma otsa elektronidel suurem kineetiline energia ja seega suurem kaootilise liikumise kiirus võrreldes külma otsa elektronidega. Selle tulemusena toimub valdav elektronide voog juhi kuumast otsast külma, külma otsa koguneb negatiivne laeng ja kuuma otsa jääb kompenseerimata positiivne laeng.

Kogunemine jätkub seni, kuni tekkiv potentsiaalide erinevus põhjustab elektronide võrdse voolu. Selliste potentsiaalsete erinevuste algebraline summa ahelas loob termo-emfi mahulise komponendi.

Lisaks viib juhis olemasolev temperatuurigradient foonoonide (juhi kristallvõre vibratsioonienergia kvantid) valdava liikumise (triivini) kuumast otsast külma. Sellise triivi olemasolu toob kaasa asjaolu, et fonoonide poolt hajutatud elektronid hakkavad ise tegema suunatud liikumist kuumast otsast külma. Elektronide akumuleerumine juhi külmas otsas ja elektronide ammendumine kuumast otsast viib termo-emfi fononkomponendi ilmumiseni. Veelgi enam, madalatel temperatuuridel on selle komponendi panus termilise emf-i tekkesse peamine.

Mõlema protsessi tulemusena tekib juhi sees elektriväli, mis on suunatud temperatuurigradiendi poole. Selle välja intensiivsust saab esitada kui

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

kus β = dφ / dT.

Seos (9.1) seob elektrivälja tugevuse E temperatuurigradiendiga dT / dl. Saadud väljal ja temperatuurigradientil on vastupidised suunad, seega on neil erinevad märgid.

Avaldisega (9.1) määratud väli on välisjõudude väli. Integreerides selle välja tugevuse üle ahela AB lõigu (joonis 9.1) ristmikust 2 kuni ristmikuni 1 ja eeldades, et T 2 > T 1, saame sellel lõigul mõjuva termo-emfi avaldise:



(Märk muutus, kui lõimimispiirid muutusid.) Samamoodi määrame lõigus B ristmikust 1 kuni ristmikuni 2 toimivat termo-emf.

Kolmas põhjus termo-emfi esinemiseks. on temperatuurist sõltuv Fermi taseme asend, mis vastab elektronide poolt hõivatud kõrgeimale energiatasemele. Fermi tase vastab Fermi energiale E F, mis elektronidel sellel tasemel võib olla.

Fermi energia on maksimaalne energia, mida juhtivuselektronid võivad metallis omada temperatuuril 0 K. Fermi tase on seda kõrgem, seda suurem on elektrongaasi tihedus. Näiteks (joonis 9.2) on E FA metalli A Fermi energia ja E FB metalli B jaoks. E PA ja E PB väärtused on vastavalt metallide A ja B elektronide kõrgeim potentsiaalne energia. Kui kaks erinevat metalli A ja B puutuvad kokku, põhjustab Fermi taseme erinevus (E FA > E FB) elektronide üleminekut metallilt A (kõrgema tasemega) metallile B (madala Fermi tasemega). .

Sel juhul on metall A positiivselt laetud ja metall B negatiivselt. Nende laengute ilmnemine põhjustab nihke metallide energiatasemetes, sealhulgas Fermi tasemetes. Niipea kui Fermi tasemed on ühtlustunud, kaob põhjus, mis põhjustab elektronide eelistatud ülemineku metallist A metallist B, ja metallide vahel tekib dünaamiline tasakaal. Jooniselt fig. 9.2 on näha, et elektroni potentsiaalne energia metallis A on väärtuse E FA-E FB võrra väiksem kui metallis B. Seega on metalli A sees olev potentsiaal väärtuse võrra suurem kui B sees)

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


See avaldis annab sisemise kontakti potentsiaali erinevuse. Potentsiaal väheneb selle võrra üleminekul metallilt A metallile B. Kui mõlemad termopaari ristmikud (vt joonis 9.1) on samal temperatuuril, on kontaktpotentsiaalide erinevused võrdsed ja suunatud vastassuundadesse.

Sel juhul tühistavad nad üksteist. On teada, et Fermi tase, kuigi nõrgalt, sõltub temperatuurist. Seega, kui ristmike 1 ja 2 temperatuur on erinev, annab erinevus U AB (T 1) - U AB (T 2) kontaktidel selle kontakti panuse soojuse emf-i. Seda saab võrrelda mahulise termo-emfiga. ja on võrdne:

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

Viimast väljendit saab esitada järgmiselt:

Saadud termo-emf. (ε T) koosneb emf-ist, mis toimib kontaktides 1 ja 2, ning emf-ist, mis toimib sektsioonides A ja B.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E jätkub.

Asendades avaldised (9.3) ja (9.6) avaldisteks (9.7) ja sooritades teisendusi, saame

kus α = β - ((1/l) (dE F / dT))

α väärtust nimetatakse termo-emf koefitsiendiks. Kuna nii β kui ka dE F / d T sõltuvad temperatuurist, on koefitsient α samuti T funktsioon.

Võttes arvesse (9.9), võib termo-EMF avaldise esitada järgmiselt:


Suurust α AB nimetatakse diferentsiaal või kell eraldi termo-EMF see paar metalli. Seda mõõdetakse ühikutes W/K ja see sõltub oluliselt kokkupuutuvate materjalide olemusest, samuti temperatuurivahemikust, ulatudes umbes 10 -5 ÷10 -4 V/K. Väikeses temperatuurivahemikus (0-100°C) spetsiifiline termo-emf. nõrgalt temperatuurist sõltuv. Siis saab valemit (9.11) piisava täpsusega esitada kujul:

E T \u003d α (T 2 - T 1)

Pooljuhtides on erinevalt metallidest laengukandjate kontsentratsiooni ja nende liikuvuse tugev sõltuvus temperatuurist. Seetõttu on ülalpool käsitletud mõjud, mis viivad soojuse emf-i moodustumiseni, pooljuhtide puhul rohkem väljendunud; palju rohkem ja saavutab väärtuste suurusjärgus 10 -3 V/K.

