Acasă > INAINTE DE > Termocupluri. Echipament de măsurare Procedura de lucru


Termocupluri. Echipament de măsurare Procedura de lucru




9.1. Obiectiv

Determinarea dependenței forței termoelectromotoare a unui termocuplu de diferența de temperatură a joncțiunilor.

Într-un circuit închis (Fig. 9.1), format din conductori (sau semiconductori) diferiți A și B, apare o forță electromotoare (emf) E T și circulă un curent dacă contactele 1 și 2 ale acestor conductori sunt menținute la temperaturi diferite T 1 și T2. Acest emf se numește forță termoelectromotoare (termo-emf), iar un circuit electric format din doi conductori diferiți se numește termocuplu. Când semnul diferenței de temperatură dintre joncțiuni se schimbă, direcția curentului termocuplului se modifică. aceasta
fenomenul este numit fenomen Seebeck.

Există trei motive cunoscute pentru apariția termo-EMF: formarea unui flux direcționat de purtători de sarcină într-un conductor în prezența unui gradient de temperatură, tragerea electronilor de către fononi și o modificare a poziției nivelului Fermi. in functie de temperatura. Să luăm în considerare aceste motive mai detaliat.

În prezența unui gradient de temperatură dT/dl de-a lungul conductorului, electronii de la capătul său fierbinte au o energie cinetică mai mare și, prin urmare, o viteză mai mare de mișcare haotică în comparație cu electronii de la capătul rece. Ca urmare, există un flux predominant de electroni de la capătul fierbinte al conductorului către cel rece, la capătul rece se acumulează o sarcină negativă, iar la capătul fierbinte rămâne o sarcină pozitivă necompensată.

Acumularea continuă până când diferența de potențial rezultată provoacă un flux egal de electroni. Suma algebrică a acestor diferențe de potențial în circuit creează componenta volumetrică a termo-emf.

În plus, gradientul de temperatură existent în conductor conduce la mișcarea predominantă (deriva) a fononilor (cuante ale energiei vibraționale a rețelei cristaline a conductorului) de la capătul fierbinte la cel rece. Existența unei astfel de derive duce la faptul că electronii împrăștiați de fononi înșiși încep să facă o mișcare direcționată de la capătul fierbinte la cel rece. Acumularea de electroni la capătul rece al conductorului și epuizarea electronilor de la capătul fierbinte duce la apariția unei componente de fonon a termo-emf. Mai mult, la temperaturi scăzute, aportul acestei componente este principalul în apariția emf termică.

În urma ambelor procese, în interiorul conductorului ia naștere un câmp electric, îndreptat către gradientul de temperatură. Intensitatea acestui câmp poate fi reprezentată ca

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

unde β = dφ / dT.

Relația (9.1) leagă intensitatea câmpului electric E de gradientul de temperatură dT / dl. Câmpul rezultat și gradientul de temperatură au direcții opuse, deci au semne diferite.

Câmpul determinat prin expresia (9.1) este câmpul forțelor externe. Integrând puterea acestui câmp pe secțiunea circuitului AB (Fig. 9.1) de la joncțiunea 2 la joncțiunea 1 și presupunând că T 2 > T 1, obținem o expresie pentru termo-emf care acționează pe această secțiune:



(Semnul s-a schimbat când limitele de integrare s-au schimbat.) În mod similar, determinăm termo-emf care acționează în secțiunea B de la joncțiunea 1 la joncțiunea 2.

Al treilea motiv pentru apariția termo-emf. este poziția dependentă de temperatură a nivelului Fermi, care corespunde celui mai înalt nivel de energie ocupat de electroni. Nivelul Fermi corespunde energiei Fermi E F pe care electronii o pot avea la acest nivel.

Energia Fermi este energia maximă pe care electronii de conducție o pot avea într-un metal la 0 K. Nivelul Fermi va fi cu cât mai mare, cu atât densitatea gazului de electroni va fi mai mare. De exemplu (Figura 9.2), E FA este energia Fermi pentru metalul A, iar E FB este pentru metalul B. Valorile lui E PA și E PB sunt cea mai mare energie potențială a electronilor din metalele A și, respectiv, B. Când două metale diferite A și B intră în contact, prezența unei diferențe de nivel Fermi (E FA > E FB) duce la tranziția electronilor de la metalul A (cu un nivel mai ridicat) la metalul B (cu un nivel Fermi scăzut) .

În acest caz, metalul A este încărcat pozitiv, iar metalul B este încărcat negativ. Apariția acestor sarcini determină o schimbare a nivelurilor de energie ale metalelor, inclusiv a nivelurilor Fermi. De îndată ce nivelurile Fermi sunt egalizate, dispare cauza care provoacă tranziția preferențială a electronilor de la metalul A la metalul B și se stabilește un echilibru dinamic între metale. Din fig. 9.2 se poate observa că energia potenţială a unui electron în metalul A este mai mică decât în ​​B cu valoarea E FA - E FB . În consecință, potențialul în interiorul metalului A este mai mare decât în ​​interiorul B cu valoarea)

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


Această expresie oferă diferența de potențial de contact intern. Potențialul scade cu această cantitate în timpul trecerii de la metalul A la metalul B. Dacă ambele joncțiuni de termocuplu (vezi Fig. 9.1) sunt la aceeași temperatură, atunci diferențele de potențial de contact sunt egale și direcționate în direcții opuse.

În acest caz, se anulează reciproc. Se știe că nivelul Fermi, deși slab, depinde de temperatură. Prin urmare, dacă temperatura joncțiunilor 1 și 2 este diferită, atunci diferența U AB (T 1) - U AB (T 2) pe contacte dă contribuția sa de contact la fem-ul termic. Poate fi comparat cu termo-emf volumetric. si este egal cu:

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

Ultima expresie poate fi reprezentată astfel:

Termo-emf rezultat. (ε T) este compus din fem care acționează în contactele 1 și 2 și din fem care acționează în secțiunile A și B.

