Domov > PRED > Termočlánky. Meracie zariadenie Pracovný postup


Termočlánky. Meracie zariadenie Pracovný postup




9.1. Cieľ

Stanovenie závislosti termoelektromotorickej sily termočlánku od teplotného rozdielu prechodov.

V uzavretom obvode (obr. 9.1), pozostávajúcom z rozdielnych vodičov (alebo polovodičov) A a B, vzniká elektromotorická sila (emf) E T a preteká prúd, ak kontakty 1 a 2 týchto vodičov sú udržiavané na rôznych teplotách T 1 a T2. Toto emf sa nazýva termoelektromotorická sila (termo-emf) a elektrický obvod dvoch rozdielnych vodičov sa nazýva termočlánok. Keď sa zmení znamienko teplotného rozdielu medzi prechodmi, zmení sa smer prúdu termočlánku. to
jav sa nazýva Seebeckov jav.

Existujú tri známe dôvody pre výskyt termo-EMF: tvorba usmerneného toku nosičov náboja vo vodiči za prítomnosti teplotného gradientu, ťahanie elektrónov fonónmi a zmena polohy Fermiho hladiny. v závislosti od teploty. Pozrime sa na tieto dôvody podrobnejšie.

V prítomnosti teplotného gradientu dT / dl pozdĺž vodiča majú elektróny na jeho horúcom konci väčšiu kinetickú energiu, a teda aj väčšiu rýchlosť chaotického pohybu v porovnaní s elektrónmi na studenom konci. V dôsledku toho prevláda tok elektrónov z horúceho konca vodiča na studený, na studenom konci sa hromadí negatívny náboj a na horúcom konci zostáva nekompenzovaný kladný náboj.

Akumulácia pokračuje, kým výsledný potenciálny rozdiel nespôsobí rovnaký tok elektrónov. Algebraický súčet takýchto potenciálových rozdielov v obvode vytvára objemovú zložku termoemf.

Okrem toho existujúci teplotný gradient vo vodiči vedie k prevládajúcemu pohybu (driftu) fonónov (kvantá vibračnej energie kryštálovej mriežky vodiča) z horúceho konca na studený. Existencia takéhoto driftu vedie k tomu, že elektróny rozptýlené samotnými fonónmi začnú vykonávať riadený pohyb z horúceho konca na studený. Akumulácia elektrónov na studenom konci vodiča a vyčerpanie elektrónov z horúceho konca vedie k objaveniu sa fonónovej zložky termoemf. Navyše, pri nízkych teplotách je príspevok tejto zložky hlavný pri výskyte tepelného emf.

V dôsledku oboch procesov vzniká vo vodiči elektrické pole smerujúce k teplotnému gradientu. Intenzitu tohto poľa možno znázorniť ako

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

kde β = dφ / dT.

Vzťah (9.1) dáva do vzťahu intenzitu elektrického poľa E a teplotný gradient dT / dl. Výsledné pole a teplotný gradient majú opačný smer, takže majú rôzne znamienka.

Pole určené výrazom (9.1) je poľom vonkajších síl. Integráciou intenzity tohto poľa cez úsek obvodu AB (obr. 9.1) od spoja 2 po spoj 1 a za predpokladu, že T 2 > T 1 dostaneme výraz pre termoemf pôsobiaci na tento úsek:



(Znamienko sa zmenilo, keď sa zmenili integračné limity.) Podobne určíme termoemf pôsobiace v sekcii B od spoja 1 po spoj 2.

Tretím dôvodom výskytu termo-emf. je teplotne závislá poloha Fermiho hladiny, ktorá zodpovedá najvyššej energetickej hladine obsadenej elektrónmi. Fermiho hladina zodpovedá Fermiho energii E F, ktorú môžu mať elektróny na tejto hladine.

Fermiho energia je maximálna energia, ktorú môžu mať vodivé elektróny v kove pri 0 K. Fermiho hladina bude tým vyššia, čím väčšia bude hustota elektrónového plynu. Napríklad (obrázok 9.2), E FA je Fermiho energia pre kov A a E FB je pre kov B. Hodnoty EPA a E PB sú najvyššou potenciálnou energiou elektrónov v kovoch A a B. Keď sa dva rozdielne kovy A a B dostanú do kontaktu, prítomnosť rozdielu Fermiho hladín (E FA > E FB) vedie k prechodu elektrónov z kovu A (s vyššou hladinou) na kov B (s nízkou Fermiho hladinou) .

V tomto prípade je kov A nabitý kladne a kov B záporne. Výskyt týchto nábojov spôsobuje posun v energetických hladinách kovov, vrátane Fermiho hladín. Akonáhle sa Fermiho hladiny vyrovnajú, zmizne príčina, ktorá spôsobuje preferenčný prechod elektrónov z kovu A na kov B, a medzi kovmi sa vytvorí dynamická rovnováha. Z obr. 9.2 je vidieť, že potenciálna energia elektrónu v kove A je menšia ako v B o hodnotu EFA-E FB. Preto je potenciál vo vnútri kovu A vyšší ako vo vnútri B o hodnotu)

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


Tento výraz udáva rozdiel vnútorného kontaktného potenciálu. Potenciál o túto hodnotu klesá pri prechode z kovu A na kov B. Ak majú oba termočlánkové prechody (pozri obr. 9.1) rovnakú teplotu, potom sú rozdiely kontaktných potenciálov rovnaké a smerujú opačným smerom.

V tomto prípade sa navzájom rušia. Je známe, že hladina Fermi, aj keď slabá, závisí od teploty. Preto, ak je teplota spojov 1 a 2 odlišná, potom rozdiel U AB (T 1) - U AB (T 2) na kontaktoch dáva jeho kontaktný príspevok k tepelnému emf. Dá sa porovnať s objemovým termo-emf. a rovná sa:

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

Posledný výraz môže byť reprezentovaný takto:

Výsledné termoemf. (ε T) sa skladá z emf pôsobiaceho v kontaktoch 1 a 2 a emf pôsobiaceho v sekciách A a B.