9.3. Labori seadistuse kirjeldus

Termo-emf sõltuvuse uurimiseks. ristmike (kontaktide) temperatuuride erinevuse kohta kasutame selles töös termopaari kahest traadijupist, millest üks on kroomipõhine sulam (chromel) ja teine ​​alumiiniumipõhine sulam (alumel) . Üks ristmik koos termomeetriga asetatakse veega anumasse, mille temperatuuri T 2 saab muuta elektripliidil kuumutades. Teise ristmiku T 1 temperatuur hoitakse konstantsena (joonis 9.3). Saadud termiline emf. mõõdetud digitaalse voltmeetriga.

9.4. Katsetehnika ja tulemuste töötlemine
9.4.1. Eksperimentaalne tehnika

Kasutame termopaaris tekkiva emfi otseseid mõõtmisi. Ühenduste temperatuur määratakse termomeetri abil anumates oleva vee temperatuuri järgi (vt joonis 9.3).

9.4.2. Töökäsk

  1. Ühendage voltmeetri toitejuhe vooluvõrku.
  2. Vajutage digitaalse voltmeetri esipaneelil asuvat võrgunuppu. Laske seadmel 20 minutit soojeneda.
  3. Vabastage termopaari aluse kinnituskruvi, tõstke see üles ja kinnitage. Valage mõlemasse klaasi külma vett. Vabastage termopaari ühendused keeduklaasidesse umbes poole vee sügavusest.
  4. Kirjutage tabelisse. 9.1 ristmike (vee) algtemperatuuri T 1 väärtus termomeetri järgi (teise ristmiku puhul jääb see kogu katse vältel konstantseks).
  5. Lülitage elektripliit sisse.
  6. Salvestage emf väärtused. ja temperatuur T 2 tabelis. 9,1 iga kümne kraadi järel.
  7. Kui vesi keeb, lülitage elektripliit ja voltmeeter välja.

9.4.3. Mõõtmistulemuste töötlemine

  1. Mõõtmisandmete põhjal joonistage emf sõltuvus. termopaarid 8T (ordinaattelg) ristmike temperatuuride erinevusel ΔT \u003d T 2 - T 1 (abstsisstell).
  2. Kasutades saadud graafikut E T lineaarsest sõltuvusest ∆T-st, määrake konkreetne termiline emf. vastavalt valemile: α = ∆E T / ∆(∆T)

9.5. Kontrollnimekiri
  1. Mis on Seebecki fenomeni olemus ja olemus?
  2. Mis põhjustab termo-emfi mahulise komponendi esinemist?
  3. Mis põhjustab termo-emfi fononkomponendi välimust?
  4. Mis põhjustab kontaktpotentsiaali erinevust?
  5. Milliseid seadmeid nimetatakse termopaarideks ja kus neid kasutatakse?
  6. Mis on Peltieri ja Thomsoni nähtuste olemus ja olemus?
  1. Saveljev I.V. Üldfüüsika kursus. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 lk.
  2. Epifanov G.I. Tahkisfüüsika. M.: Kõrgkool, 1977. - 288 lk.
  3. Sivukhin DV Füüsika üldkursus. Elekter. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 lk.
  4. Trofimova T. I. Füüsika kursus. M. : Kõrgkool, 1985. - 432 lk.
  5. Detlaf A. A., Yavorsky V. M. Füüsika kursus. M. : Kõrgkool, 1989. - 608 lk.

ziruemogo lahus ühiku kohta. Tootmismõõtmistel vesinikelektroode ei kasutata, kuna neid on ebamugav kasutada.

8.1.1. mõõterakk pH-meeter

AT Kuna elektroodi potentsiaali ei saa otseselt mõõta, kasutatakse potentsiomeetrilisel meetodil galvaanielementi, mille puhul üks elektrood on mõõte- ja teine ​​võrdluselektrood (või abielektrood), mille potentsiaali sõltuvad lahuse uuritavate ioonide kontsentratsioonist. Mõõteelektrood asetatakse analüüsitavasse

vedel keskkond, sellel tekib potentsiaalne hüpe EX, mille määrab ioonide kontsentratsioon selles keskkonnas. Võrdluselektroodi potentsiaal peab alati jääma konstantseks, sõltumata keskkonna koostise muutustest.

AT mõõteelektroodidena kasutatakse klaaselektroode, mille indikaatorosa on valmistatud spetsiaalsest vesinikfunktsiooniga klaasist. Võrdlus- või abielektroodina kasutatakse tavaliselt kalomel- või hõbekloriidelektroode. Need kuuluvad nn teist tüüpi elektroodide hulka, mis koosnevad metallist, selle raskesti lahustuvast soolast ja vähelahustuvast soolast, millel on sama anioon kui vähelahustuv sool.

Klaasist mõõteelektroodiga elemendi üldvaade on näidatud joonisel fig. 1, kus 1 on klaasist indikaatorelektrood, 2 on kalomeli võrdluselektrood.

PH-meetri elektroodianduri EMF koosneb mitmest potentsiaalist:

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

kus E k on kontakt-abielektroodi ja klaaselektroodi täitva lahuse potentsiaalide erinevus; E ext - potentsiaalide erinevus lahuse ja mõõtemembraani sisepinna vahel; E x on potentsiaalide erinevus klaasmembraani välispinna ja kontrollitava keskkonna vahel (pH-funktsioon); E cf on elavhõbe (Hg) - kalomel (Hg 2 Cl 2) piirpinna potentsiaalide erinevus; E d - difusioonipotentsiaal kahe keskkonna kontaktpiiril - KCl ja kontrollitav keskkond. Chloe

Kaaliumisõiduk KCl mängib elektrolüütilise võtme rolli, mis ühendab analüüsitava lahuse elektroodiga.