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

Înlocuind expresiile (9.3) și (9.6) în (9.7) și efectuând transformări, obținem

unde α = β - ((1/l) (dE F / dT))

Valoarea lui α se numește coeficientul termo-emf. Deoarece atât β cât și dE F / d T depind de temperatură, coeficientul α este, de asemenea, o funcție a lui T.

Luând în considerare (9.9), expresia pentru termo-EMF poate fi reprezentată ca:


Mărimea α AB se numește diferenţial sau la termo-EMF separat această pereche de metale. Se măsoară în W/K și depinde în mod esențial de natura materialelor de contact, precum și de domeniul de temperatură, ajungând la aproximativ 10 -5 ÷10 -4 V/K. Într-un interval mic de temperatură (0-100°C) termo-emf specific. dependentă slab de temperatură. Atunci formula (9.11) poate fi reprezentată cu un grad suficient de acuratețe sub forma:

E T \u003d α (T 2 - T 1)

În semiconductori, spre deosebire de metale, există o dependență puternică a concentrației purtătorilor de sarcină și a mobilității acestora de temperatură. Prin urmare, efectele discutate mai sus, care conduc la formarea unei feme termice, sunt mai pronunțate la semiconductori; mult mai mult și atinge valori de ordinul a 10 -3 V/K.

9.3. Descrierea configurației laboratorului

Pentru a studia dependența de termo-emf. pe diferența de temperatură a joncțiunilor (contactelor), în această lucrare folosim un termocuplu format din două bucăți de sârmă, dintre care una este un aliaj pe bază de crom (chromel), iar cealaltă este un aliaj pe bază de aluminiu (alumel) . O joncțiune, împreună cu un termometru, este plasată într-un vas cu apă, a cărei temperatură T 2 poate fi modificată prin încălzire la o sobă electrică. Temperatura celeilalte joncțiuni T 1 este menținută constantă (Fig. 9.3). FEM termică rezultată. măsurată cu un voltmetru digital.

9.4. Tehnica experimentală și prelucrarea rezultatelor
9.4.1. Tehnica experimentală

Folosim măsurători directe ale FEM care apar în termocuplu. Temperatura joncțiunilor este determinată de temperatura apei din vase folosind un termometru (vezi Fig. 9.3)

9.4.2. Comandă de lucru

  1. Conectați cablul de alimentare al voltmetrului la rețea.
  2. Apăsați butonul de alimentare de pe panoul frontal al voltmetrului digital. Lăsați dispozitivul să se încălzească timp de 20 de minute.
  3. Slăbiți șurubul de prindere de pe suportul termocuplului, ridicați-l și fixați-l. Turnați apă rece în ambele pahare. Eliberați joncțiunile termocuplurilor în pahare la aproximativ jumătate din adâncimea apei.
  4. Scrieți în tabel. 9.1 valoarea temperaturii initiale T 1 a jonctiunilor (apa) conform termometrului (pentru cealalta jonctiune ramane constanta pe tot parcursul experimentului).
  5. Porniți aragazul electric.
  6. Înregistrați valorile fem. și temperatura T 2 din tabel. 9,1 la fiecare zece grade.
  7. Când apa fierbe, opriți aragazul electric și voltmetrul.

9.4.3. Prelucrarea rezultatelor măsurătorilor

  1. Pe baza datelor de măsurare, reprezentați grafic dependența emf. termocupluri 8T (axa ordonată) pe diferența de temperatură a joncțiunilor ΔT \u003d T 2 - T 1 (axa absciselor).
  2. Folosind graficul rezultat al dependenței liniare a lui E T de ∆T, determinați emf termică specifică. după formula: α = ∆E T / ∆(∆T)

9.5. Lista de verificare
  1. Care este esența și care este natura fenomenului Seebeck?
  2. Ce cauzează apariția componentei volumetrice a termo-emf?
  3. Ce cauzează apariția componentei fononului termo-emf?
  4. Ce cauzează o diferență de potențial de contact?
  5. Ce dispozitive se numesc termocupluri și unde sunt folosite?
  6. Care este esența și care este natura fenomenelor Peltier și Thomson?
  1. Savelyev I.V. Curs de fizică generală. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 p.
  2. Epifanov G.I. Fizica stării solide. M.: Şcoala superioară, 1977. - 288 p.
  3. Sivukhin DV Curs general de fizică. Electricitate. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 p.
  4. Trofimova T. I. Curs de fizică. M. : Şcoala superioară, 1985. - 432 p.
  5. Detlaf A. A., Yavorsky V. M. Curs de fizică. M. : Şcoala superioară, 1989. - 608 p.

soluție de ziruemogo pe unitate. În măsurătorile de producție, electrozii de hidrogen nu sunt utilizați, deoarece sunt incomod de utilizat.

8.1.1. celula de masura contor de pH

LA Datorită faptului că potențialul electrodului nu poate fi măsurat direct, în metoda potențiometrică se utilizează o celulă galvanică, în care un electrod este unul de măsurare, iar celălalt este un electrod de referință (sau auxiliar), al cărui potențial nu depind de concentrația ionilor investigați ai soluției. Electrodul de măsurare este plasat în analizat

mediu lichid, pe acesta se creează un potențial salt EX, determinat de concentrația de ioni din acest mediu. Potențialul electrodului de referință trebuie să rămână constant, indiferent de modificările în compoziția mediului.

LA Electrozii de sticlă sunt utilizați ca electrozi de măsurare, a căror parte indicator este realizată din tipuri speciale de sticlă cu funcție de hidrogen. Ca electrod de referință sau auxiliar, se folosesc de obicei electrozi de calomel sau clorură de argint. Ei aparțin electrozilor așa-numitului al doilea fel, care constau dintr-un metal, sarea sa puțin solubilă și o sare puțin solubilă cu același anion ca și sarea puțin solubilă.