ET = E 2A1 + E 1B2 + E kont.

Dosadením výrazov (9.3) a (9.6) do (9.7) a vykonaním transformácií dostaneme

kde α = β - ((1/l) (dE F / dT))

Hodnota α sa nazýva koeficient termo-emf. Keďže β aj dE F / d T závisia od teploty, koeficient α je tiež funkciou T.

Berúc do úvahy (9.9), výraz pre termo-EMF môže byť reprezentovaný ako:


Množstvo α AB sa nazýva diferenciál alebo pri samostatné termo-EMF táto dvojica kovov. Meria sa vo W/K a v podstate závisí od povahy kontaktných materiálov, ako aj od rozsahu teplôt, dosahujúcich približne 10 -5 ÷10 -4 V/K. V malom teplotnom rozsahu (0-100°C) špecifické termoemf. slabo závislé od teploty. Potom môže byť vzorec (9.11) reprezentovaný s dostatočnou presnosťou vo forme:

E T \u003d α (T 2 – T 1)

V polovodičoch je na rozdiel od kovov silná závislosť koncentrácie nosičov náboja a ich pohyblivosti od teploty. Preto sú vyššie diskutované účinky vedúce k vytvoreniu tepelného emf výraznejšie v polovodičoch; oveľa viac a dosahuje hodnoty rádovo 10 -3 V/K.

9.3. Popis usporiadania laboratória

Študovať závislosť termo-emf. na teplotnom rozdiele spojov (kontaktov), ​​v tejto práci používame termočlánok vyrobený z dvoch kusov drôtu, z ktorých jeden je zliatina na báze chrómu (chromel) a druhý je zliatina na báze hliníka (alumel) . Jedna prípojka spolu s teplomerom je umiestnená v nádobe s vodou, ktorej teplotu T 2 je možné meniť ohrevom na elektrickom sporáku. Teplota druhého spoja T 1 je udržiavaná konštantná (obr. 9.3). Výsledné tepelné emf. merané digitálnym voltmetrom.

9.4. Experimentálna technika a spracovanie výsledkov
9.4.1. Experimentálna technika

Používame priame merania emf vznikajúceho v termočlánku. Teplota spojov je určená teplotou vody v nádobách pomocou teplomera (pozri obr. 9.3)

9.4.2. Zákazka

  1. Pripojte napájací kábel voltmetra k elektrickej sieti.
  2. Stlačte tlačidlo siete na prednom paneli digitálneho voltmetra. Nechajte prístroj zohriať 20 minút.
  3. Uvoľnite upínaciu skrutku na stojane termočlánku, zdvihnite ho a zaistite. Do oboch pohárov nalejte studenú vodu. Uvoľnite spoje termočlánkov do kadičiek približne do polovice hĺbky vody.
  4. Napíšte do tabuľky. 9.1 hodnotu počiatočnej teploty T 1 prechodov (vody) podľa teplomera (pre druhý prechod zostáva konštantná počas celého experimentu).
  5. Zapnite elektrický sporák.
  6. Zaznamenajte hodnoty emf. a teplota T 2 v tabuľke. 9,1 každých desať stupňov.
  7. Keď voda vrie, vypnite elektrický sporák a voltmeter.

9.4.3. Spracovanie výsledkov meraní

  1. Na základe nameraných údajov vyneste do grafu závislosť emf. termočlánky 8T (ordinačná os) na teplotnom rozdiele križovatiek ΔT \u003d T 2 - T 1 (os x).
  2. Pomocou výsledného grafu lineárnej závislosti E T na ∆T určte špecifické tepelné emf. podľa vzorca: α = ∆E T / ∆(∆T)

9.5. Kontrolný zoznam
  1. Čo je podstatou a aká je podstata Seebeckovho fenoménu?
  2. Čo spôsobuje výskyt objemovej zložky termoemf?
  3. Čo spôsobuje vzhľad fonónovej zložky termoemf?
  4. Čo spôsobuje rozdiel kontaktného potenciálu?
  5. Aké zariadenia sa nazývajú termočlánky a kde sa používajú?
  6. Čo je podstatou a podstatou Peltierovho a Thomsonovho javu?
  1. Savelyev IV Kurz všeobecnej fyziky. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 s.
  2. Epifanov G.I. Fyzika pevných látok. M.: Vyššia škola, 1977. - 288 s.
  3. Sivukhin DV Všeobecný kurz fyziky. Elektrina. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 s.
  4. Trofimova T. I. Kurz fyziky. M. : Vyššia škola, 1985. - 432 s.
  5. Detlaf A. A., Yavorsky V. M. Kurz fyziky. M. : Vyššia škola, 1989. - 608 s.

roztoku ziruemogo na jednotku. Pri výrobných meraniach sa vodíkové elektródy nepoužívajú, pretože ich použitie je nepohodlné.

8.1.1. meracia bunka pH meter

AT Vzhľadom na to, že potenciál elektródy nie je možné priamo merať, používa sa pri potenciometrickej metóde galvanický článok, v ktorom je jedna elektróda meracia a druhá elektróda referenčná (alebo pomocná), ktorej potenciál nie je závisia od koncentrácie skúmaných iónov roztoku. Meracia elektróda je umiestnená v analyzovanom priestore

kvapalné médium, vzniká na ňom potenciálny skok EX, určený koncentráciou iónov v tomto médiu. Potenciál referenčnej elektródy musí vždy zostať konštantný bez ohľadu na zmeny v zložení média.

AT ako meracie elektródy sa používajú sklenené elektródy, ktorých indikačná časť je vyrobená zo špeciálnych druhov skla s vodíkovou funkciou. Ako referenčná alebo pomocná elektróda sa zvyčajne používajú kalomelové alebo chloridové elektródy. Patria k elektródam takzvaného druhého druhu, ktoré pozostávajú z kovu, jeho ťažko rozpustnej soli a ťažko rozpustnej soli s rovnakým aniónom ako má ťažko rozpustná soľ.