Riis. 1. PH-meetri mõõteelemendi elektriahel

Sel juhul on E k , E vn , E v väärtused konstantsed ega sõltu analüüsitava keskkonna koostisest. Difusioonipotentsiaal E d on väga väike ja selle võib tähelepanuta jätta. Seega määrab kogu EMF vesinikioonide aktiivsus: E rakk \u003d E x + E.

Seega on E rakk \u003d f (pH), see tähendab, et E rakk on pH lineaarne funktsioon, mida kasutatakse pH elektrilisel mõõtmisel.

Elektroodielemendi E elemendi EMF sõltuvus pH-st määratakse klaasi elektroodi omadustega ja seda iseloomustab elektroodisüsteemi karakteristikute kaldekoefitsient S S= E/ pH. Analüüsitava lahuse temperatuuri muutus mõjutab elektroodisüsteemi EMF-i, muutes mõõteelektroodi nominaalse staatilise karakteristiku (NSH) kalle. Kui seda sõltuvust väljendada graafiliselt (joonis 2), siis saame hunniku lõikuvaid sirgeid. Sirgete lõikepunkti koordinaate nimetatakse isopotentsiaalpunkti koordinaatideks (Е Н , рН Н ) ja need on elektroodide süsteemi kõige olulisemad karakteristikud, mida juhindudes arvutatakse temperatuuri kompensatsiooniahela arvutamine. pH-meeter. Elektroodisüsteemi EMF-i muutuste temperatuuri kompenseerimine toimub reeglina automaatselt (pH-meetri tööstusliku muunduri ahelasse kuuluva TS-i abil).

>> R ST.

Riis. 2. Mõõteelektroodi NSH

Klaaselektroodiga mõõteelementi saab kujutada samaväärse vooluahelana (joonis 3). Klaaselektroodi membraani Rst (R element 500 MΩ) suure takistuse tõttu on takistus R element väga kõrge, seetõttu põhjustab väikeste voolude vool läbi elemendi sisetakistuse suure mõõtmisvea:

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

Viimasest võrrandist on näha, et põhimõõtmise nõue U IN = E YCH on täidetud, kui R IN >> RCH , s.o.

R IN

Riis. 3. Mõõteelemendi ekvivalentahel

8.1.2. Tööstuslikud muundurid pH-meetrite jaoks GSP

Tööstusliku automaatse pH-meetri komplekt koosneb sukelandurist (tüüp DPg-4M) või põhiandurist (tüüp DM-5M), mõõtevõimega suure takistuse muundurist ja üldiseks tööstuslikuks otstarbeks mõeldud GSP sekundaarsest seadmest. pH-meetri komplekti kuuluva mõõteseadme ülesandeks on mõõta elektroodisüsteemi EMF-i, mis konstantse temperatuuri tingimustes on pH funktsioon.

Madala energiatarbega pH-meetri mõõteelemendi EMF-i täpne mõõtmine on seotud märkimisväärsete raskustega. Esiteks ei saa mõõteelemendist läbi lasta voolu, mille tihedus ületab 10–7 A/cm2, kuna võib tekkida elektroodide polarisatsiooni nähtus, mille tagajärjel elektroodid rikki lähevad. Teine oluline raskus seisneb selles, et pH-meetri elemendi EMF-i otsesel mõõtmisel voolutarbimisega, näiteks millivoltmeetriga, luuakse elektriahel, mille kaudu voolab vool, mis määratakse sisemise voolu summaga. mõõteelektroodi takistus (umbes 500 ... 1000 MΩ) ja mõõteseadme takistus. Sel juhul peavad olema täidetud mitmed tingimused: mõõtevool peab olema väiksem kui elektroodide polarisatsioonivool; seadme sisetakistus peab olema vähemalt 100 korda suurem klaaselektroodi takistusest, mis aga läheb vastuollu seadme kõrge tundlikkuse nõudega. Sellega seoses EMF-i otsese mõõtmisega muundureid praktiliselt ei kasutata.

Ainus meetod, mis vastab kõigile pH-meetri elemendi EMF-i mõõtmise nõuetele, on kompensatsiooni (potentsiomeetriline) või nullmõõtmise meetod, mille peamiseks eeliseks on voolu puudumine lugemise ajal. Samas ei tasu eeldada, et kompensatsioonimeetodi puhul elektrood üldse ei koormata ja seetõttu on elektroodi polarisatsiooni nähtus välistatud. Siin on vooluhulk (10-12 A piires) seletatav asjaoluga, et mõõtmisprotsessi ajal esineb alati tasakaalustamatus ja mõõtmise ajal saavutatakse kompensatsioon ainult sellise täpsusega, millega nullindikaatori tundlikkus lubab.

Praegu kasutatakse klaaselektroodiga elektroodisüsteemi EMF mõõtmiseks ainult staatilise kompensatsiooniga elektroonilisi nullindikaatoreid (mõõtemuundureid). Sellise muunduri tööpõhimõtet selgitav lihtsustatud plokkskeem on näidatud joonisel fig. 4. Muundur on alalisvoolu võimendi, mis on kaetud väljundvoolu tagasiside sügava negatiivse tagasisidega, mis tagab suure sisendtakistuse. Võimendi on ehitatud vastavalt alalispinge vahelduvpingeks muundamiseks koos järgneva demodulatsiooniga.

Riis. Joonis 4. PH-meetri raku EMF-i mõõtmise meetodi struktuurskeem

Mõõdetud EMF E IA võrreldakse pingega U OUT, mis moodustub võimendi I OUT väljundvoolu voolust läbi takisti R OS. Nende pingete vahe juhitakse võimendi sisendisse U IN = E IJ -U OUT . Kui võimendus k \u003d U OUT / U IN, siis E IA \u003d U OUT / (1 + 1 / k). Piisavalt suure väärtusega k (k 500) E IA U OUT I OUT R OS , st. väljundvoolu tugevus on praktiliselt võrdeline pH-meetri mõõteelemendi sisendsignaaliga.

