Головна > ДО > Термопари. Вимірювальна техніка Порядок виконання роботи


Термопари. Вимірювальна техніка Порядок виконання роботи




9.1. Мета роботи

Визначає залежність термоелектрорушійної сили термопари від різниці температур спаїв.

У замкнутому ланцюгу (рис. 9.1), що складається з різнорідних провідників (або напівпровідників) А і В, виникає електрорушійна сила (е.д.с.) Е T і тече струм, якщо контакти 1 і 2 цих провідників підтримуються при різних температурах T 1 та T 2 . Ця е.р.с. називається термоелектрорушійною силою (термо-е.д.с), а електричний ланцюг з двох різнорідних провідників називається термопарою. При зміні знака різниці температур спаїв змінюється напрямок струму термопари. Це
явище називається явищем Зеєбека.

Відомі три причини виникнення термо-ЕРС: утворення спрямованого потоку носіїв зарядів у провіднику за наявності градієнта температур, захоплення електронів фононами та зміна положення рівня Фермі залежно від температури. Розглянемо ці причини докладніше.

За наявності градієнта температури dT/dl вздовж провідника електрони на гарячому його кінці мають більшу кінетичну енергію, а значить і більшу швидкість хаотичного руху в порівнянні з електронами холодного кінця. В результаті виникає переважний потік електронів від гарячого кінця провідника до холодного, холодному кінці накопичується негативний, але в гарячому залишається некомпенсированный позитивний заряд.

Накопичення триває до тих пір, поки різниця потенціалів, що виникла, не викличе рівний потік електронів. Алгебраїчна сума таких різниць потенціалів у ланцюзі створює об'ємну складову термо-е.д.с.

Крім цього, градієнт температури в провіднику призводить до виникнення переважного руху (дрейфу) фононів (квантів коливальної енергії кристалічної решітки провідника) від гарячого кінця до холодного. Існування такого дрейфу призводить до того, що електрони, що розсіюються на фононах, самі починають здійснювати спрямований рух від гарячого кінця до холодного. Накопичення електронів на холодному кінці провідника та збіднення електронами гарячого кінця призводить до виникнення фононної складової термо-е.д.с. Причому за низьких температур внесок цієї складової є основним у виникненні термо-е.д.с.

Внаслідок обох процесів усередині провідника виникає електричне поле, спрямоване назустріч градієнту температури. Напруженість цього поля можна у вигляді

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

де β = dφ/dT.

Співвідношення (9.1) пов'язує напруженість електричного поля E з градієнтом температури dT/dl. Поле, що виникає, і градієнт температури мають протилежні напрямки, тому вони мають різні знаки.

Визначається виразом (9.1) поле є полем сторонніх сил. Проінтегрувавши напруженість цього поля ділянкою ланцюга АВ (рис 9.1) від спаю 2 до спаю 1 і припускаючи, що T 2 > T 1 отримаємо вираз для термо-е.д.с, що діє на цій ділянці:



(Знак змінився при зміні меж інтегрування.) Аналогічно визначимо термо-е.д.с., що діє на ділянці від спаю 1 до спаю 2.

Третя причина виникнення термо-е.д.с. залежить від температури положення рівня Фермі, що відповідає найвищому енергетичному рівню, зайнятому електронами. p align="justify"> Рівню Фермі відповідає енергія Фермі E F, яку можуть мати електрони на цьому рівні.

Енергія Фермі - максимальна енергія, яку можуть мати електрони провідності в металі при 0 К. Рівень Фермі буде тим вищим, чим більша щільність електронного газу. Наприклад (рис.9.2), E FA – енергія Фермі для металу A, а E FB – для металу В. Значення E PA та E PB – це найбільша потенційна енергія електронів у металах А та В відповідно . При контакті двох різнорідних металів А і наявність різниці рівнів Фермі (E FA > E FB) призводить до виникнення переходу електронів з металу А (з більш високим рівнем) в метал В (з низьким рівнем Фермі).

При цьому метал А заряджається позитивно, а метал негативно. Поява цих зарядів викликає усунення енергетичних рівнів металів, зокрема рівнів Фермі. Як тільки рівні Фермі вирівнюються, причина, що викликає перехід електронів з металу А в метал, зникає, і між металами встановлюється динамічна рівновага. З рис. 9.2 видно, що потенційна енергія електрона в металі А менше, ніж у величину E FA - E FB . Відповідно потенціал усередині металу А вищий, ніж усередині В, на величину)

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


Цей вираз дає внутрішню контактну різницю потенціалів. На таку величину зменшується потенціал при переході з металу А до металу В. Якщо обидва спаю термопари (див. рис. 9.1) знаходяться при одній і тій же температурі, то контактні різниці потенціалів рівні і спрямовані в протилежні сторони.