Celkový pohľad na článok so sklenenou meracou elektródou je na obr. 1, kde 1 je sklenená indikačná elektróda, 2 je kalomelová referenčná elektróda.

EMF elektródového senzora pH metra pozostáva z niekoľkých potenciálov:

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

kde E k je potenciálny rozdiel medzi kontaktnou pomocnou elektródou a roztokom plniacim sklenenú elektródu; E ext - potenciálny rozdiel medzi roztokom a vnútorným povrchom meracej membrány; E x je potenciálny rozdiel medzi vonkajším povrchom sklenenej membrány a kontrolovaným médiom (funkcia pH); E cf je potenciálny rozdiel na rozhraní ortuť (Hg) - kalomel (Hg 2 Cl 2); E d - difúzny potenciál na rozhraní dvoch prostredí - KCl a riadeného prostredia. Chloe

Draslík KCl hrá úlohu elektrolytického kľúča, ktorý spája analyzovaný roztok s elektródou.

Ryža. 1. Elektrický obvod meracieho článku pH metra

V tomto prípade sú hodnoty Ek, Evn, Ev konštantné a nezávisia od zloženia analyzovaného média. Difúzny potenciál E d je veľmi malý a možno ho zanedbať. Celkový EMF je teda určený aktivitou vodíkových iónov: E bunka \u003d E x + E.

E bunka \u003d f (pH), to znamená, že bunka E je lineárna funkcia pH, ktorá sa používa pri elektrickom meraní pH.

Závislosť EMF elektródového článku E článku od pH je určená elektródovými vlastnosťami skla a je charakterizovaná sklonovým koeficientom S charakteristík elektródového systému S= E/ pH. Zmena teploty analyzovaného roztoku ovplyvňuje EMF elektródového systému a mení strmosť nominálnej statickej charakteristiky (NSH) meracej elektródy. Ak túto závislosť vyjadríme graficky (obr. 2), tak dostaneme kopu pretínajúcich sa čiar. Súradnice priesečníka priamok sa nazývajú súradnice izopotenciálneho bodu (Е Н , рН Н ) a sú najdôležitejšími charakteristikami elektródového systému, ktoré sa riadia výpočtom teplotného kompenzačného obvodu pH meter. Teplotná kompenzácia zmien v EMF elektródového systému sa spravidla vykonáva automaticky (pomocou TS zahrnutého v obvode priemyselného konvertora pH metra).

>> R ST.

Ryža. 2. NSH meracej elektródy

Ako ekvivalentný obvod možno znázorniť merací článok so sklenenou elektródou (obr. 3). Odpor R článku je veľmi vysoký v dôsledku vysokého odporu membrány sklenenej elektródy R st (R článok 500 MΩ), preto tok malých prúdov cez vnútorný odpor článku spôsobí veľkú chybu merania:

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

Z poslednej rovnosti je vidieť, že hlavná požiadavka na meranie U IN = E YCH môže byť splnená, ak R IN >> RCH , t.j.

R IN

Ryža. 3. Ekvivalentný obvod meracieho článku

8.1.2. Priemyselné prevodníky pre pH metre GSP

Súprava automatického priemyselného pH-metra pozostáva z ponorného snímača (typ DPg-4M) alebo hlavného snímača (typ DM-5M), meracieho vysokoodporového prevodníka a sekundárneho zariadenia GSP pre všeobecné priemyselné účely. Úlohou meracieho zariadenia zahrnutého v súprave pH metra je merať EMF elektródového systému, ktoré je pri konštantných teplotných podmienkach funkciou pH.

Presné meranie EMF meracej bunky pH metra, ktorý je zdrojom s nízkou spotrebou energie, je spojené so značnými ťažkosťami. Po prvé, prúd, ktorého hustota presahuje 10–7 A/cm2, nemôže prejsť cez merací článok, pretože môže dôjsť k javu polarizácie elektród, v dôsledku čoho elektródy zlyhajú. Druhá podstatná ťažkosť spočíva v tom, že pri priamom meraní EMP článku pH-metra so spotrebou prúdu, napríklad milivoltmetrom, vzniká elektrický obvod, ktorým preteká prúd, ktorý je určený súčtom vnútorných odpor meracej elektródy (asi 500 ... 1000 MΩ) a odpor meracieho zariadenia. V tomto prípade musí byť splnených niekoľko podmienok: merací prúd musí byť menší ako polarizačný prúd elektród; vnútorný odpor prístroja musí byť minimálne 100-krát vyšší ako odpor sklenenej elektródy, čo je však v rozpore s požiadavkou na vysokú citlivosť prístroja. V tomto ohľade sa prevodníky s priamym meraním EMF prakticky nepoužívajú.

Jedinou metódou, ktorá spĺňa všetky požiadavky na meranie EMF článku pH metra, je kompenzačná (potenciometrická) alebo nulová metóda merania, ktorej hlavnou výhodou je absencia prúdu v čase odčítania. Netreba však predpokladať, že pri kompenzačnej metóde nie je elektróda vôbec zaťažená, a preto je jav polarizácie elektród vylúčený. Tu je tok prúdu (v rámci 10-12 A) vysvetlený skutočnosťou, že počas procesu merania vždy dochádza k nerovnováhe a v čase merania sa kompenzácia dosiahne iba s presnosťou, s akou je citlivosť nulového indikátora umožňuje.

V súčasnosti sa na meranie EMF elektródového systému so sklenenou elektródou používajú iba elektronické nulové indikátory (meracie prevodníky) so statickou kompenzáciou. Zjednodušená bloková schéma vysvetľujúca princíp činnosti takéhoto meniča je znázornená na obr. 4. Prevodník je jednosmerný zosilňovač pokrytý hlbokou negatívnou spätnou väzbou spätnej väzby na výstupný prúd, čo zabezpečuje veľký vstupný odpor. Zosilňovač je zostrojený podľa obvodu na premenu jednosmerného napätia na striedavé napätie s následnou demoduláciou.