Staatilise kompensatsiooni kasutamine võimaldab mitu korda vähendada mõõteelemendist kuluvat voolu mõõtmisprotsessi ajal.

Seda põhimõtet rakendatakse peaaegu kõigis tööstuslikes pH-muundurites - arvestites: pH-201, P201, P202, P205 (pooljuhtelemendi alus) ja P215-s (kasutades standardseid mikroskeeme).

8.1.3. Konverteri P - 201 kirjeldus

P201 tüüpi tööstuslikud muundurid on ette nähtud lahuste ja paberimasside vesinikioonide aktiivsuse (pH väärtus) mõõtmiseks tehnoloogiliste protsesside automaatjuhtimise ja reguleerimise süsteemides.

Andurid on loodud töötama kõigi kaubanduslikult saadavate pH-tundlike elementidega, nagu DPg-4M; DM-5M ja teised.

Muunduril on pinge ja voolu väljundid sekundaarsete seadmete ühendamiseks vastava sisendiga

signaalid.

Peamised tehnilised omadused:

mõõtmise piirid

-1 kuni 14 pH

lubatud põhimäära vähendatud

vead:

a) DC väljundsignaalid ja

DC pinge

b) vastavalt näiduvahendile

klaasi takistuse mõõtmine

elektrood

abielektroodi takistus

settimise aeg

mitte rohkem kui 10 s

väljundvool

väljundpinge

0 kuni 10 100 mV

Muundur on ette nähtud paigaldamiseks tööstuslike üksuste vahetusse lähedusse. Andur võib koosneda kitsa profiiliga näidikuseadmest ja andurist endast, mis on paigaldatud ühele ühisele paneelile või eraldi, või ainult ühest andurist. Seadme välimus on näidatud joonisel fig. 5.

Korpus 1 on valmistatud lehtterasest, kate 2 on valatud, valmistatud alumiiniumisulamist. Kaane esiküljel on kiri seadme indeksiga, kork 3 ja kruvikork 4.

Riis. 5. Konverteri P201 välimus

Korpuse sisse on paigaldatud raam, mis on aluseks kõigi seadme plokkide ja elementide paigaldamisel. Konverteri esipaneelil, mis asub kaane all, on kuvatud muutuvate takistite teljed, mis on mõeldud muundurite mõõtepiiride muutmiseks. Väliste elektriühenduste klambritega plokk asub kinnises sektsioonis, ligipääs sellele on tagatud korpuse tagaseinast. Juhtmed juhitakse sektsiooni läbi seadme alumises seinas oleva nelja näärme (joonis 6).

Riis. Joonis 6. Konverteri P-201 väliste elektriühenduste skeem: TRM - universaalne arvesti-regulaator; TKR - temperatuuri kompensatsioonitakistite plokk

8.1.4. Automaatse pH-meetri kontrollimine ja kalibreerimine

Praegune automaatse pH-meetri kontrollimine seisneb selle näitude võrdlemises juhtseadme omadega. Olulise lahknevuse korral korrigeeritakse testitava seadme näidud kompensaatori abil või muunduri kalibreerimise muutmisega häälestusnuppude abil. Välja arvatud

Lisaks tuleks perioodiliselt läbi viia anduri ja anduri üksikasjalikum kontroll.

Anduri kontrollimine hõlmab järgmisi toiminguid:

1) hoolikas väline uurimine, eriti nende osade puhul, mis puutuvad kokku mõõdetava keskkonnaga;

2) elektriahelate, eelkõige klaasi isolatsioonitakistuse ja võrdluselektroodide ahelate kontrollimine

korpuse suhtes, mis peab olema vastavalt vähemalt 1012 oomi ja 2108 oomi;

3) elektroodisüsteemi omaduste kontrollimine teadaoleva pH väärtusega puhverlahustega kontrolllabori pH-meetri abil.

Konverteri kinnitamine hõlmab järgmist:

1) muunduri peamise mõõtevea määramine ja selle kalibreerimise korrigeerimine;

2) anduri täiendavate mõõtmisvigade määramine klaaselektroodi R takistuse muutusest ST , võrdluselektroodi RSR takistuse muutused

ja kontrollitava lahuse potentsiaali muutus E X .

pH-meetrite skaala kalibreerimiseks on vajalik I-01 või I-02 elektroodisüsteemi simulaator.

Elektroodisüsteemi simulaator võimaldab teil kontrollida pH-meetri anduri jõudlust; elektroodide takistuse ning lahuse ja seadme korpuse vahelise pinge muutuste mõju seadme näitudele; pH-meetrite mürakindlus.

Simulaatori abil saate reprodutseerida järgmisi elektroodisüsteemi parameetreid:

a) pinge, mis on ekvivalentne elektroodisüsteemi EMF-iga, vahemikus 0 kuni 1000 mV;

b) klaaselektroodi takistusega võrdne takistus: 0; 500 ja 1000 MΩ;

c) takistus, mis on võrdne abielektroodi takistusega: 10 ja 20 kOhm;

d) pinge, mis on ekvivalentne EMF-iga "maa - lahendus": 0 ja

Simulaator on elektroodisüsteemi elektriline ekvivalent (joonis 7) ja on konstrueeritud teisaldatava seadmena, mis on paigutatud eemaldatava kaanega terasest korpusesse.

E W Rv

Riis. Joonis 7. Elektroodisüsteemi simulaatori ekvivalentskeem: R I – mõõteklaaselektroodi takistus; RB on abielektroodi takistus; E - elektroodisüsteemi kogu EMF: E G - EMF "maa - lahendus".

Simulaatori esipaneelil on klemmid selle ühendamiseks kontrollitud pH-meetriga, kasutades komplekti kuuluvat kaablit. Seal asuvad ka nupud vajaliku väljundpinge, elektroodi takistuse, juhitava lahenduspotentsiaali jms seadistamiseks.

8.2. SEADMED JA INSTRUMENDID

1. tööstuslik muundur P-201.