Vederea generală a celulei cu un electrod de măsurare din sticlă este prezentată în fig. 1, unde 1 este un electrod indicator de sticlă, 2 este un electrod de referință de calomel.

EMF-ul senzorului cu electrod al pH-metrului constă dintr-un număr de potențiale:

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

unde E k este diferența de potențial dintre electrodul auxiliar de contact și soluția care umple electrodul de sticlă; E ext - diferența de potențial dintre soluție și suprafața interioară a membranei de măsurare; E x este diferența de potențial dintre suprafața exterioară a membranei de sticlă și mediul controlat (funcția pH); E cf este diferența de potențial la interfața mercur (Hg) - calomel (Hg 2 Cl 2); E d - potențialul de difuzie la limita de contact a două medii - KCl și mediu controlat. Chloe

Potasium ride KCl joacă rolul unei chei electrolitice care conectează soluția analizată la electrod.

Orez. 1. Circuitul electric al celulei de măsurare a pH-metrului

În acest caz, valorile lui E k , E vn , E v sunt constante și nu depind de compoziția mediului analizat. Potențialul de difuziune E d este foarte mic și poate fi neglijat. Astfel, EMF total este determinat de activitatea ionilor de hidrogen: celula E \u003d E x + E.

Astfel, celula E \u003d f (pH), adică celula E este o funcție liniară a pH-ului, care este utilizată în măsurarea electrică a pH-ului.

Dependența EMF a celulei electrodului E de pH este determinată de proprietățile electrodului sticlei și se caracterizează prin coeficientul de pantă S al caracteristicilor sistemului de electrozi S= E/ pH. O modificare a temperaturii soluției analizate afectează EMF-ul sistemului de electrozi, modificând panta caracteristicii statice nominale (NSH) a electrodului de măsurare. Dacă exprimăm această dependență grafic (Fig. 2), atunci obținem o grămadă de linii care se intersectează. Coordonatele punctului de intersecție al liniilor drepte se numesc coordonatele punctului izopotențial (Е Н , рН Н ) și sunt cele mai importante caracteristici ale sistemului de electrozi, care sunt ghidate de calculul circuitului de compensare a temperaturii contor de pH. Compensarea temperaturii a modificărilor EMF a sistemului de electrozi, de regulă, se realizează automat (cu ajutorul unui TS inclus în circuitul unui convertor industrial al unui pH-metru).

>> R ST.

Orez. 2. NSH al electrodului de măsurare

O celulă de măsurare cu un electrod de sticlă poate fi reprezentată ca un circuit echivalent (Fig. 3). Rezistența celulei R este foarte mare datorită rezistenței mari a membranei electrodului de sticlă R st (celula R 500 MΩ), prin urmare, fluxul de curenți mici prin rezistența internă a celulei va provoca o eroare mare de măsurare:

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

Din ultima egalitate se poate observa că cerința principală de măsurare U IN = E YCH poate fi îndeplinită dacă R IN >> RCH , adică.

R IN

Orez. 3. Circuitul echivalent al celulei de măsurare

8.1.2. Convertoare industriale pentru pH-metre GSP

Setul de pH-metru industrial automat este format dintr-un senzor submersibil (tip DPg-4M) sau un senzor principal (tip DM-5M), un traductor de măsurare de înaltă rezistență și un dispozitiv secundar GSP pentru scopuri industriale generale. Sarcina dispozitivului de măsurare inclus în kitul pH-metrului este de a măsura EMF-ul sistemului de electrozi, care, în condiții de temperatură constantă, este o funcție de pH.

Măsurarea precisă a EMF a celulei de măsurare a unui pH-metru, care este o sursă de putere redusă, este asociată cu dificultăți semnificative. În primul rând, un curent a cărui densitate depășește 10–7 A/cm2 nu poate fi trecut prin celula de măsurare, deoarece poate apărea fenomenul de polarizare a electrodului, în urma căruia electrozii eșuează. A doua dificultate semnificativă constă în faptul că, la măsurarea directă a EMF a unei celule pH-metru cu consum de curent, de exemplu, un milivoltmetru, se creează un circuit electric prin care trece un curent, care este determinat de suma internă. rezistența electrodului de măsurare (aproximativ 500 ... 1000 MΩ) și rezistența dispozitivului de măsurare. În acest caz, trebuie îndeplinite o serie de condiții: curentul de măsurare trebuie să fie mai mic decât curentul de polarizare al electrozilor; rezistența internă a dispozitivului trebuie să fie de cel puțin 100 de ori mai mare decât rezistența electrodului de sticlă, ceea ce, totuși, intră în conflict cu cerința de sensibilitate ridicată a dispozitivului. În acest sens, convertoarele cu măsurare directă a EMF practic nu sunt utilizate.

Singura metodă care îndeplinește toate cerințele pentru măsurarea EMF a unei celule de pH-metru este metoda de măsurare de compensare (potențiometrică) sau zero, al cărei avantaj principal este absența curentului în momentul citirii. Cu toate acestea, nu trebuie presupus că prin metoda de compensare electrodul nu este încărcat deloc și, prin urmare, fenomenul de polarizare a electrodului este exclus. Aici, fluxul de curent (în intervalul 10-12 A) se explică prin faptul că în timpul procesului de măsurare există întotdeauna un dezechilibru, iar în momentul măsurării, compensarea se realizează numai cu precizia cu care sensibilitatea indicatorului nul. permite.