Ryža. Obr. 4. Štrukturálny diagram metódy merania EMF článku pHmetra

Namerané EMF E IA sa porovnáva s napätím U OUT vytvoreným z prietoku výstupného prúdu zosilňovača I OUT cez rezistor R OS. Rozdiel medzi týmito napätiami je privedený na vstup zosilňovača U IN = E IJ -U OUT . Ak je zisk k \u003d U OUT / U IN, potom E IA \u003d U OUT / (1 + 1 / k). Pri dostatočne veľkej hodnote k (k 500) E IA U OUT I OUT R OS , t.j. intenzita výstupného prúdu je prakticky úmerná vstupnému signálu z meracej cely pH-metra.

Použitie statickej kompenzácie umožňuje mnohokrát znížiť prúd spotrebovaný z meracieho článku počas procesu merania.

Tento princíp je implementovaný takmer vo všetkých priemyselných pH konvertoroch - meradlách: pH-201, P201, P202, P205 (základ polovodičových prvkov) a v P215 (s použitím štandardných mikroobvodov).

8.1.3. Popis prevodníka P - 201

Priemyselné prevodníky typu P201 sú určené na meranie aktivity vodíkových iónov (hodnota pH) roztokov a buničín v systémoch automatického riadenia a regulácie technologických procesov.

Prevodníky sú navrhnuté tak, aby pracovali s akýmikoľvek komerčne dostupnými prvkami citlivými na pH, ako je DPg-4M; DM-5M a ďalšie.

Prevodník má napäťové a prúdové výstupy pre pripojenie sekundárnych zariadení s príslušným vstupom

signály.

Hlavné technické vlastnosti:

limity merania

-1 až 14 pH

limit povolenej základnej zníženej

chyby:

a) výstupné signály jednosmerného prúdu a

DC napätie

b) podľa indikačného prístroja

meranie odporu skla

elektróda

odpor pomocnej elektródy

čas vyrovnania

nie viac ako 10 s

výstupný prúd

výstupné napätie

0 až 10 100 mV

Prevodník je určený na inštaláciu v tesnej blízkosti priemyselných jednotiek. Prevodník môže pozostávať z úzkoprofilového indikačného zariadenia a samotného prevodníka, inštalovaných na jednom spoločnom paneli alebo samostatne, alebo iba z jedného prevodníka. Vzhľad zariadenia je znázornený na obr. 5.

Plášť 1 je vyrobený z oceľového plechu, kryt 2 je liaty, vyrobený z hliníkovej zliatiny. Na prednej strane krytu je nápis s indexom zariadenia, uzáver 3 a skrutka 4.

Ryža. 5. Vzhľad prevodníka P201

Vo vnútri krytu je inštalovaný rám, ktorý slúži ako základ pre inštaláciu všetkých blokov a prvkov zariadenia. Na prednom paneli meniča umiestnenom pod krytom sú zobrazené osi premenných rezistorov, určených na zmenu meracích limitov meničov. Blok so svorkami pre vonkajšie elektrické pripojenia je umiestnený v uzavretom priestore, prístup k nemu je zabezpečený zo zadnej steny krytu. Drôty sú zavedené do priehradky cez štyri vývodky v spodnej stene zariadenia (obr. 6).

Ryža. Obr. 6. Schéma vonkajšieho elektrického zapojenia meniča P-201: TRM - univerzálny elektromerový regulátor; TKR - blok teplotných kompenzačných odporov

8.1.4. Overenie a kalibrácia automatického pH metra

Overenie prúdu automatického pH metra spočíva v porovnaní jeho hodnôt s údajmi kontrolného zariadenia. Pri výraznej nezrovnalosti sa hodnoty testovaného zariadenia korigujú pomocou kompenzátora alebo zmenou kalibrácie prevodníka pomocou ladiacich gombíkov. Okrem

Okrem toho by sa mala pravidelne vykonávať podrobnejšia kontrola snímača a prevodníka.

Kontrola snímača zahŕňa nasledujúce operácie:

1) starostlivé vonkajšie preskúmanie, najmä tých častí, ktoré prichádzajú do kontaktu s meraným médiom;

2) kontrola elektrických obvodov, najmä izolačného odporu sklenených a referenčných elektródových obvodov z

vzhľadom na puzdro, ktoré musí byť najmenej 1012 ohmov a 2108 ohmov;

3) kontrola charakteristík elektródového systému pomocou tlmivých roztokov so známou hodnotou pH pomocou kontrolného laboratórneho pH metra.

Overenie prevodníka zahŕňa:

1) určenie hlavnej chyby merania prevodníka a korekcia jeho kalibrácie;

2) určenie dodatočných chýb merania prevodníka zo zmeny odporu sklenenej elektródy R ST , zmeny odporu referenčnej elektródy RSR

a zmena potenciálu riadeného roztoku E X .

Na kalibráciu stupnice pH metrov je potrebné mať simulátor elektródového systému I-01 alebo I-02.

Simulátor elektródového systému vám umožňuje kontrolovať výkon senzora pH-metra; vplyv zmien odporu elektród a napätia medzi roztokom a telom jednotky na hodnoty zariadenia; hluková odolnosť pH metrov.

Pomocou simulátora môžete reprodukovať nasledujúce parametre systému elektród:

a) napätie ekvivalentné EMF systému elektród v rozsahu od 0 do 1000 mV;

b) odpor ekvivalentný odporu sklenenej elektródy: 0; 500 a 1000 MΩ;

c) odpor ekvivalentný odporu pomocnej elektródy: 10 a 20 kOhm;

d) napätie ekvivalentné EMF "zem - riešenie": 0 a

Simulátor je elektrickým ekvivalentom elektródového systému (obr. 7) a je navrhnutý ako prenosné zariadenie umiestnené v oceľovom puzdre s odnímateľným krytom.