2. Elektroodisüsteemi simulaator I-02.

3. Arvesti-regulaator universaalne mitme kanaliga TPM 138.

8.3. TÖÖJÄRJESTUS

1. Konverteri kontrollimiseks pange paigaldus kokku P-201, kasutades I-02 simulaatorit vastavalt joonisel fig. 8, ühendades simulaatori väljundi koaksiaalkaabli kaudu muunduri sisenditega "Meas" ja "Aux".

2. Valmistage simulaator tööks ette. Selleks vajutage simulaatori lüliteid: “R Ja ” – nupp 500; “EЗР”, “RВ” - nupud

"00" EZP jaoks ja "010" RB jaoks; “POWER” – nupp “INTERNAL” ja “ON”.

3. Ühendage alusele toide.

Riis. 8. Taatlusskeem: 1 – I-02 elektroodisüsteemi simulaator; 2 – elektroodisüsteem; 3 - suure takistusega muundur P-201; 4 - mitme kanaliga arvesti regulaator TPM 138

4. Kasutage TPM 138 nooli ^ v, et valida kanal nr 5, mille kaudu loetakse elektromagnetvälja.

5. Kontrollige muundurit.

Selle jaoks:

5.1. Vali simulaatori lüliti “E, mV” nuppudele EMF väärtus, mis vastab digiteeritud skaala märgi pH väärtusele. Lüliti “EX , mV” on seatud asendisse “+” või “-”, olenevalt kalibreerimistabelis olevast elektromagnetväljast.

5.2. I-02 simulaatori näidikute lugemiseks. Määrake põhimõõtmisviga, kui RВ = 10

kOhm; EZ = 0. Põhiviga kontrollitakse kõigil digiteeritud skaalamärkidel edasi- ja tagasikäigul ning arvutatakse valemiga = [(E -E 0) / (E K -E H)] 100%, kus E 0 on tabel (tegelik väärtus Sellele digiteeritud skaalamärgile vastava elektroodisüsteemi EMF, mV, E – EMF tegelik väärtus, mV, E K , E N – EMF väärtused, mis vastavad lõpp- ja esialgsetele skaalamärkidele.

6. Esitage kontrollimise tulemused aruandes.

Vene Föderatsiooni haridus- ja teadusministeerium

Föderaalne Haridusagentuur

Saratovi osariik

Tehnikaülikool

Elektroodide mõõtmine

potentsiaalid ja emf

Juhised

kursusel "Teoreetiline elektrokeemia"

eriala üliõpilastele

suund 550800

Kohaliku levitamise elektrooniline väljaanne

Kinnitatud

toimetus ja kirjastamine

Saratovi nõukogu

olek

tehnikaülikool

Saratov – 2006

Kõik õigused reprodutseerimisele ja levitamisele mis tahes kujul jäävad arendajale.

Selle toote ebaseaduslik kopeerimine ja kasutamine on keelatud.

Koostanud:

Toimetanud

Ülevaataja

SSTU teaduslik ja tehniline raamatukogu

Registreerimisnumber 060375-E

© Saratovi osariik

tehnikaülikool, 2006

Sissejuhatus

Üks elektrokeemia põhimõisteid on elektrokeemilise süsteemi elektrokeemilise potentsiaali ja EMF mõisted. Elektroodide potentsiaalide ja EMF väärtused on seotud elektrolüütide lahuste selliste oluliste omadustega nagu aktiivsus (a), aktiivsuskoefitsient (f), ülekandearvud (n+, n-). Mõõtes elektrokeemilise süsteemi potentsiaali ja EMF-i, saab arvutada a, f, n+, n - elektrolüüdid.

Juhendi eesmärk on tutvustada õpilasi teoreetiliste ideedega elektroodi ja lahuse vahelise potentsiaali hüppamise põhjuste kohta, elektroodide klassifikatsiooniga, omandada elektroodide potentsiaalide ja EMF mõõtmise kompensatsioonimeetodi teoreetilisi aluseid, kasutades seda meetodit. arvutada aktiivsuskoefitsiendid ja ioonide transpordi numbrid elektrolüütide lahustes.


Põhimõisted

Kui metallelektrood on lahusesse kastetud, tekib liidesele kahekordne elektrikiht ja järelikult tekib potentsiaalne hüpe.

Potentsiaalse hüppe tekkimist põhjustavad erinevad põhjused. Üks neist on laetud osakeste vahetus metalli ja lahuse vahel. Metalli sukeldamisel elektrolüüdi lahusesse toovad metalliioonid, väljudes kristallvõrest ja sisenedes lahusesse, sinna oma positiivsed laengud, samal ajal kui metalli pind, millele jääb elektronide liig, laetakse negatiivselt.

Teine potentsiaalide ilmnemise põhjus on anioonide selektiivne adsorptsioon soola vesilahusest mõne inertse metalli pinnal. Adsorptsioon toob kaasa liigse negatiivse laengu ilmumise metalli pinnale ja edasise liigse positiivse laengu ilmnemiseni lähimas lahusekihis.

Kolmas võimalik põhjus on polaarsete laenguta osakeste võime orienteeruda adsorbeerituna faasipiiri lähedal. Orienteeritud adsorptsiooni korral on polaarse molekuli dipooli üks ots liidese poole ja teine ​​selle faasi poole, kuhu antud molekul kuulub.

Elektroodi-lahuse liidesel on võimatu mõõta potentsiaalse hüppe absoluutväärtust. Kuid on võimalik mõõta uuritavast elektroodist ja elektroodist koosneva elemendi EMF-i, mille potentsiaal on tinglikult nulliks. Sel viisil saadud väärtust nimetatakse metalli "sisemiseks" potentsiaaliks - E.

Elektroodina toimib standardne vesinikelektrood, mille tasakaalupotentsiaali peetakse tavapäraselt nulliks.