І тут вони компенсують одне одного. Відомо, що рівень Фермі хоч і слабкий, але залежить від температури. Тому, якщо температура спаїв 1 і 2 різна, то різницю U AB (T 1) - U AB (T 2) на контактах дає свій контактний внесок у термо-е.д.с. Він може бути порівняний з об'ємною термо-е.д.с. і дорівнює:

E конт = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1/l) · ( + )

Остання вираз можна наступним чином:

Результуюча термо-е.д.с. (ε T) складається з е.д.с, що діють в контактах 1 і 2 та е.д.с, що діють на ділянках А і Ст.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E конт

Підставивши в (9.7) вирази, (9.3) та (9.6) і проводячи перетворення, отримаємо

де α = β - ((1/l) · (dE F / dT))

Розмір α називається коефіцієнтом термо-э.д.с. Так як і β і dE F / d T залежать від температури, коефіцієнт α теж є функцією Т.

Взявши до уваги (9.9), вираз для термо-ЕРС можна подати у вигляді:


Величину α AB називають диференціальноїабо у діловий термо-ЕРСцієї пари металів. Вимірюється вона у В/К і суттєво залежить від природи контактуючих матеріалів, а також інтервалу температур, досягаючи порядку 10 -5 ÷10 -4 В/К. У невеликому інтервалі температур (0-100 ° С) питома термо-е.д.с. слабо залежить від температури. Тоді формулу (9.11) можна з достатнім ступенем точності подати у вигляді:

E T = α · (T 2 - T 1)

У напівпровідниках, на відміну металів, існує сильна залежність концентрації носіїв зарядів та його рухливості від температури. Тому розглянуті вище ефекти, що призводять до утворення термо-е.д.с, виражені у напівпровідниках сильніше, питома термо-е.д.с. значно більше і досягає значень порядку 10-3 В/К.

9.3. Опис лабораторної установки

Для вивчення залежності термо-е.д.с. від різниці температур спаїв (контактів) у цій роботі використовується термопара, виготовлена ​​з двох відрізків дроту, одне із яких є сплавом з урахуванням хрому (хромель), а інший сплавом з урахуванням алюмінію (алюмель). Один спай разом із термометром поміщений у посудину з водою, температура T 2 якої може змінюватись шляхом нагрівання на електроплитці. Температура іншого спаю T1 підтримується постійною (рис.9.3). Виникаюча термо-е.д.с. вимірюється цифровим вольтметром.

9.4. Методика проведення експерименту та обробка результатів
9.4.1. Методика експерименту

У роботі використовуються прямі вимірювання, що виникає в термопарі е.р.с. Температура спаїв визначається за температурою води в судинах термометром (див. рис. 9.3)

9.4.2. Порядок виконання роботи

  1. Увімкніть шнур вольтметра в мережу.
  2. Натисніть кнопку Мережа на передній панелі цифрового вольтметра. Дайте прогрітися приладу протягом 20 хвилин.
  3. Відпустіть гвинт затиску на стійці термопари, підніміть вгору і закріпіть. Налийте в обидві склянки холодну воду. Відпустіть спаї термопари у склянки приблизно на половину глибини води.
  4. Запишіть у табл. 9.1 значення початкової температури T 1 спаїв (води) за термометром (для іншого спаю вона залишається постійною протягом усього експерименту).
  5. Увімкніть електроплитку.
  6. Записуйте значення е.р.с. та температури T 2 в табл. 9.1 через кожних десять градусів.
  7. При закипанні води вимкніть електроплитку та вольтметр.

9.4.3. Обробка результатів вимірів

  1. За даними вимірювань побудуйте графік залежності е.р.с. термопари 8Т (вісь ординат) від різниці температур спаїв ΔT = T 2 - T 1 (вісь абсцис).
  2. Користуючись отриманим графіком лінійної залежності Е T від ∆T, визначте питому термо-е.д.с. за формулою: α = ΔET / Δ(ΔT)

9.5. Перелік контрольних питань
  1. У чому полягає сутність і яка природа явища Зеєбека?
  2. Чим зумовлено виникнення об'ємної складової термо-е.д.с?
  3. Чим зумовлено виникнення фононної складової термо-е.д.с?
  4. Чим зумовлено виникнення контактної різниці потенціалів?
  5. Які пристрої називаються термопарами та де вони застосовуються?
  6. У чому полягає сутність і яка природа явищ Пельтьє та Томсона?
  1. Савельєв І. В. Курс загальної фізики. Т.3. - М: Наука, 1982. -304 c.
  2. Єпіфанов Г. І. Фізика твердого тіла. М.: Вища школа, 1977. – 288 с.
  3. Сівухін Д. В. Загальний курс фізики. Електрика. Т.3. - М: Наука, 1983. -688 c.
  4. Трофімова Т. І. Курс фізики. М.: Вища школа, 1985. – 432 с.
  5. Детлаф А. А., Яворський В. М. Курс фізики. М.: Вища школа, 1989. – 608 с.

розчину на одиницю. При виробничих вимірах водневі електроди не застосовують, оскільки вони незручні в експлуатації.