E W Rv

Ryža. Obr. 7. Ekvivalentný obvod simulátora elektródového systému: R I – odpor meracej sklenenej elektródy; RB je odpor pomocnej elektródy; E - celkové EMF systému elektród: E G - EMF "zem - roztok".

Na prednom paneli simulátora sú svorky na pripojenie k overenému pH metru pomocou kábla, ktorý je súčasťou súpravy. Sú tam umiestnené aj gombíky na nastavenie požadovaného výstupného napätia, odporu elektród, riadeného potenciálu roztoku a pod.

8.2. ZARIADENIE A NÁSTROJE

1. priemyselný konvertor P-201.

2. Simulátor elektródového systému I-02.

3. Merač-regulátor univerzálny viackanálový TPM 138.

8.3. PRACOVNÁ POSTUPNOSŤ

1. Zostavte inštaláciu na overenie prevodníka P-201 pomocou simulátora I-02 podľa schémy na obr. 8 pripojením výstupu simulátora ku vstupu „Meas“ a „Aux“ prevodníka pomocou koaxiálneho kábla.

2. Pripravte simulátor na prácu. Ak to chcete urobiť, stlačte prepínače simulátora: „R A “ – tlačidlo 500; "EЗР", "RВ" - tlačidlá

„00“ pre EZP a „010“ pre RB ; „POWER“ – tlačidlo „INTERNAL“ a „ON“.

3. Zapnite napájanie stojana.

Ryža. 8. Overovacia schéma: 1 – simulátor elektródového systému I-02; 2 – elektródový systém; 3 - vysokoodporový menič P-201; 4 - viackanálový merač-regulátor TPM 138

4. Pomocou šípok ^ v na TPM 138 vyberte kanál č. 5, cez ktorý sa počíta EMF.

5. Skontrolujte konvertor.

Pre to:

5.1. Na tlačidlách prepínača „E, mV“ simulátora nastavte hodnotu EMF zodpovedajúcu hodnote pH značky digitalizovanej stupnice. Prepínač „EX , mV“ je nastavený do polohy „+“ alebo „-“ v závislosti od znamienka EMF v kalibračnej tabuľke.

5.2. Na odčítanie indikácií na simulátore I-02. Určte základnú chybu merania pri R = 10

kOhm; EZ = 0. Hlavná chyba sa kontroluje na všetkých digitalizovaných značkách stupnice počas pohybu dopredu a dozadu a vypočíta sa podľa vzorca = [(E -E 0) / (E K -E H)] 100 %, kde E 0 je tabuľkové (skutočná hodnota EMF elektródového systému zodpovedajúceho tejto digitalizovanej značke stupnice, mV, E – skutočná hodnota EMF, mV, EK, EN – hodnoty EMF zodpovedajúce konečným a počiatočným značkám na stupnici.

6. Prezentujte výsledky overenia v správe.

Ministerstvo školstva a vedy Ruskej federácie

Federálna agentúra pre vzdelávanie

Saratovský štát

Technická univerzita

Meranie elektród

potenciály a emf

Smernice

na kurze "Teoretická elektrochémia"

pre študentov odboru

smer 550800

Miestna distribúcia elektronické vydanie

Schválené

redakcia a vydavateľstvo

Saratovský koncil

štát

technická univerzita

Saratov - 2006

Všetky práva na reprodukciu a šírenie v akejkoľvek forme zostávajú vývojárom.

Nelegálne kopírovanie a používanie tohto produktu je zakázané.

Skomplikovaný:

Upravil

Recenzent

Vedecko-technická knižnica SSTU

Registračné číslo 060375-E

© Štát Saratov

Technická univerzita, 2006

Úvod

Jedným zo základných konceptov elektrochémie sú koncepty elektrochemického potenciálu a EMF elektrochemického systému. Hodnoty elektródových potenciálov a EMF sú spojené s takými dôležitými charakteristikami roztokov elektrolytov, ako je aktivita (a), koeficient aktivity (f), prenosové čísla (n+, n-). Meraním potenciálu a EMF elektrochemického systému je možné vypočítať a, f, n+, n - elektrolyty.

Účelom usmernení je oboznámiť študentov s teoretickými predstavami o príčinách potenciálových skokov medzi elektródou a roztokom, s klasifikáciou elektród, osvojiť si teoretické základy kompenzačnej metódy na meranie elektródových potenciálov a EMP, pomocou tejto metódy vypočítajte koeficienty aktivity a čísla transportu iónov v roztokoch elektrolytov.


Základné pojmy

Keď je kovová elektróda ponorená do roztoku, na rozhraní sa objaví dvojitá elektrická vrstva a následne sa objaví potenciálny skok.

Vznik potenciálneho skoku je spôsobený rôznymi dôvodmi. Jednou z nich je výmena nabitých častíc medzi kovom a roztokom. Keď je kov ponorený do roztoku elektrolytu, kovové ióny, ktoré opúšťajú kryštálovú mriežku a prechádzajú do roztoku, do nej prinesú svoje kladné náboje, zatiaľ čo kovový povrch, na ktorom zostáva prebytok elektrónov, sa nabije záporne.

Ďalším dôvodom objavenia sa potenciálov je selektívna adsorpcia aniónov z vodného roztoku soli na povrchu nejakého inertného kovu. Adsorpcia vedie k objaveniu sa prebytočného záporného náboja na kovovom povrchu a ďalej k objaveniu sa nadbytočného kladného náboja v najbližšej vrstve roztoku.

Tretím možným dôvodom je schopnosť polárnych nenabitých častíc orientovať sa adsorbované blízko fázovej hranice. Pri orientovanej adsorpcii jeden z koncov dipólu polárnej molekuly smeruje k rozhraniu a druhý k fáze, do ktorej daná molekula patrí.