Tasakaalupotentsiaal on potentsiaal, mida iseloomustab väljakujunenud tasakaal metalli ja soolalahuse vahel. Tasakaaluseisundi loomine ei tähenda, et elektrokeemilises süsteemis ei toimu üldse protsesse. Ioonide vahetus tahke ja vedela faasi vahel jätkub, kuid selliste üleminekute kiirused muutuvad võrdseks. Tasakaal metalli-lahuse piiril vastab tingimusele

iTo= iAGA=iO , (1)

kus iTo on katoodvool;

iO – vahetada voolu.

Uuritava elektroodi potentsiaali mõõtmiseks saab kasutada teisi elektroode, mille potentsiaal on vesiniku standardelektroodi – võrdluselektroodide suhtes teada.

Põhinõuded võrdluselektroodidele on potentsiaalse hüppe püsivus ja tulemuste hea reprodutseeritavus. Võrdluselektroodide näideteks on teist tüüpi elektroodid: kalomel:

Cl- / hg2 Cl2 , hg

Hõbekloriidi elektrood:

Cl- / AgCl, Ag

elavhõbesulfaatelektrood ja teised. Tabelis on näidatud võrdluselektroodide potentsiaalid (vesiniku skaala järgi).

Iga elektroodi - E potentsiaal määratakse antud temperatuuril ja rõhul standardpotentsiaali väärtuse ja elektroodi reaktsioonis osalevate ainete aktiivsuse järgi.


Kui reaktsioon kulgeb elektrokeemilises süsteemis pöörduvalt

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

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

Teist tüüpi elektroodid on metallelektroodid, mis on kaetud selle metalli halvasti lahustuva soolaga ja sukeldatud hästi lahustuva soola lahusesse, millel on vähelahustuva soolaga ühine anioon: näiteks hõbekloriid, kalomelelektroodid jne.

Teist tüüpi elektroodi, näiteks hõbekloriidelektroodi potentsiaali kirjeldatakse võrrandiga

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

Redokselektrood on elektrood, mis on valmistatud inertsest materjalist ja sukeldatud lahusesse, mis sisaldab mõnda ainet oksüdeeritud ja redutseeritud kujul.

Seal on lihtsad ja keerulised redokselektroodid.

Lihtsates redokselektroodides täheldatakse osakeste laengu valentsi muutust, kuid keemiline koostis jääb muutumatuks.

Fe3++e→Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Kui tähistame oksüdeeritud ioone kui Ox ja redutseeritud ioone punasega, siis saab kõiki ülaltoodud reaktsioone väljendada ühe üldvõrrandiga

Ox+ e→ Punane

Lihtne redokselektrood on kirjutatud diagrammina Punane, Ox/ Pt, ja selle potentsiaali annab võrrand

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

Kahe elektroodi potentsiaali erinevust välise vooluringi väljalülitamisel nimetatakse elektrokeemilise süsteemi elektromotoorjõuks (EMF) (E).

E= E+ - E- (9)

Elektrokeemilist süsteemi, mis koosneb kahest identsest elektroodist, mis on sukeldatud sama erineva kontsentratsiooniga elektrolüüdi lahusesse, nimetatakse kontsentratsioonielemendiks.

EMF sellises elemendis tekib elektrolüütide lahuste kontsentratsioonide erinevuse tõttu.

Eksperimentaalne tehnika

Kompensatsioonimeetod elektromagnetväljade ja potentsiaali mõõtmiseks

Instrumendid ja tarvikud: R-37/1 potentsiomeeter, galvanomeeter, aku, Westoni elemendid, süsinik, vask, tsinkelektroodid, elektrolüüdi lahused, hõbekloriidi võrdluselektrood, elektrolüütiline võti, elektrokeemiline element.

Paigaldage paigaldusskeem (joonis 2)

e. I. – elektrokeemiline element;

e. ja. – uuritud elektrood;

e. Koos. – võrdluselektrood;

e. k. - elektrolüütiline võti.

DIV_ADBLOCK84">

CrO42- ja H+ ioonide kontsentratsioonid on konstantsed ja võrdsed 0,2 g-ioon/l ja 3-ioon/l H+ kontsentratsioon varieerub ja on: 3; 2; üks; 0,5; 0,1 g-ioon/l;

CrO42-, Cr3+ ioonide kontsentratsioon on konstantne ja võrdub vastavalt 2 g-ioon/l ja 0,1 g-ioon/l, H+ ioonide kontsentratsioon varieerub ja on: 2; üks; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 g-iooni/l.

4. ülesanne

Lihtsa redokssüsteemi potentsiaali mõõtmine Mn+7, Mn2+ grafiit.

Mn2+ iooni kontsentratsioon on konstantne ja võrdub 0,5 g-iooni/l

MnO2-4 ioonide kontsentratsioon muutub ja on 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 g-ioon/l;

MnO-4 ioonide kontsentratsioon on konstantne ja võrdne 1 g-iooniga/l

Mn2+ ioonide kontsentratsioon v muutub ja on: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 g-iooni/l.

Katseandmete töötlemine

1. Kõik saadud katseandmed tuleb teisendada vesiniku skaalale.

3. Konstrueerida potentsiaali graafiline sõltuvus kontsentratsioonist koordinaatides E, lgC, teha järeldus potentsiaali määravate ioonide kontsentratsiooni mõju olemuse kohta elektroodipotentsiaali väärtusele.

4. Kontsentratsioonielementide jaoks (ülesanne 2) arvutage difusioonipotentsiaali hüpe φα võrrandi abil

φα = (10)

EMF mõõtmisel kompensatsioonimeetodil

1. Enne kasutamist tuleb potentsiomeeter maandada.

2. Akudega töötades peate:

Kasutage klemmide pinge kontrollimiseks kaasaskantava voltmeetriga;

Akude kokkupanemisel akusse vältige tõsiste põletuste vältimiseks korpuse ja klemmide lühistamist.

3. Pärast tööd lülitage kõik seadmed välja.

Kirjandus

1. Antropovi elektrokeemia:

õpik / .- 2. tr. läbi vaadatud lisa.-M.: Kõrgkool, 1984.-519s.