8.1.1. Вимірювальний осередокрН-метра

У У зв'язку з тим, що електродний потенціал безпосередньо виміряти не можна, у потенціометричному методі застосовують гальванічну комірку, в якій один електрод є вимірювальним, а інший – електродом порівняння (або допоміжним), потенціал якого не залежить від концентрації досліджуваних іонів розчину. Вимірювальний електрод поміщається в аналізовану

рідке середовище, у ньому створюється стрибок потенціалу ЕХ , який визначається концентрацією іонів у цьому середовищі. Потенціал порівняльного електрода повинен залишатися постійним незалежно від зміни складу середовища.

У В якості вимірювальних електродів застосовуються скляні, індикаторна частина яких виготовлена ​​зі спеціальних сортів скла, що мають водневу функцію. Як порівняльний або допоміжний електрод зазвичай використовуються каломельний або хлорсрібні електроди. Вони відносяться до електродів так званого другого роду, які складаються з металу, його важкорозчинної солі і легкорозчинної солі з тим же аніоном, що і у солі, що важко розчиняється.

Загальний вигляд комірки зі скляним вимірювальним електродом представлений на рис. 1 де 1 - скляний індикаторний електрод, 2 - каломельний порівняльний електрод.

ЕРС електродного датчика рН-метра складається з ряду потенціалів:

E яч = Е к + Є вн + Е х + Е ср + Е д,

де Е к – різниця потенціалів між контактним допоміжним електродом та розчином, що заповнює скляний електрод; E вн – різниця потенціалів між розчином та внутрішньою поверхнею вимірювальної мембрани; Е х – різниця потенціалів між зовнішньою поверхнею скляної мембрани та контрольованим середовищем (функцією pH); Е ср - різниця потенціалів на кордоні ртуть (Hg) - каломель (Hg 2 Cl 2); Ед – дифузійний потенціал на межі контакту двох середовищ – KCl та контрольованим середовищем. Хло-

рід калію KCl виконує роль електролітичного ключа, що з'єднує аналізований розчин з електродом.

Рис. 1. Електричний ланцюг вимірювального осередку рН-метра

При цьому величини Е до , Є вн , Е постійні і від складу аналізованого середовища не залежать. Дифузійний потенціал Ед дуже малий і їх можна знехтувати. Таким чином, загальна ЕРС визначається трльо активністю іонів водню: Е яч = Е х + Е .

Таким чином, Е яч =f(pH) , тобто Е яч є лінійною функцією pH, що використовується при електричному вимірі величини pH.

Залежність ЕРС електродного осередку Е яч від pH визначається електродними властивостями скла і характеризується коефіцієнтом крутості S характеристики електродної системи S = ​​E / pH. Зміна температури аналізованого розчину впливає на ЕРС електродної системи, змінюючи крутість номінальної статичної характеристики (НСХ) вимірювального електрода. Якщо виразити цю залежність графічно (рис. 2), то вийде пучок прямих, що перетинаються. Координати точки перетину прямих називаються координатами ізопотенційної точки (Е Н , рН Н ) і є найважливішими характеристиками електродної системи, якими керуються при розрахунку схеми компенсації температурної рН-метра. Температурна компенсація зміни ЕРС електродної системи, як правило, здійснюється автоматично (за допомогою ТЗ, включеного до схеми промислового перетворювача рН-метра).

>> R СТ.

Рис. 2. НСХ вимірювального електрода

Вимірювальна комірка зі скляним електродом може бути представлена ​​у вигляді еквівалентної схеми (рис. 3). Опір R яч дуже велике внаслідок високого опору мембрани скляного електрода R ст (R яч 500 МОм), Тому перебіг незначних струмів з внутрішнього опору осередку викличе велику похибку вимірювання:

UВХ = ЕЯЧ - IЯЧ RЯЧ; UВХ = ЕЯЧ.

З останньої рівності видно, що основна вимога вимірювання U ВХ = Е ЯЧ може бути виконано, якщо R ВХ >> RЯЧ, тобто.

R ВХ

Рис. 3. Еквівалентна схема вимірювального осередку

8.1.2. Промислові перетворювачі рН-метрів ДСП

Комплект автоматичного промислового рН-метра складається з датчика занурювального (типу ДПг-4М) або магістрального (типу ДМ-5М), високоомного вимірювального перетворювача і вторинного приладу ГСП загальнопромислового призначення. Завданням вимірювального приладу, що входить до комплекту рН-метра, є вимірювання ЕРС електродної системи, яка за незмінних температурних умов є функцією рН.