În prezent, pentru măsurarea EMF a unui sistem de electrozi cu electrod de sticlă se folosesc doar indicatori electronici de nul (transductoare de măsurare) cu compensare statică. O diagramă bloc simplificată care explică principiul de funcționare a unui astfel de convertor este prezentată în fig. 4. Convertorul este un amplificator de curent continuu acoperit de un feedback negativ profund al feedback-ului asupra curentului de iesire, care asigura o rezistenta mare de intrare. Amplificatorul este construit conform circuitului de transformare a tensiunii continue în tensiune alternativă cu demodulare ulterioară.

Orez. Fig. 4. Schema structurală a metodei de măsurare a EMF al celulei pHmetru

EMF E IA măsurat este comparat cu tensiunea U OUT formată din fluxul curentului de ieșire al amplificatorului I OUT prin rezistorul R OS. Diferența dintre aceste tensiuni este alimentată la intrarea amplificatorului U IN = E IJ -U OUT . Dacă câștigul k \u003d U OUT / U IN, atunci E IA \u003d U OUT / (1 + 1 / k). Cu o valoare suficient de mare de k (k 500) E IA U OUT I OUT R OS , i.e. puterea curentului de ieșire este practic proporțională cu semnalul de intrare de la celula de măsurare a pH-metrului.

Utilizarea compensării statice permite de mai multe ori reducerea curentului consumat de la celula de măsurare în timpul procesului de măsurare.

Acest principiu este implementat în aproape toate convertoarele industriale de pH - contoare: pH-201, P201, P202, P205 (bază element semiconductor) și în P215 (folosind microcircuite standard).

8.1.3. Descrierea convertorului P - 201

Traductoarele industriale tip P201 sunt proiectate pentru măsurarea activității ionilor de hidrogen (valoarea pH-ului) soluțiilor și pastelor în sisteme de control și reglare automată a proceselor tehnologice.

Traductoarele sunt proiectate să funcționeze cu orice elemente sensibile la pH disponibile în comerț, cum ar fi DPg-4M; DM-5M și altele.

Convertorul are ieșiri de tensiune și curent pentru conectarea dispozitivelor secundare cu intrarea corespunzătoare

semnale.

Principalele caracteristici tehnice:

limitele de măsurare

-1 până la 14 pH

limita de bază permisă redusă

erori:

a) semnale de ieşire DC şi

tensiune DC

b) conform instrumentului indicator

măsurarea rezistenței sticlei

electrod

rezistența electrodului auxiliar

timp de stabilire

nu mai mult de 10 s

curent de ieșire

tensiune de ieșire

0 până la 10 100 mV

Convertorul este proiectat pentru instalare în imediata apropiere a unităților industriale. Traductorul poate consta dintr-un dispozitiv indicator cu profil îngust și traductorul însuși, instalat pe un singur panou comun sau separat, sau dintr-un singur traductor. Aspectul dispozitivului este prezentat în fig. 5.

Carcasa 1 este din tablă de oțel, capacul 2 este turnat, din aliaj de aluminiu. Pe partea frontală a capacului există o inscripție cu indexul dispozitivului, un capac 3 și un șurub 4.

Orez. 5. Aspectul convertorului P201

În interiorul carcasei este instalat un cadru, care servește ca bază pentru instalarea tuturor blocurilor și elementelor dispozitivului. Pe panoul frontal al convertorului, situat sub capac, sunt afișate axele rezistențelor variabile, concepute pentru a modifica limitele de măsurare ale convertoarelor. Blocul cu cleme pentru conexiuni electrice externe este amplasat într-un compartiment închis, accesul la acesta fiind asigurat din peretele din spate al carcasei. Firele sunt introduse în compartiment prin patru glande din peretele inferior al dispozitivului (Fig. 6).

Orez. Fig. 6. Schema conexiunilor electrice externe ale convertorului P-201: TRM - contor-regulator universal; TKR - bloc de rezistențe de compensare a temperaturii

8.1.4. Verificarea și calibrarea unui pH-metru automat

Verificarea curentă a unui pH-metru automat constă în compararea citirilor acestuia cu cele ale unui dispozitiv de control. Cu o discrepanță semnificativă, citirile dispozitivului testat sunt corectate folosind un compensator sau prin modificarea calibrării traductorului folosind butoanele de reglare. Cu exceptia

În plus, o verificare mai detaliată a senzorului și traductorului ar trebui efectuată periodic.

Verificarea senzorului include următoarele operații:

1) examinarea externă atentă, în special a acelor părți care vin în contact cu mediul măsurat;

2) verificarea circuitelor electrice, în special a rezistenței de izolație a geamului și a circuitelor cu electrozi de referință din

raportat la carcasă, care trebuie să fie de cel puțin 1012 ohmi și, respectiv, 2108 ohmi;

3) verificarea caracteristicilor sistemului de electrozi prin soluții tampon cu valoare de pH cunoscută cu ajutorul unui pH-metru de laborator de control.

Verificarea convertorului include:

1) determinarea erorii principale de măsurare a traductorului și corectarea calibrării acestuia;

2) determinarea erorilor de măsurare suplimentare ale traductorului de la o modificare a rezistenței electrodului de sticlă R ST , modificări ale rezistenței electrodului de referință RSR

și modificarea potențialului soluției controlate E X .

Pentru a calibra scala pH-metrelor, este necesar să aveți un simulator de sistem de electrozi I-01 sau I-02.

Simulatorul de sistem de electrozi vă permite să verificați performanța senzorului pH-metru; influența modificărilor rezistenței electrozilor și a tensiunii dintre soluție și corpul unității asupra citirilor dispozitivului; imunitatea la zgomot a pH-metrelor.