2.-Rotinyani elektrokeemia: õpik / ,

L.: Keemia, lk.

3. Damask /, .- M .: Kõrgkool, 1987.-296s.

Mida EMF(elektromootorjõud) füüsikas? Elektrivoolust ei saa kõik aru. Nagu ruumikaugus, ainult nina all. Üldiselt ei mõista seda täielikult ka teadlased. Piisab, et mäletada Nikola Tesla oma kuulsate katsetega, kes on sajandeid oma ajast ees ja jäävad isegi tänapäeval salapära oreole. Täna me suuri mõistatusi ei lahenda, vaid püüame välja mõelda mis on emf füüsikas.

EMF-i definitsioon füüsikas

EMF on elektromotoorjõud. Tähistatakse tähega E või väike kreeka täht epsilon.

Elektromotoorjõud- välisjõudude tööd iseloomustav skalaarne füüsikaline suurus ( mitteelektrilise päritoluga jõud) töötavad vahelduv- ja alalisvoolu elektriahelates.

EMF, nagu Pinge e, mõõdetuna voltides. EMF ja pinge on aga erinevad nähtused.

Pinge(punktide A ja B vahel) - füüsikaline suurus, mis võrdub efektiivse elektrivälja tööga, mis tehakse ühikkatselaengu ühest punktist teise ülekandmisel.

Selgitame EMF-i olemust "sõrmedel"

Et mõista, mis on mis, võime tuua analoogilise näite. Kujutage ette, et meil on veetorn, mis on täielikult veega täidetud. Võrrelge seda torni akuga.

Vesi avaldab maksimaalset survet torni põhja, kui torn on täis. Vastavalt sellele, mida vähem vett tornis on, seda nõrgem on kraanist voolava vee rõhk ja rõhk. Kui avate kraani, hakkab vesi alguses tugeva surve all järk-järgult välja voolama ja seejärel aina aeglasemalt, kuni rõhk täielikult nõrgeneb. Siin on stress surve, mida vesi avaldab põhjale. Nullpinge taseme jaoks võtame torni põhja.

Akuga on sama lugu. Esiteks kaasame oma vooluallika (aku) vooluringi, sulgedes selle. Olgu selleks kell või taskulamp. Kui pingetase on piisav ja aku ei tühjene, särab taskulamp eredalt, seejärel kustub järk-järgult, kuni see täielikult kustub.

Kuidas aga tagada, et rõhk tühjaks ei saaks? Ehk kuidas hoida tornis ühtlast veetaset ja vooluallika poolustel pidevat potentsiaalivahet. EMF on torni eeskujul esitletud pumbana, mis tagab uue vee sissevoolu torni.

Emfi olemus

EMF-i esinemise põhjus erinevates vooluallikates on erinev. Sõltuvalt esinemise olemusest eristatakse järgmisi tüüpe:

  • Keemiline emf. Tekib patareides ja akudes keemiliste reaktsioonide tõttu.
  • Termo-EMF. Tekib siis, kui on ühendatud erinevate temperatuuridega erinevate juhtmete kontaktid.
  • Induktsiooni EMF. Tekib generaatoris, kui pöörlev juht asetatakse magnetvälja. EMF indutseeritakse juhis, kui juht ületab konstantse magnetvälja jõujooni või kui magnetvälja suurus muutub.
  • Fotoelektriline EMF. Selle EMF-i esinemist soodustab välise või sisemise fotoelektrilise efekti nähtus.
  • Piesoelektriline emf. EMF tekib siis, kui ainet venitatakse või surutakse kokku.

Head sõbrad, täna oleme käsitlenud teemat "EMF for Dummies". Nagu näete, EMF mitteelektrilise päritoluga jõud, mis säilitab elektrivoolu voolu ahelas. Kui soovite teada, kuidas EMF-iga seotud probleemid lahenevad, soovitame teil ühendust võtta meie autorid– hoolikalt valitud ja end tõestanud spetsialistid, kes selgitavad kiiresti ja selgelt iga temaatilise probleemi lahendamise kulgu. Ja traditsiooni kohaselt kutsume teid lõpuks vaatama koolitusvideot. Head vaatamist ja edu õpingutes!

Instrumendid vedelate metallide temperatuuri ja hapniku aktiivsuse andurite elektromagnetväljade mõõtmiseks iM Sensor Lab on ette nähtud primaarsetest termoelektrilistest muunduritest tulevate termo-EMF mõõtmiseks, mis mõõdavad vedelate metallide (malm, teras, vask jt) temperatuuri ja EMF-i, mida tekitavad hapniku aktiivsuse andurid.

Kirjeldus

Tööpõhimõte

Primaarse termoelektrilise muunduri (termopaari) termo-EMF signaalid ja hapniku aktiivsuse andurite (mV) EMF edastatakse vedelate metallide temperatuuri mõõtmise seadme "mõõte" sisendisse ja hapniku aktiivsuse andurite iM2 EMF. Sensor Lab teisendatakse digitaalsele kujule ja vastavalt programmile teisendatakse temperatuuri ja hapniku aktiivsuse väärtusteks. Need signaalid võetakse vastu tsüklitena kuni 250 s-1. Seadmel on 4 sisendit: Ch0 ja Ch2 - termopaaride signaalide mõõtmiseks ning Ch1, Ch3 - hapniku aktiivsusandurite EMF signaalide mõõtmiseks.

Temperatuuri mõõtmise käigus analüüsitakse sissetuleva sisendsignaali muutust, et määrata selle väljund stabiilseteks näitudeks (mida iseloomustavad nn "temperatuuriala" parameetrid, mis määratakse pikkuse (aja) järgi) ja kõrgus (temperatuuri muutus).Kui ala pikkusega määratud aja jooksul ei ületa tegelik temperatuurimuutus selle määratud kõrgust (st lubatud temperatuurimuutust), siis loetakse ala väljavalituks.Järgmine iM Sensor Lab seade vedelate metallide temperatuuri ja hapniku aktiivsusandurite EMF mõõtmiseks keskmistab valitud ala pikkuses mõõdetud temperatuurikella väärtused ja kuvab mõõtmiste tulemusel keskmise väärtuse ekraanil.