Точне вимірювання ЕРС вимірювального осередку рН-метра, що є малопотужним джерелом, пов'язане зі значними труднощами. По - перше, через вимірювальну комірку не можна пропускати струм, щільність якого перевищує 10-7 А/см2, оскільки може виникнути явище поляризації електродів, внаслідок чого електроди виходять з ладу. Друге суттєве утруднення полягає в тому, що при безпосередньому вимірі ЕРС осередку рН-метра зі споживанням струму, наприклад мілівольтметром, створюється електричний ланцюг, по якому протікає струм, що визначається сумою внутрішнього опору вимірювального електрода (близько 500 ... 1000 МОм) і. У цьому випадку необхідно дотримуватися ряду умов: вимірювальний струм повинен бути меншим за струм поляризації електродів; внутрішній опір приладу має бути не менш ніж у 100 разів вищий за опір скляного електрода, що, проте, вступає в протиріччя з вимогою високої чутливості приладу. У зв'язку з цим перетворювачі з безпосереднім виміром ЕРС практично не використовуються.

Єдиним методом, що задовольняє всі вимоги вимірювання ЕРС осередку рН-метра, є компенсаційний (потенціометричний), або нульовий метод вимірювання, основною перевагою якого є відсутність струму в момент відліку показань. Проте слід вважати, що з компенсаційному методі електрод не навантажується зовсім, і тому явище поляризації електродів виключено. Тут протікання струму (в межах 10-12 А) пояснюється тим, що в процесі вимірювання завжди є небаланс, а в момент вимірювання компенсація досягається тільки з тією точністю, якою дозволяє чутливість нульіндикатора.

В даний час для вимірювання ЕРС електродної системи зі скляним електродом застосовують лише електронні нуль – індикатори (вимірювальні перетворювачі) зі статичною компенсацією. Спрощена блок-схема, яка пояснює принцип дії такого перетворювача, наведено на рис. 4. Перетворювач являє собою підсилювач постійного струму, охоплений глибоким негативним зв'язком ОС по вихідному струму, чим забезпечується великий вхідний опір. Підсилювач побудований за схемою перетворення постійної напруги змінне з подальшою демодуляцією.

Рис. 4. Структурна схема методу вимірювання ЕРС осередку рНметра

Вимірювана ЕРС Е ІІ порівнюється з напругою U ВИХ, утвореним від протікання вихідного струму підсилювача I ВИХ по резистору R ОС. На вхід підсилювача надходить різниця цих напруг U ВХ = Е ИЯ -U ВИХ. Якщо коефіцієнт підсилення до = U ВИХІВ /U ВХ , то Е ІЄ = U ВИХІВ / (1 +1 / до). При досить великому значенні до (до 500) Е ІІ U ВИХІВ I ВИХІВ R ОС , тобто. сила вихідного струму практично пропорційна вхідному сигналу від вимірювального осередку рН – метра.

Застосування статичної компенсації дозволяє багато разів зменшити силу струму, споживаного від вимірювального осередку в процесі вимірювання.

Даний принцип реалізований практично у всіх промислових перетворювачах рН - метрів: рН-201, П201, П202, П205 (напівпровідникова елементна база) та в П215 (з використанням стандартних мікросхем).

8.1.3. Опис перетворювача П – 201

Промислові перетворювачі типу П201 призначені для вимірювання активності іонів водню (величини рН) розчинів та пульп у системах автоматичного контролю та регулювання технологічних процесів.

Перетворювачі розраховані для роботи в комплекті з будь-якими чутливими елементами рН, що серійно випускаються, як наприклад, ДПг-4М; ДМ-5М та ін.

Перетворювач має виходи за напругою та струмом для підключення вторинних приладів з відповідними вхідними

сигналами.

Основні технічні характеристики:

межі виміру

від -1 до 14 рН

межа основної наведеної, що допускається

похибки:

а) за вихідними сигналами постійного струму та

напруги постійного струму

б) за приладом, що показує

опір вимірювального скляного

електрода

опір допоміжного електрода

час встановлення показань

не більше 10 с

вихідний струм

вихідна напруга

від 0 до 10 100мВ

Перетворювач призначений для монтажу у безпосередній близькості від промислових агрегатів. Перетворювач може складатися з показуючого вузькопрофільного приладу та власне перетворювача, що встановлюються на одній спільній панелі або окремо, або лише одного перетворювача. Зовнішній вигляд приладу показано на рис. 5.

Кожух 1 виконаний з листової сталі, кришка 2 лита, алюмінієвого сплаву. На лицьовій стороні кришки є напис з індексом приладу, ковпачок 3 і різьбова заглушка 4.

Рис. 5. Зовнішній вигляд перетворювача П201

Усередині кожуха встановлюється каркас, що є підставою для встановлення всіх блоків та елементів приладу. На передню панель перетворювача, розташовану під кришкою, виведені осі змінних резисторів, які призначені для зміни меж вимірювання перетворювачів. Колодка із затискачами для зовнішніх електричних з'єднань розташована у закритому відсіку, доступ до неї передбачений з боку задньої стінки корпусу. Провід вводять у відсік через чотири сальники в нижній стінці приладу (рис. 6).