Nie je možné zmerať absolútnu hodnotu potenciálneho skoku na rozhraní elektróda-roztok. Je však možné merať EMF prvku zloženého zo skúmanej elektródy a elektródy, ktorej potenciál je podmienene braný ako nula. Takto získaná hodnota sa nazýva „vnútorný“ potenciál kovu – E.

Ako elektróda slúži štandardná vodíková elektróda, ktorej rovnovážny potenciál sa bežne považuje za nulový.

Rovnovážny potenciál je potenciál charakterizovaný ustálenou rovnováhou medzi kovom a roztokom soli. Nastolenie rovnovážneho stavu neznamená, že v elektrochemickom systéme neprebiehajú vôbec žiadne procesy. Výmena iónov medzi tuhou a kvapalnou fázou pokračuje, ale rýchlosti takýchto prechodov sú rovnaké. Rovnováha na hranici roztoku kovu zodpovedá podmienke

iKomu= iALE=iO , (1)

kde iKomu je katódový prúd;

iO – výmenný prúd.

Na meranie potenciálu skúmanej elektródy možno použiť iné elektródy, ktorých potenciál je známy vzhľadom na vodíkovú štandardnú elektródu - referenčné elektródy.

Hlavnými požiadavkami na referenčné elektródy sú stálosť potenciálového skoku a dobrá reprodukovateľnosť výsledkov. Príklady referenčných elektród sú elektródy druhého druhu: kalomel:

Cl- / hg2 Cl2 , hg

Elektróda chloridu strieborného:

Cl- / AgCl, Ag

ortuťová sulfátová elektróda a iné. V tabuľke sú uvedené potenciály referenčných elektród (podľa vodíkovej stupnice).

Potenciál ktorejkoľvek elektródy - E, je určený pri danej teplote a tlaku hodnotou štandardného potenciálu a aktivitami látok zapojených do elektródovej reakcie.


Ak reakcia prebieha reverzibilne v elektrochemickom systéme

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

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

Elektródy druhého druhu sú kovové elektródy potiahnuté ťažko rozpustnou soľou tohto kovu a ponorené do roztoku vysoko rozpustnej soli, ktorá má spoločný anión s ťažko rozpustnou soľou: príkladom je chlorid strieborný, kalomelové elektródy atď.

Potenciál elektródy druhého druhu, napríklad elektródy z chloridu strieborného, ​​je opísaný rovnicou

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

Redoxná elektróda je elektróda vyrobená z inertného materiálu a ponorená do roztoku obsahujúceho nejakú látku v oxidovanej a redukovanej forme.

Existujú jednoduché a zložité redoxné elektródy.

V jednoduchých redoxných elektródach sa pozoruje zmena valencie náboja častice, ale chemické zloženie zostáva konštantné.

Fe3++e→Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Ak označíme oxidované ióny ako Ox a redukované ióny ako Red, potom všetky vyššie uvedené reakcie možno vyjadriť jednou všeobecnou rovnicou

Vôl+ e→ Červená

Jednoduchá redoxná elektróda je napísaná ako diagram Červená, Vôl/ Pt, a jeho potenciál je daný rovnicou

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

Potenciálny rozdiel medzi dvoma elektródami, keď je vonkajší obvod vypnutý, sa nazýva elektromotorická sila (EMF) (E) elektrochemického systému.

E= E+ - E- (9)

Elektrochemický systém pozostávajúci z dvoch rovnakých elektród ponorených do roztoku rovnakého elektrolytu rôznych koncentrácií sa nazýva koncentračný článok.

EMF v takomto prvku vzniká v dôsledku rozdielu v koncentráciách roztokov elektrolytov.

Experimentálna technika

Kompenzačná metóda na meranie EMF a potenciálu

Nástroje a príslušenstvo: Potenciometer R-37/1, galvanometer, batéria, články Weston, uhlíkové, medené, zinkové elektródy, roztoky elektrolytov, referenčná elektróda chloridu strieborného, ​​elektrolytický kľúč, elektrochemický článok.

Zostavte schému inštalácie (obr. 2)

e. ja – elektrochemický článok;

e. a. – skúmaná elektróda;

e. s. – referenčná elektróda;

e. k. - elektrolytický kľúč.

DIV_ADBLOCK84">

koncentrácie iónov CrO42- a H+ sú konštantné a rovnajú sa 0,2 g iónov/la 3 iónov/l koncentrácia H+ sa mení a je: 3; 2; jeden; 0,5; 0,1 g iónu/l;

koncentrácia iónov CrO42-, Cr3+ je konštantná a rovná sa 2 g iónov/la 0,1 g iónov/l, koncentrácia iónov H+ sa mení a je: 2; jeden; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 g iónu/l.

Úloha 4

Meranie potenciálu jednoduchého redoxného systému Mn+7, Mn2+ grafit.

koncentrácia iónu Mn2+ je konštantná a rovná sa 0,5 g-iónu/l

koncentrácia iónov MnO2-4 sa mení a je 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 g iónu/l;

koncentrácia iónov MnO-4 je konštantná a rovná sa 1 g iónu/l

koncentrácia iónov Mn2+ v sa mení a je: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 g iónu/l.

Spracovanie experimentálnych údajov

1. Všetky získané experimentálne údaje musia byť prevedené na vodíkovú stupnicu.

3. Zostrojte grafickú závislosť potenciálu od koncentrácie v súradniciach E, lgC, urobte záver o povahe vplyvu koncentrácie potenciál určujúcich iónov na hodnotu elektródového potenciálu.

4. Pre koncentračné prvky (úloha 2) vypočítajte skok difúzneho potenciálu φα pomocou rovnice

φα = (10)

pri meraní EMF kompenzačnou metódou

1. Potenciometer musí byť pred prevádzkou uzemnený.

2. Pri práci s batériami musíte:

Používa sa na kontrolu napätia na svorkách pomocou prenosného voltmetra;

Pri montáži batérií do batérie zabráňte skratovaniu puzdra a svoriek, aby ste predišli vážnym popáleninám.