Folosind simulatorul, puteți reproduce următorii parametri ai sistemului de electrozi:

a) tensiune echivalentă cu EMF al sistemului de electrozi, în intervalul de la 0 la 1000 mV;

b) rezistenţă echivalentă cu rezistenţa electrodului de sticlă: 0; 500 și 1000 MΩ;

c) rezistență echivalentă cu rezistența electrodului auxiliar: 10 și 20 kOhm;

d) tensiune echivalentă cu EMF „sol – soluție”: 0 și

Simulatorul este echivalentul electric al sistemului de electrozi (Fig. 7) și este proiectat ca un dispozitiv portabil găzduit într-o carcasă de oțel cu un capac detașabil.

E W Rv

Orez. Fig. 7. Circuitul echivalent al simulatorului sistemului de electrozi: R I – rezistența electrodului din sticlă de măsurare; R B este rezistența electrodului auxiliar; E - EMF totală a sistemului de electrozi: E G - EMF "sol - soluție".

Pe panoul frontal al simulatorului există terminale pentru conectarea acestuia la pH-metrul verificat folosind cablul care este inclus în kit. Acolo se află și butoanele pentru setarea tensiunii de ieșire necesare, rezistența electrodului, potențialul de soluție controlat etc.

8.2. ECHIPAMENTE ŞI INSTRUMENTE

1. convertor industrial P-201.

2. Simulator de sistem de electrozi I-02.

3. Contor-regulator TPM universal multicanal 138.

8.3. SECVENȚA DE LUCRU

1. Asamblați instalația pentru verificarea convertorului P-201 folosind simulatorul I-02 în conformitate cu schema din fig. 8 prin conectarea ieșirii simulatorului la intrarea „Meas” și „Aux” a traductorului printr-un cablu coaxial.

2. Pregătiți simulatorul pentru lucru. Pentru a face acest lucru, apăsați pe comutatoarele simulatorului: „RȘi ” – butonul 500; „EЗР”, „RВ” - butoane

„00” pentru EZP și „010” pentru RB; „POWER” – butonul „INTERNAL” și „ON”.

3. Aplicați puterea suportului.

Orez. 8. Schema de verificare: 1 – Simulator sistem electrozi I-02; 2 – sistem cu electrozi; 3 - convertor de înaltă rezistență P-201; 4 - contor-regulator multicanal TPM 138

4. Utilizați săgețile ^ v de pe TPM 138 pentru a selecta canalul nr. 5, prin care se numără EMF.

5. Verificați convertorul.

Pentru asta:

5.1. Formați pe butoanele comutatorului „E, mV” al simulatorului valoarea EMF corespunzătoare valorii pH-ului marcajului digitizat. Comutatorul „EX , mV” este setat în poziția „+” sau „-“ în funcție de semnul EMF din tabelul de calibrare.

5.2. Pentru a face o citire a indicațiilor de pe simulatorul I-02. Determinați eroarea de măsurare de bază la RÂ = 10

kOhm; EZ = 0. Eroarea principală este verificată pe toate marcajele de scară digitalizate în timpul cursei înainte și înapoi și este calculată prin formula = [(E -E 0) / (E K -E H)] 100%, unde E 0 este tabelar (valoarea reală a EMF al sistemului de electrozi corespunzătoare acestui marcaj de scară digitalizat, mV, E – valoarea EMF reală, mV, E K , E N – valori EMF corespunzătoare marcajelor finale și inițiale ale scalei.

6. Prezentați rezultatele verificării într-un raport.

Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse

Agenția Federală pentru Educație

Statul Saratov

Universitate tehnica

Măsurarea electrozilor

potențiale și fem

Instrucțiuni

la cursul „Electrochimie teoretică”

pentru studenții specialității

direcția 550800

Ediție electronică de distribuție locală

Aprobat

editoriale și editoriale

Consiliul de la Saratov

stat

universitate tehnica

Saratov - 2006

Toate drepturile de reproducere și distribuție sub orice formă rămân la dezvoltator.

Copierea și utilizarea ilegală a acestui produs sunt interzise.

Compilat de:

Editat de

Referent

Biblioteca științifică și tehnică a SSTU

Număr de înregistrare 060375-E

© Statul Saratov

Universitatea tehnică, 2006

Introducere

Unul dintre conceptele fundamentale ale electrochimiei este conceptele de potențial electrochimic și EMF ale unui sistem electrochimic. Valorile potențialelor electrodului și EMF sunt asociate cu caracteristici atât de importante ale soluțiilor de electroliți precum activitatea (a), coeficientul de activitate (f), numerele de transfer (n+, n-). Măsurând potențialul și EMF al sistemului electrochimic, se pot calcula a, f, n+, n - electroliți.

Scopul ghidurilor este de a familiariza elevii cu idei teoretice despre cauzele salturilor de potențial între un electrod și o soluție, cu clasificarea electrozilor, stăpânirea fundamentelor teoretice ale metodei de compensare pentru măsurarea potențialelor electrodului și CEM, folosind această metodă pentru calculați coeficienții de activitate și numerele de transport ionic în soluții de electroliți.


Noțiuni de bază

Când un electrod metalic este scufundat într-o soluție, la interfață apare un dublu strat electric și, în consecință, apare un potențial salt.

Apariția unui potențial salt este cauzată de diverse motive. Una dintre ele este schimbul de particule încărcate între metal și soluție. Când un metal este scufundat într-o soluție de electrolit, ionii metalici, părăsind rețeaua cristalină și trecând în soluție, își aduc sarcinile pozitive în el, în timp ce suprafața metalică, pe care rămâne un exces de electroni, devine încărcată negativ.

Un alt motiv pentru apariția potențialelor este adsorbția selectivă a anionilor dintr-o soluție apoasă de sare pe suprafața unui metal inert. Adsorbția duce la apariția unei sarcini negative în exces pe suprafața metalului și, în continuare, la apariția unei sarcini pozitive în exces în cel mai apropiat strat de soluție.