Рис. 6. Схема зовнішніх електричних з'єднань перетворювача П-201: ТРМ - універсальний вимірювач-регулятор; ТКР – блок резисторів температурної компенсації

8.1.4. Повірка та градуювання автоматичного рН-метра

Поточна перевірка автоматичного рН-метра полягає у порівнянні його показань із показаннями контрольного приладу. При значному розбіжності показання приладу, що повіряється, коригуються за допомогою компенсатора або шляхом зміни градуювання перетворювача за допомогою ручок налаштування. Крім

того, необхідно періодично проводити більш детальну перевірку датчика та перетворювача.

Перевірка датчика включає наступні операції:

1) ретельний зовнішній огляд, особливо його частин, які стикаються з вимірюваною середовищем;

2) перевірка електричних ланцюгів, особливо опору ізоляції ланцюгів скляного та порівняльного електродів від-

щодо корпусу, яке повинно бути не менше 1012 Ом та 2108 Ом відповідно;

3) перевірка характеристики електродної системи за буферними розчинами з відомою величиною рН за допомогою контрольного лабораторного рН-метра.

Перевірка перетворювача включає:

1) визначення основної похибки вимірювань перетворювача та коригування його градуювання;

2) визначення додаткових похибок вимірів перетворювача від зміни опору скляного електрода RСТ, зміни опору порівняльного електрода RСР

і зміна потенціалу контрольованого розчину ЕХ.

Для градуювання шкали рН-метрів необхідно мати імітатор електродної системи І-01 або І-02.

Імітатор електродної системи дозволяє перевіряти працездатність датчика рН – метрів; вплив зміни опору електродів та напруги між розчином та корпусом агрегату на показання приладу; схибленість рН-метрів.

За допомогою імітатора можна відтворити такі параметри електродної системи:

а) напруга, еквівалентна ЕРС електродної системи, в межах від 0 до 1000 мВ;

б) опір, еквівалентний опору скляного електрода: 0; 500 та 1000 МОм;

в) опір, еквівалентний опору допоміжного електрода: 10 і 20 кОм;

г) напруга, еквівалентна ЕРС “земля – розчин”: 0 та

Імітатор є електричним еквівалентом електродної системи (рис. 7) та конструктивно оформлений у вигляді переносного пристрою, розміщеного у сталевому корпусі зі знімною кришкою.

E З Rв

Рис. 7. Еквівалентна схема імітатора електродної системи: R – опір вимірювального скляного електрода; R – опір допоміжного електрода; E - сумарна ЕРС електродної системи: E З - ЕРС "земля - ​​розчин".

На лицьовій панелі імітатора є клеми для підключення його до рН-метра, що повіряється, за допомогою кабелю, який є в комплекті. Там розміщені ручки установки необхідної величини вихідної напруги, опору електродів, потенціалу контрольованого розчину тощо.

8.2. ОБЛАДНАННЯ І ПРИЛАДИ

1. Промисловий перетворювачП-201.

2. Імітатор електродної системиІ-02.

3. Вимірювач-регуляторуніверсальний багатоканальний ТРМ 138.

8.3. НАСЛІДНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Зібрати установку для перевірки перетворювачаП-201 за допомогою імітатора І-02 відповідно до схеми рис. 8, з'єднавши вихід імітатора з входом "Ізм" і "Всп" перетворювача за допомогою коаксіального кабелю.

2. Підготувати для роботи імітатор. Для цього натисніть на перемикачах імітатора: “RІ ” – кнопку 500; "EЗР", "RВ" - кнопки

"00" для EЗР і "010" для RВ; “ХАРЧУВАННЯ” – кнопка “ЕВНУТР” та “Вкл”.

3. Подати напругу живлення на стенд.

Рис. 8. Схема перевірки: 1 – імітатор електродної системи І-02; 2 – електродна система; 3 – високоомний перетворювач П-201; 4 – вимірювач-регулятор багатоканальний ТРМ 138

4. Стрілками ^ v на ТРМ 138 вибрати канал № 5, яким здійснюється відлік ЕРС.

5. Виконати перевірку перетворювача.

Для цього:

5.1. Набрати на кнопках перемикача "E, mV" імітатора значення ЕРС, що відповідає величині рН оцифрованої позначки шкали. Перемикач “EX , mV” встановлюється в положенні “+” або “-“ залежно від знака ЕРС у таблиці градуювання.

5.2. Здійснити відлік показань з імітатора І-02. Визначити основну похибку вимірювань за RВ =10

ком; EЗ = 0. Основна похибка перевіряється на всіх оцифрованих відмітках шкали при прямому і зворотному ході і розраховується за формулою = [(E – E 0 )/(EK – E Н )]100%, де E 0 – табличне (дійсне значення ЕРС електродної системи, що відповідає даній оцифрованій відмітці шкали, мВ, E – фактичне значення ЕРС, мВ;

6. Результати перевірки подати у звіті.