3. Po práci vypnite všetky zariadenia.

Literatúra

1. Antropovova elektrochémia:

učebnica / .- 2. vyd. revidované add.-M.: Vyššia škola, 1984.-519.

2.-Rotinyánska elektrochémia: učebnica / ,

L.: Chémia, s.

3. Damask /, .- M .: Vyššia škola, 1987.-296.

Čo EMF(elektromotorická sila) vo fyzike? Elektrický prúd nerozumie každému. Ako vesmírna vzdialenosť, len pod samotným nosom. Vo všeobecnosti tomu úplne nerozumejú ani vedci. Dosť na zapamätanie Nikola Tesla so svojimi slávnymi experimentmi, ktoré predbehli dobu o stáročia a dodnes zostávajú v hale tajomstva. Dnes neriešime veľké záhady, ale snažíme sa prísť na to čo je emf vo fyzike.

Definícia EMP vo fyzike

EMF je elektromotorická sila. Označené písmenom E alebo malé grécke písmeno epsilon.

Elektromotorická sila- skalárna fyzikálna veličina charakterizujúca prácu vonkajších síl ( sily neelektrického pôvodu) pracujúce v elektrických obvodoch striedavého a jednosmerného prúdu.

EMF, Páči sa mi to Napätie e, merané vo voltoch. EMF a napätie sú však odlišné javy.

Napätie(medzi bodmi A a B) - fyzikálna veličina rovnajúca sa práci efektívneho elektrického poľa vykonanej pri prenose jednotkového skúšobného náboja z jedného bodu do druhého.

Vysvetľujeme podstatu EMF "na prstoch"

Aby sme pochopili, čo je čo, môžeme uviesť analogický príklad. Predstavte si, že máme vodnú vežu úplne naplnenú vodou. Porovnajte túto vežu s batériou.

Voda vyvíja maximálny tlak na spodok veže, keď je veža plná. V súlade s tým, čím menej vody vo veži, tým slabší je tlak a tlak vody tečúcej z kohútika. Ak otvoríte kohútik, voda bude postupne vytekať najskôr pod silným tlakom a potom stále pomalšie, až kým tlak úplne nezoslabne. Stres je tu tlak, ktorý voda vyvíja na dno. Pre úroveň nulového napätia si vezmeme samotný spodok veže.

Rovnako je to aj s batériou. Najprv zahrnieme do obvodu náš prúdový zdroj (batériu), čím ho uzavrieme. Nech sú to hodinky alebo baterka. Kým je úroveň napätia dostatočná a batéria nie je vybitá, baterka jasne svieti, potom postupne zhasína, až úplne zhasne.

Ako však zabezpečiť, aby tlak nevytekal? Inými slovami, ako udržať konštantnú hladinu vody vo veži a konštantný potenciálny rozdiel na póloch zdroja prúdu. Po vzore veže je EMF prezentované ako čerpadlo, ktoré zabezpečuje prítok novej vody do veže.

Povaha emf

Dôvod výskytu EMF v rôznych prúdových zdrojoch je odlišný. Podľa povahy výskytu sa rozlišujú tieto typy:

  • Chemické emf. Vyskytuje sa v batériách a akumulátoroch v dôsledku chemických reakcií.
  • Termo EMF. Vyskytuje sa, keď sú spojené kontakty rôznych vodičov pri rôznych teplotách.
  • EMF indukcie. Vyskytuje sa v generátore, keď je rotujúci vodič umiestnený v magnetickom poli. EMF sa indukuje vo vodiči, keď vodič prekročí siločiary konštantného magnetického poľa alebo keď sa veľkosť magnetického poľa zmení.
  • Fotoelektrické EMF. Výskyt tohto EMF je uľahčený javom vonkajšieho alebo vnútorného fotoelektrického javu.
  • Piezoelektrické emf. EMF nastáva, keď je látka natiahnutá alebo stlačená.

Vážení priatelia, dnes sme zvážili tému "EMF pre figuríny". Ako vidíte, EMF sila neelektrického pôvodu, ktorý udržiava tok elektrického prúdu v obvode. Ak chcete vedieť, ako sa riešia problémy s EMF, odporúčame vám kontaktovať našich autorov– starostlivo vyberaní a osvedčení špecialisti, ktorí rýchlo a zrozumiteľne vysvetlia priebeh riešenia akéhokoľvek tematického problému. A tradične vás na záver pozývame pozrieť si tréningové video. Príjemné pozeranie a veľa šťastia pri štúdiu!

Prístroje na meranie teploty tekutých kovov a EMF senzorov aktivity kyslíka iM Sensor Lab sú určené na meranie termo-EMF pochádzajúcich z primárnych termoelektrických konvertorov, ktoré merajú teplotu tekutých kovov (liatina, oceľ, meď a iné) a EMF generované senzory aktivity kyslíka.

Popis

Princíp fungovania

Termo-EMF signály z primárneho termoelektrického konvertora (termočlánok) a EMF zo senzorov aktivity kyslíka (mV) privádzané na „merací“ vstup zariadenia na meranie teploty tekutých kovov a EMF senzorov aktivity kyslíka iM2 Sensor Lab sú prevedené do digitálnej podoby a podľa príslušného programu sú prevedené na hodnoty teploty a aktivity kyslíka. Tieto signály sú prijímané v cykloch do 250 s-1. Prístroj má 4 vstupy: Ch0 a Ch2 - na meranie signálov z termočlánkov a Ch1, Ch3 - na meranie EMF signálov zo senzorov aktivity kyslíka.