Al treilea motiv posibil este capacitatea particulelor polare neîncărcate de a fi orientate adsorbite lângă limita de fază. În adsorbția orientată, unul dintre capetele dipolului unei molecule polare este orientat spre interfață, iar celălalt, către faza căreia îi aparține molecula dată.

Este imposibil să se măsoare valoarea absolută a saltului de potențial la interfața electrod-soluție. Dar este posibil să se măsoare EMF al unui element compus din electrodul studiat și electrod, al cărui potențial este luat în mod condiționat ca zero. Valoarea obținută în acest fel se numește potențialul „intrinsec” al metalului - E.

Un electrod standard de hidrogen servește ca electrod, al cărui potențial de echilibru este considerat în mod convențional zero.

Un potențial de echilibru este un potențial caracterizat printr-un echilibru stabilit între un metal și o soluție de sare. Stabilirea unei stări de echilibru nu înseamnă că în sistemul electrochimic nu are loc deloc procese. Schimbul de ioni între fazele solidă și lichidă continuă, dar ratele unor astfel de tranziții devin egale. Echilibrul la limita metal-soluție corespunde condiției

iLa= iDAR=iO , (1)

Unde iLa este curentul catodic;

iO – curent de schimb.

Pentru a măsura potențialul electrodului studiat, pot fi utilizați alți electrozi, al căror potențial este cunoscut în raport cu electrodul standard de hidrogen - electrozi de referință.

Principalele cerințe pentru electrozii de referință sunt constanța saltului de potențial și o bună reproductibilitate a rezultatelor. Exemple de electrozi de referință sunt electrozii de al doilea fel: calomel:

Cl- / hg2 Cl2 , hg

Electrod de clorură de argint:

Cl- / AgCI, Ag

electrod cu sulfat de mercur și altele. Tabelul prezintă potențialele electrozilor de referință (în funcție de scara hidrogenului).

Potențialul oricărui electrod - E, este determinat la o temperatură și presiune date de valoarea potențialului standard și de activitățile substanțelor implicate în reacția electrodului.


Dacă reacția se desfășoară reversibil într-un sistem electrochimic

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

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

Electrozii de al doilea fel sunt electrozi metalici acoperiți cu o sare puțin solubilă a acestui metal și scufundați într-o soluție de sare foarte solubilă care are un anion comun cu o sare puțin solubilă: un exemplu este clorura de argint, electrozii de calomel etc.

Potențialul unui electrod de al doilea fel, de exemplu, un electrod de clorură de argint, este descris de ecuația

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

Un electrod redox este un electrod realizat dintr-un material inert și scufundat într-o soluție care conține o substanță în forme oxidate și reduse.

Există electrozi redox simpli și complecși.

La electrozii redox simpli se observă o schimbare a valenței sarcinii particulelor, dar compoziția chimică rămâne constantă.

Fe3++e→Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Dacă notăm ionii oxidați ca Ox, iar ionii reduceți ca Roșu, atunci toate reacțiile de mai sus pot fi exprimate printr-o ecuație generală

Bou+ e→Roșu

Un electrod redox simplu este scris sub formă de diagramă roșu, Bou/ Pt, iar potențialul său este dat de ecuație

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

Diferența de potențial dintre cei doi electrozi atunci când circuitul extern este oprit se numește forță electromotoare (EMF) (E) a sistemului electrochimic.

E= E+ - E- (9)

Un sistem electrochimic format din doi electrozi identici cufundați într-o soluție din același electrolit de concentrații diferite se numește celulă de concentrare.

EMF într-un astfel de element apare din cauza diferenței în concentrațiile soluțiilor de electroliți.

Tehnica experimentală

Metoda de compensare pentru măsurarea EMF și potențial

Instrumente si accesorii: Potențiometru R-37/1, galvanometru, baterie, celule Weston, electrozi de carbon, cupru, zinc, soluții de electroliți, electrod de referință de clorură de argint, cheie electrolitică, celulă electrochimică.

Asamblați schema de instalare (Fig. 2)

e. eu. – celula electrochimica;

e. și. – electrod investigat;

e. Cu. – electrod de referință;

e. k. - cheie electrolitică.

DIV_ADBLOCK84">

concentrațiile ionilor CrO42- și H+ sunt constante și egale cu 0,2 g-ion/l iar concentrația 3-ion/l de H+ variază și este: 3; 2; unu; 0,5; 0,1 g-ion/l;

concentrația ionilor CrO42-, Cr3+ este constantă și egală cu 2 g-ion/l și respectiv 0,1 g-ion/l, concentrația ionilor H+ variază și este: 2; unu; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 g-ion/l.

Sarcina 4

Măsurarea potențialului unui sistem redox simplu Mn+7, Mn2+ grafit.

concentraţia ionului Mn2+ este constantă şi egală cu 0,5 g-ion/l

concentrația ionilor de MnO2-4 se modifică și este 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 g-ion/l;

concentraţia ionilor de MnO-4 este constantă şi egală cu 1 g-ion/l

concentraţia ionilor de Mn2+ v se modifică şi este: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 g-ion/l.

Prelucrarea datelor experimentale

1. Toate datele experimentale obținute trebuie convertite la scara de hidrogen.

3. Construiți o dependență grafică a potențialului de concentrația în coordonatele E, lgC, trageți o concluzie despre natura influenței concentrației ionilor determinanți de potențial asupra valorii potențialului electrodului.

4. Pentru elementele de concentrare (sarcina 2), calculați saltul potențialului de difuzie φα folosind ecuația

φα = (10)

la măsurarea EMF prin metoda de compensare

1. Potențiometrul trebuie împământat înainte de funcționare.

2. Când lucrați cu baterii, trebuie să:

Utilizați pentru a verifica tensiunea la bornele cu un voltmetru portabil;

Când asamblați bateriile într-o baterie, evitați scurtcircuitarea carcasei și a bornelor pentru a evita arsurile grave.