Міністерство освіти та науки РФ

Федеральне агентство з освіти

Саратовський державний

технічний університет

Вимірювання електродних

потенціалів та ЕРС

Методичні вказівки

за курсом «Теоретична електрохімія»

для студентів спеціальності

напрямок 550800

Електронне видання локального розподілу

Схвалено

редакційно-видавничим

порадою Саратовського

державного

технічного університету

Саратов - 2006

Усі права на розмноження та поширення у будь-якій формі залишаються за розробником.

Нелегальне копіювання та використання цього продукту заборонено.

Укладачі:

Під редакцією

Рецензент

Науково-технічна бібліотека СДТУ

Реєстраційний номер 060375-E

© Саратовський державний

технічний університет, 2006

Вступ

Одним із фундаментальних понять електрохімії є поняття електрохімічного потенціалу та ЕРС електрохімічної системи. Величини електродних потенціалів та ЕРС пов'язані з такими важливими характеристиками розчинів електролітів як активність (a), коефіцієнт активності (f), числа перенесення (n+, n-). Вимірявши потенціал та ЕРС електрохімічної системи, можна розрахувати a, f, n+, n - електролітів.

Метою методичних вказівок є ознайомлення студентів з теоретичними уявленнями про причини виникнення стрибків потенціалу між електродом та розчином, з класифікацією електродів, оволодіння теоретичними основами компенсаційного методу вимірювання електродних потенціалів та ЕРС, застосування цього методу для розрахунку коефіцієнтів активності та чисел перенесення іонів у розчин.


Основні поняття

При зануренні металевого електрода розчин на межі розділу виникає подвійний електричний шар і, отже, з'являється стрибок потенціалу.

Виникнення стрибка потенціалу викликається різними причинами. Одна з них – обмін зарядженими частинками між металом та розчином. При зануренні металу розчин електроліту іони металу, залишаючи кристалічні грати і переходячи у розчин, приносять у нього свої позитивні заряди, тоді як поверхня металу, де залишається надлишок електронів, заряджається негативно.

Іншою причиною виникнення потенціалів є вибіркова адсорбція аніонів з водного розчину солі на поверхні будь-якого інертного металу. Адсорбція призводить до появи надлишкового негативного заряду на поверхні металу і далі до появи надлишкового позитивного заряду в найближчому шарі розчину.

Третя можлива причина – здатність полярних незаряджених частинок орієнтовано адсорбуватися поблизу межі розділу фаз. При орієнтованої адсорбції одне із кінців диполя полярної молекули звернений до межі розділу, а – інший, у бік тієї фази, до якої належить дана молекула.

Виміряти абсолютну величину стрибка потенціалу на межі електрод-розчин неможливо. Але можна виміряти ЕРС елемента, складеного з досліджуваного електрода і електрода, потенціал якого умовно прийнятий за нуль. Отримана у такий спосіб величина називається «власним» потенціалом металу – E.

Як електрод, рівноважний потенціал якого прийнятий умовно за нуль, служить стандартний водневий електрод.

Рівноважним потенціалом називається потенціал, що характеризується рівновагу, що встановилася між металом і розчином солі. Встановлення рівноважного стану значить, що у електрохімічної системі не протікають ніякі процеси. Обмін іонами між твердою та рідкою фазами триває, але швидкості таких переходів стають рівними. Рівновага на межі метал-розчин відповідає умові

iДо= iА=iПро , (1)

де iДо- Катодний струм;

iПро – Струм обміну.

Для вимірювання потенціалу досліджуваного електрода можуть застосовуватися інші електроди, потенціал яких щодо водневого стандартного електрода відомий, - електроди порівняння.

Основними вимогами до електродів порівняння - сталість стрибка потенціалу, хороша відтворюваність результатів. Прикладами електродів порівняння є електроди другого роду: каломельний:

Cl- / Hg2 Cl2 , Hg

Хлорсрібний електрод:

Cl- / AgCl, Ag

ртутносульфатний електрод та інші. У таблиці наведено потенціали електродів порівняння (за водневою шкалою).

Потенціал будь-якого електрода – E, визначається при заданих температурі та тиску величиною стандартного потенціалу та активностями речовин, що беруть участь у електродній реакції.


Якщо в електрохімічній системі оборотно протікає реакція

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

то https://pandia.ru/text/77/491/images/image003_83.gif" width="29"

Електроди другого роду - це металеві електроди, вкриті малорозчинною сіллю цього металу і опущені в розчин добре розчинної солі, що має загальний аніон з малорозчинною сіллю: прикладом може бути хлорсрібний, каломельний електроди та ін.

Потенціал електрода другого роду, наприклад, хлорсрібного електрода, описується рівнянням

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

Окисно-відновлювальний електрод - це електрод, виготовлений з інертного матеріалу і занурений у розчин, що містить будь-яку речовину в окисленій та відновленій формах.

Розрізняють прості та складні окислювально-відновлювальні електроди.