V procese merania teploty sa robí analýza zmeny vstupného vstupného signálu, aby sa určil jeho výstup na stabilné hodnoty (charakterizované parametrami tzv. "teplotnej oblasti", určenej dĺžkou (časom)). a výška (zmena teploty). Ak v priebehu času určeného dĺžkou oblasti skutočná zmena teploty nepresiahne určenú výšku (t. j. povolenú zmenu teploty), potom sa oblasť považuje za vybratú. Zariadenie iM Sensor Lab na meranie teploty tekutých kovov a EMF senzorov aktivity kyslíka spriemeruje hodnoty teplotných hodín namerané po dĺžke zvolenej oblasti a zobrazí priemernú hodnotu ako výsledok meraní na obrazovke.

Podobným spôsobom sú k stabilným údajom priradené oblasti zodpovedajúce výstupu EMF, ktorých rozmery sú tiež dané dĺžkou (časom) a výškou (prípustná zmena hodnoty EMF).

Okrem merania teploty kúpeľa prístroj umožňuje určiť teplotu likvidu tekutej ocele, ktorú je možné prepočítať podľa empirickej rovnice v obsahu uhlíka. Podľa výsledkov meraní EMP generovaného senzormi aktivity kyslíka, aktivita kyslíka v tekutej oceli, liatine a medi, obsah uhlíka v oceli, obsah síry a kremíka v liatine, aktivita FeO (FeO + MnO ) v tekutých metalurgických troskách a niektoré ďalšie parametre sa určujú výpočtom spojeným s tepelným stavom a chemickým zložením tekutých kovov. Zariadenie má tiež schopnosť určiť hladinu kúpeľa (polohu hranice trosky a kovu) analýzou rýchlosti zmien teploty pri ponorení termočlánku do kúpeľa a určením hrúbky vrstvy trosky pomocou špeciálnych sond.

Prístroje na meranie teploty tekutých kovov a EMF senzorov aktivity kyslíka iM2 Sensor Lab majú dve modifikácie, ktoré sa líšia prítomnosťou alebo absenciou dotykovej LCD obrazovky (obrázok 1). Pri absencii obrazovky sa zariadenie ovláda z externého počítača alebo z priemyselného tabletu. V tomto prípade je na komunikáciu medzi nimi dodávaný špeciálny softvér.

Dotykový displej je umiestnený na prednom paneli krytu prístroja a zobrazuje priebeh meraní, jeho výsledky a ďalšie informácie súvisiace s meraním v digitálnej a grafickej podobe. Na obrazovke sa zobrazuje aj menu vo forme textových záložiek, ktoré slúži na ovládanie zariadenia, jeho diagnostiku a prezeranie údajov o vykonaní.

List č.2 Listy celkom 4

predchádzajúce merania. Pri úprave „bez obrazovky“ sa všetky vyššie uvedené informácie zobrazujú na obrazovke počítača alebo priemyselného tabletu.

Elektronické dosky zariadenia na meranie teploty tekutých kovov a EMF senzorov aktivity kyslíka iM2 Sensor Lab sú inštalované v prachotesnom oceľovom puzdre vyrobenom podľa 19” štandardu pre montáž na montážny stojan alebo montáž do štít.

Signály z primárnych meničov môžu byť prenášané do zariadenia dvoma spôsobmi - káblom a rádiom. V druhom prípade je zariadenie pripojené k prijímacej jednotke (Receiver Box) cez sériové rozhranie a na rukoväti ponorných tyčí je nainštalovaný vysielač (QUBE), ktorý premieňa signály zo snímačov na rádiové signály prenášané do prijímacej jednotke. Ten ich prijme a odovzdá do zariadenia na spracovanie.

Zariadenie nie je zapečatené.

softvér

Inštalácia softvéru (SW) sa vykonáva u výrobcu. Prístup k metrologicky významnej časti softvéru nie je možný.

Konštrukcia MI vylučuje možnosť neoprávneného ovplyvnenia programového vybavenia meracieho prístroja a informácií o meraní.

Úroveň ochrany firmvéru pred neúmyselnými a úmyselnými úpravami

Vysoká podľa R 50.2.077-2014.

technické údaje

Metrologické a technické charakteristiky zariadení na meranie teploty tekutých kovov a EMF senzorov aktivity kyslíka iM2 Sensor Lab sú uvedené v tabuľke 1. Tabuľka 1

* - bez zohľadnenia chyby primárneho meniča, predlžovacieho kábla a snímača EMF.

Značka typového schválenia

Značka typového schválenia sa typograficky aplikuje na titulnú stranu prevádzkovej dokumentácie typografickou metódou a na predný panel prístroja metódou ofsetovej tlače.

Úplnosť

Úplnosť meracieho prístroja je uvedená v tabuľke 2. Tabuľka 2

Overenie

sa vykonáva podľa MP RT 2173-2014 „Prístroje na meranie teploty tekutých kovov a EMF senzorov aktivity kyslíka iM2 Sensor Lab. Metodika overovania“, schválená GCI SI FBU „Rostest-Moskva“ 26. októbra 2014.

Hlavné prostriedky overenia sú uvedené v tabuľke 3. Tabuľka 3

Informácie o metódach merania

Informácie o metódach merania sú uvedené v návode na použitie.

Regulačné a technické dokumenty, ktoré stanovujú požiadavky na prístroje na meranie teploty tekutých kovov a EMF senzorov aktivity kyslíka iM2 Sensor Lab

1 Technická dokumentácia výrobcu Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. kg.

2 GOST R 52931-2008 „Nástroje na monitorovanie a reguláciu technologických procesov. Všeobecné technické podmienky“.

3 GOST R 8.585-2001 „GSP. Termočlánky. Nominálne statické prevodné charakteristiky.

4 GOST 8.558-2009 „GSP. Štátna overovacia schéma pre prístroje na meranie teploty.

pri vykonávaní prác na posudzovaní zhody výrobkov a iných predmetov s povinnými požiadavkami v súlade s právnymi predpismi Ruskej federácie o technických predpisoch.