3. După muncă, opriți toate dispozitivele.

Literatură

1. Electrochimia Antropov:

manual / .- ed. a II-a. revizuit add.-M.: Şcoala superioară, 1984.-519s.

2.-Electrochimie rotiniană: manual / ,

L.: Chimie, p.

3. Damasc /, .- M .: Liceu, 1987.-296s.

Ce EMF(forța electromotoare) în fizică? Curentul electric nu este înțeles de toată lumea. Ca distanța spațială, doar sub nas. În general, nu este pe deplin înțeles nici de oamenii de știință. Destul de amintit Nikola Tesla cu celebrele sale experimente, cu secole înaintea timpului lor și chiar și astăzi rămânând într-un halou de mister. Astăzi nu rezolvăm mari mistere, dar încercăm să ne dăm seama ce este emf în fizică.

Definiția EMF în fizică

EMF este forța electromotoare. Notat prin literă E sau litera greacă mică epsilon.

Forta electromotoare- mărime fizică scalară care caracterizează munca forțelor externe ( forţe de origine neelectrică) care funcționează în circuite electrice de curent alternativ și continuu.

EMF, ca Voltaj e, măsurată în volți. Cu toate acestea, EMF și tensiunea sunt fenomene diferite.

Voltaj(între punctele A și B) - o mărime fizică egală cu munca câmpului electric efectiv efectuat la transferul unei sarcini de testare unitară dintr-un punct în altul.

Explicăm esența EMF „pe degete”

Pentru a înțelege ce este ce, putem da un exemplu de analogie. Imaginează-ți că avem un turn de apă plin complet cu apă. Comparați acest turn cu o baterie.

Apa exercită presiune maximă pe fundul turnului atunci când turnul este plin. În consecință, cu cât este mai puțină apă în turn, cu atât presiunea și presiunea apei care curge de la robinet sunt mai slabe. Dacă deschideți robinetul, apa va curge treptat la început sub presiune puternică, apoi din ce în ce mai încet până când presiunea va slăbi complet. Aici stresul este presiunea pe care apa o exercită pe fund. Pentru nivelul de tensiune zero, vom lua chiar partea de jos a turnului.

La fel e si cu bateria. În primul rând, includem sursa noastră de curent (bateria) în circuit, închizând-o. Să fie un ceas sau o lanternă. În timp ce nivelul de tensiune este suficient și bateria nu este descărcată, lanterna strălucește puternic, apoi se stinge treptat până se stinge complet.

Dar cum să vă asigurați că presiunea nu se epuizează? Cu alte cuvinte, cum să mențineți un nivel constant al apei în turn și o diferență constantă de potențial la polii sursei de curent. După exemplul turnului, EMF este prezentat ca o pompă, care asigură afluxul de apă nouă în turn.

Natura emf

Motivul apariției EMF în diferite surse de curent este diferit. În funcție de natura apariției, se disting următoarele tipuri:

  • EMF chimică. Apare în baterii și acumulatori din cauza reacțiilor chimice.
  • Thermo EMF. Apare atunci când sunt conectate contacte ale conductorilor diferiți la temperaturi diferite.
  • EMF de inducție. Apare într-un generator atunci când un conductor rotativ este plasat într-un câmp magnetic. EMF va fi indusă într-un conductor atunci când conductorul traversează liniile de forță ale unui câmp magnetic constant sau când câmpul magnetic își schimbă magnitudinea.
  • EMF fotoelectric. Apariția acestui EMF este facilitată de fenomenul unui efect fotoelectric extern sau intern.
  • EMF piezoelectrică. EMF apare atunci când o substanță este întinsă sau comprimată.

Dragi prieteni, astăzi am luat în considerare subiectul „EMF for Dummies”. După cum puteți vedea, EMF forță de origine neelectrică, care menține fluxul de curent electric în circuit. Dacă doriți să aflați cum se rezolvă problemele cu EMF, vă sfătuim să contactați autorii noștri– specialiști selecționați și dovediți cu grijă, care vor explica rapid și clar cursul rezolvării oricărei probleme tematice. Și prin tradiție, la final vă invităm să urmăriți videoclipul de antrenament. Vizionare fericită și mult succes la studii!

Instrumentele pentru măsurarea temperaturii metalelor lichide și a senzorilor de activitate ai oxigenului iM Sensor Lab sunt concepute pentru a măsura termo-EMF provenind de la convertoare termoelectrice primare care măsoară temperatura metalelor lichide (fontă, oțel, cupru și altele) și EMF generate de senzori de activitate a oxigenului.

Descriere

Principiul de funcționare

Semnalele termo-EMF de la convertorul termoelectric primar (termocuplu) și EMF de la senzorii de activitate a oxigenului (mV) furnizați la intrarea de „măsurare” a dispozitivului pentru măsurarea temperaturii metalelor lichide și EMF a senzorilor de activitate a oxigenului iM2 Sensor Lab sunt convertite în formă digitală și, conform programului corespunzător, sunt convertite în valori ale temperaturii și ale activității oxigenului. Aceste semnale sunt recepționate în cicluri de până la 250 s-1. Aparatul are 4 intrări: Ch0 și Ch2 - pentru măsurarea semnalelor de la termocupluri și Ch1, Ch3 - pentru măsurarea semnalelor EMF de la senzorii de activitate a oxigenului.