У простих окислювально-відновних електродах спостерігається зміна валентності заряду частки, але хімічний склад залишається незмінним.

Fe3++e→Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Якщо позначити окислені іони через Ox, а відновлені через Red, то все написане вище реакції можна виразити одним загальним рівнянням

Ox+ e→Red

Простий редоксі-електрод записується у вигляді схеми Red, Ox/ Pt, а його потенціал дається рівнянням

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

Різниця потенціалів двох електродів при вимкненому зовнішньому ланцюзі називається електрорушійною силою (ЕРС) (E) електрохімічної системи.

E= E+ - E- (9)

Електрохімічна система, що складається з двох однакових електродів, занурених у розчин одного і того ж електроліту різної концентрації, називається концентраційним елементом.

ЕРС у такому елементі виникає за рахунок різниці концентрацій розчинів електроліту.

Методика експерименту

Компенсаційний метод вимірювання ЕРС та потенціалу

Прилади та приладдя:потенціометр Р-37/1, гальванометр, батарея акумуляторів, елементи Вестона, вугільний, мідний, цинковий-електроди, розчини електролітів, хлорсрібний електрод порівняння, електролітичний ключ, електрохімічний осередок.

Зібрати схему установки (рис.2)

е. я. – електрохімічний осередок;

е. в. - Досліджуваний електрод;

е. с. - Електрод порівняння;

е. к. – електролітичний ключ.

DIV_ADBLOCK84">

концентрації іонів CrO42- і H+ постійні та рівні 0,2 г-іон/л та 3-іон/л концентрація H+ змінюється і становить: 3; 2; 1; 0,5; 0,1 г-іон/л;

концентрація іонів CrO42-, Cr3+ постійні та рівні 2 г-іон/л і 0,1 г-іон/л відповідно, концентрація іонів H+ змінюється і становить: 2; 1; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 г-іон/л.

Завдання 4

Вимірювання потенціалу простої окислювально-відновної системи Mn+7, Mn2+ графіт.

концентрація іону Mn2+ постійна і дорівнює 0,5 г-іон/л

концентрація іонів MnO2-4 змінюється та становить 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 г-іон/л;

концентрація іонів MnO-4 постійна і дорівнює 1 г-іон/л

концентрація іонів Mn2+ змінюється і становить: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 г-іон/л.

Обробка експериментальних даних

1.Всі отримані експериментальні дані необхідно перевести на водневу шкалу.

3.Побудувати графічну залежність потенціалу від концентрації в координатах E, lgC, зробити висновок про характер впливу концентрації потенціалів іонів на величину потенціалу електрода.

4.Для концентраційних елементів (завдання 2) розрахувати дифузійний стрибок потенціалу φα за рівнянням

φα = (10)

при вимірі ЕРС компенсаційним методом

1. Потенціометр має бути перед роботою заземлений.

2. Під час роботи з акумуляторами необхідно:

Використовувати для перевірки напруги на клемах переносним вольтметром;

При збиранні акумуляторів у батарею уникати замикання корпусу та клем, щоб уникнути сильного опіку.

3. Після роботи усі прилади вимкнути.

Література

1. Антропова електрохімія:

підручник/.- 2 вид. перероб. доп.-М.: Вища школа, 1984.-519с.

2.-Ротінян електрохімія: підручник/,

Л.: Хімія, с.

3. Дамасський /, .- М.: Вища школа, 1987.-296с.

Що таке ЕРС(Електрорушійна сила) у фізиці? Електричний струм зрозумілий далеко не кожному. Як космічна далечінь, тільки під самим носом. Взагалі він і вченим зрозумілий не до кінця. Достатньо згадати Ніколу Теслаз його знаменитими експериментами, що на віки випередили свій час і навіть у наші дні таємниці, що залишаються в ореолі. Сьогодні ми не розгадуємо великих таємниць, але намагаємося розібратися в тому, що таке ЕРС у фізиці.

Визначення ЕРС у фізиці

ЕРС- електрорушійна сила. Позначається буквою E або маленькою грецькою буквою епсілон.

Електрорушійна сила- скалярна фізична величина, що характеризує роботу сторонніх сил ( сил неелектричного походження), що діють в електричних ланцюгах змінного та постійного струму.

ЕРС, як і напругие, вимірюється у вольтах. Однак ЕРС та напруга – явища різні.

Напруга(Між точками А і Б) - фізична величина, рівна роботі ефективного електричного поля, що здійснюється при перенесенні одиничного пробного заряду з однієї точки в іншу.

Пояснюємо суть ЕРС "на пальцях"

Щоб розібратися в тому, що є, можна навести приклад-аналогію. Припустимо, що у нас є водонапірна вежа, повністю заповнена водою. Порівняємо цю вежу з батареєю.