Sarnaselt jaotatakse EMF-i väljundile vastavad alad stabiilsetele näitudele, mille mõõtmed määratakse ka pikkuse (aja) ja kõrgusega (EMF väärtuse lubatud muutus).

Lisaks vanni temperatuuri mõõtmisele võimaldab seade määrata vedela terase likviidsuse temperatuuri, mida saab ümber arvutada süsinikusisalduse empiirilise võrrandi järgi. Vastavalt hapniku aktiivsuse andurite poolt genereeritud elektromagnetväljade mõõtmistulemustele hapniku aktiivsus vedelas terases, malmis ja vases, süsinikusisaldus terases, väävli- ja ränisisaldus malmis, FeO aktiivsus (FeO + MnO). ) vedelas metallurgiaräbus ja mõned muud parameetrid määratakse arvutustega, mis on seotud vedelate metallide termilise oleku ja keemilise koostisega. Samuti on seadmel võimalus määrata vanni taset (räbu-metalli piiri asend), analüüsides temperatuurimuutuste kiirust termopaari vanni kastmisel ja määrates spetsiaalsete sondide abil räbukihi paksuse.

Vedelmetallide temperatuuri ja iM2 Sensor Labi hapnikuaktiivsuse andurite EMF mõõtmise instrumentidel on kaks modifikatsiooni, mis erinevad puutetundliku LCD-ekraani olemasolu või puudumise poolest (joonis 1). Ekraani puudumisel juhitakse seadet välisest arvutist või tööstuslikust tahvelarvutist. Sel juhul on nendevahelise suhtluse jaoks kaasas spetsiaalne tarkvara.

Puutetundlik ekraan asub instrumendi korpuse esipaneelil ja kuvab digitaalsel ja graafilisel kujul mõõtmiste kulgu, selle tulemusi ja muud mõõtmistega seotud teavet. Ekraanil kuvatakse ka tekstikaartide kujul menüü, mida kasutatakse seadme juhtimiseks, selle diagnostikaks ja täitmise andmete vaatamiseks.

Leht nr 2 Lehte kokku 4

varasemad mõõtmised. Modifikatsioonis "ilma ekraanita" kuvatakse kogu ülaltoodud teave arvuti või tööstusliku tahvelarvuti ekraanil.

Vedelmetallide temperatuuri mõõtmise seadme elektroonikaplaadid ja iM2 Sensor Lab hapnikuaktiivsuse andurite EMF on paigaldatud 19” standardi järgi valmistatud tolmukindlasse terasest korpusesse, mis on ette nähtud paigaldamiseks paigaldusraamile või paigaldamiseks kilp.

Primaarsete muundurite signaale saab seadmesse edastada kahel viisil – kaabli ja raadio teel. Viimasel juhul ühendatakse seade jadaliidese kaudu vastuvõtuseadmega (Receiver Box) ning sukelvarraste käepidemele on paigaldatud saatja (QUBE), mis muundab andurite signaalid raadiosignaalideks, mis edastatakse vastuvõttev üksus. Viimane võtab need vastu ja edastab töötlemiseks seadmesse.

Seade ei ole pitseeritud.

Tarkvara

Tarkvara (SW) installimine toimub tootja juures. Juurdepääs tarkvara metroloogiliselt olulisele osale ei ole võimalik.

Rikkeindikaatori konstruktsioon välistab võimaluse omavoliliselt mõjutada mõõtevahendi tarkvara ja mõõteinfot.

Püsivara kaitsetase tahtmatute ja tahtlike muutmiste eest

Kõrge R 50.2.077-2014 järgi.

Tehnilised andmed

Vedelmetallide temperatuuri ja iM2 Sensor Labi hapnikuaktiivsuse andurite EMF mõõtmisseadmete metroloogilised ja tehnilised omadused on toodud tabelis 1. Tabel 1

* - võtmata arvesse primaarmuunduri, pikenduskaabli ja EMF-anduri viga.

Tüübikinnitusmärk

Tüübikinnitusmärk kantakse tüpograafiliselt töödokumentatsiooni tiitellehele tüpograafilisel meetodil ja instrumendi esipaneelile ofsettrüki meetodil.

Täielikkus

Mõõteriista täielikkus on toodud tabelis 2. Tabel 2

Kontrollimine

viiakse läbi vastavalt MP RT 2173-2014 „Hapniku aktiivsusandurite vedelmetallide temperatuuri ja EMF mõõtmise instrumendid iM2 Sensor Lab. Kontrollimise metoodika”, mille on heaks kiitnud GCI SI FBU “Rostest-Moskva” 26. oktoobril 2014.

Peamised kontrollimeetodid on toodud tabelis 3. Tabel 3

Teave mõõtmismeetodite kohta

Teave mõõtmismeetodite kohta on toodud kasutusjuhendis.

Normatiiv- ja tehnilised dokumendid, mis kehtestavad nõuded vedelate metallide temperatuuri ja hapniku aktiivsuse andurite elektromagnetväljade mõõtmise instrumentidele iM2 Sensor Lab

1 Tootja tehniline dokumentatsioon Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. kg.

2 GOST R 52931-2008 “Instrumendid tehnoloogiliste protsesside jälgimiseks ja reguleerimiseks. Üldised tehnilised tingimused".

3 GOST R 8.585-2001 “GSP. Termopaarid. Staatilise muundamise nimiomadused.

4 GOST 8.558-2009 “GSP. Temperatuurimõõtevahendite riikliku kontrolli skeem.

toodete ja muude objektide kohustuslikele nõuetele vastavuse hindamisel vastavalt Vene Föderatsiooni tehnilisi norme käsitlevatele õigusaktidele.