În procesul de măsurare a temperaturii, se face o analiză a modificării semnalului de intrare de intrare pentru a determina ieșirea acestuia la citiri stabile (caracterizate prin parametrii așa-numitei „zone de temperatură”, determinate de lungimea (timpul) și înălțimea (schimbarea temperaturii). Dacă în timpul specificat de lungimea zonei, schimbarea reală a temperaturii nu depășește înălțimea specificată (adică, modificarea admisă a temperaturii), atunci zona este considerată selectată. În continuare, Dispozitivul iM Sensor Lab pentru măsurarea temperaturii metalelor lichide și a EMF a senzorilor de activitate a oxigenului face o medie a valorilor ceasului de temperatură măsurate pe lungimea zonei selectate și afișează valoarea medie ca urmare a măsurătorilor pe ecran.

Într-un mod similar, zonele sunt alocate corespunzătoare ieșirii EMF unor citiri stabile, ale căror dimensiuni sunt, de asemenea, stabilite de lungime (timp) și înălțime (modificare admisă a valorii EMF).

Pe lângă măsurarea temperaturii băii, dispozitivul vă permite să determinați temperatura lichidus a oțelului lichid, care poate fi recalculată în funcție de ecuația empirică a conținutului de carbon. Conform rezultatelor măsurătorilor EMF generate de senzorii de activitate a oxigenului, activitatea oxigenului din oțel lichid, fontă și cupru, conținutul de carbon din oțel, conținutul de sulf și siliciu din fontă, activitatea FeO (FeO + MnO). ) în zgura metalurgică lichidă și alți parametri se determină prin calcul asociat cu starea termică și compoziția chimică a metalelor lichide. Dispozitivul are, de asemenea, capacitatea de a determina nivelul băii (poziția limitei zgură-metal) prin analizarea vitezei de schimbări de temperatură atunci când termocuplul este scufundat în baie și determinarea grosimii stratului de zgură cu sonde speciale.

Instrumentele pentru măsurarea temperaturii metalelor lichide și EMF ai senzorilor de activitate a oxigenului iM2 Sensor Lab au două modificări, care diferă prin prezența sau absența unui ecran LCD tactil (Figura 1). În absența unui ecran, dispozitivul este controlat de pe un computer extern sau de pe o tabletă industrială. În acest caz, este furnizat un software special pentru comunicarea între ei.

Ecranul tactil este situat pe panoul frontal al carcasei instrumentului și afișează progresul măsurătorilor, rezultatele acesteia și alte informații legate de măsurători în forme digitale și grafice. Ecranul afișează, de asemenea, un meniu sub formă de file text, care este utilizat pentru a controla dispozitivul, diagnosticarea acestuia și pentru a vizualiza datele despre execuție.

Foaia nr. 2 Total foi 4

măsurători anterioare. În modificarea „fără ecran”, toate informațiile de mai sus sunt afișate pe ecranul unui computer sau tabletă industrială.

Plăcile electronice ale dispozitivului de măsurare a temperaturii metalelor lichide și EMF ai senzorilor de activitate a oxigenului iM2 Sensor Lab sunt instalate într-o carcasă din oțel rezistentă la praf realizată conform standardului de 19” pentru montare pe un rack de montare sau montare într-un scut.

Semnalele de la traductoarele primare pot fi transmise dispozitivului în două moduri - prin cablu și prin radio. În acest ultim caz, dispozitivul este conectat la unitatea de recepție (Receiver Box) printr-o interfață serială, iar pe mânerul tijelor submersibile este instalat un transmițător (QUBE), care convertește semnalele de la senzori în semnale radio transmise către unitatea receptoare. Acesta din urmă le primește și le transferă pe dispozitiv pentru procesare.

Dispozitivul nu este sigilat.

Software

Instalarea software-ului (SW) se realizează la producător. Accesul la partea semnificativă metrologic a software-ului nu este posibil.

Proiectarea MI exclude posibilitatea influenței neautorizate asupra software-ului instrumentului de măsurare și a informațiilor de măsurare.

Nivel de protecție a firmware-ului împotriva modificărilor neintenționate și intenționate

Ridicat conform R 50.2.077-2014.

Specificații

Caracteristicile metrologice și tehnice ale dispozitivelor de măsurare a temperaturii metalelor lichide și EMF ale senzorilor de activitate a oxigenului iM2 Sensor Lab sunt prezentate în Tabelul 1. Tabelul 1

* - fără a ține cont de eroarea convertorului primar, a cablului prelungitor și a senzorului EMF.

Marca de omologare de tip

Marca de omologare de tip se aplică tipografic pe pagina de titlu a documentației operaționale prin metoda tipografică și pe panoul frontal al instrumentului prin metoda de imprimare offset.

Completitudine

Completitudinea instrumentului de măsurare este dată în Tabelul 2. Tabelul 2

Verificare

se realizează conform MP RT 2173-2014 „Instrumente pentru măsurarea temperaturii metalelor lichide și EMF a senzorilor de activitate a oxigenului iM2 Sensor Lab. Metodologia de verificare”, aprobată de GCI SI FBU „Rostest-Moscova” la 26 octombrie 2014.

Principalele mijloace de verificare sunt prezentate în Tabelul 3. Tabelul 3

Informații despre metodele de măsurare

Informațiile despre metodele de măsurare sunt conținute în manualul de instrucțiuni.

Documente de reglementare și tehnice care stabilesc cerințe pentru instrumentele de măsurare a temperaturii metalelor lichide și EMF a senzorilor de activitate a oxigenului iM2 Sensor Lab

1 Documentația tehnică a producătorului Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. kg.

2 GOST R 52931-2008 „Instrumente pentru monitorizarea și reglarea proceselor tehnologice. Condiții tehnice generale”.

3 GOST R 8.585-2001 „GSP. Termocupluri. Caracteristici nominale de conversie statică.

4 GOST 8.558-2009 „GSP. Schema de verificare de stat pentru instrumentele de măsurare a temperaturii.

atunci când se efectuează lucrări de evaluare a conformității produselor și a altor obiecte cu cerințe obligatorii în conformitate cu legislația Federației Ruse privind reglementările tehnice.