Вода чинить максимальний тиск на дно вежі, коли вежа заповнена повністю. Відповідно, чим менше води в вежі, тим слабший тиск і натиск води, що витікає з крана. Якщо відкрити кран, вода поступово витікатиме спочатку під сильним натиском, а потім все повільніше, поки натиск не ослабне зовсім. Тут напруга – це той тиск, який вода чинить на дно. За рівень нульової напруги приймемо саме дно вежі.

Те саме і з батарейкою. Спочатку ми включаємо наше джерело струму (батарейку) у ланцюг, замикаючи його. Нехай це буде годинник або ліхтарик. Поки рівень напруги достатній і батарейка не розрядилася, ліхтарик світить яскраво, потім поступово гасне, поки зовсім не згасне.

Але як зробити так, щоб натиск не зникав? Іншими словами, як підтримувати у вежі постійний рівень води, а на полюсах джерела струму – постійну різницю потенціалів. За прикладом вежі ЕРС є насосом, який забезпечує приплив в вежу нової води.

Природа ЕРС

Причина виникнення ЕРС різних джерел струму різна. За природою виникнення розрізняють такі типи:

  • Хімічна ЕРС.Виникає в батареях та акумуляторах внаслідок хімічних реакцій.
  • Термо ЕРС.Виникає, коли контакти різнорідних провідників з'єднані при різних температурах.
  • ЕРС індукції.Виникає в генераторі при приміщенні провідника, що обертається, в магнітне поле. ЕРС буде наводитись у провіднику, коли провідник перетинає силові лінії постійного магнітного поля або коли магнітне поле змінюється за величиною.
  • Фотоелектрична ЕРС.Виникненню цієї ЕРС сприяє явище зовнішнього чи внутрішнього фотоефекту.
  • П'єзоелектрична ЕРС.ЕРС виникає при розтягуванні чи стисканні речовин.

Дорогі друзі, сьогодні ми розглянули тему ЕРС для чайників. Як бачимо, ЕРС – сила неелектричного походження, яка підтримує перебіг електричного струму в ланцюзі. Якщо Ви хочете дізнатися, як вирішуються завдання з ЕРС, радимо звернутися до нашим авторам– скрупульозно відібраним та перевіреним фахівцям, які швидко та зрозуміло роз'яснять хід вирішення будь-якого тематичного завдання. І за традицією наприкінці пропонуємо Вам переглянути навчальне відео. Приємного перегляду та успіхів у навчанні!

Прилади для вимірювання температури рідких металів та ЕРС датчиків активності кисню iM Sensor Lab призначені для вимірювань термо-ЕРС, що надходять від первинних термоелектричних перетворювачів, що вимірюють температуру рідких металів (чавуну, сталі, міді та інших) та ЕРС, що генерується датчиками активності кисню.

Опис

Принцип дії

Подаються на «вимірювальний» вхід приладу для вимірювань температури рідких металів і ЕРС датчиків активності кисню iM2 Sensor Lab сигнали термо-ЕРС від первинного перетворювача термоелектричного (термопари) і ЕРС від датчиків активності кисню (мВ) перетворюються в цифрову форму і відповідно значення температури та активності кисню. Ці сигнали сприймаються тактами частотою 250 c-1. Прилад має 4 входи: Ch0 та Ch2 – для вимірювань сигналів від термопар, і Ch1, Ch3 – для вимірювань сигналів ЕРС від датчиків активності кисню.

В процесі вимірювань температури, проводиться аналіз зміни вхідного сигналу, що надходить з метою визначення його виходу на стабільні показання (характеризується параметрами так званої "температурного майданчика", що визначається довжиною (часом) і висотою (зміною температури). Якщо за час, заданий довжиною майданчика, фактичне зміна температури не перевищує її заданої висоти (тобто допускається зміна температури), то майданчик вважається виділеним. середнє значення як результат вимірів на екран.

Аналогічним чином виділяються майданчики, що відповідають виходу ЕРС на стабільні показання, розміри яких також задаються довжиною (часом) і висотою (зміною величини ЕРС, що допускається).

Крім вимірювань температури ванни, прилад дозволяє визначати температуру ліквідус рідкої сталі, яка може бути перерахована за емпіричним рівнянням вміст вуглецю. За результатами вимірювань ЕРС, що генерується датчиками активності кисню, розрахунковим шляхом визначається активність кисню в рідкій сталі, чавуні та міді, вміст вуглецю в сталі, вміст сірки та кремнію в чавуні, активність FeO (FeO+MnO) у рідких металургійних шлаках та деякі інші параметри , пов'язані з термічним станом та хімічним складом рідких металів Прилад також має можливість визначати рівень ванни (положення межі шлак метал) шляхом аналізу швидкості зміни температури при зануренні термопари у ванну та визначення товщини шару шлаку спеціальними зондами.

Прилади для вимірювання температури рідких металів та ЕРС датчиків активності кисню iM2 Sensor Lab мають дві модифікації, які відрізняються наявністю або відсутністю сенсорного РК екрану (рисунок 1). За відсутності екрана, керування приладом здійснюється із зовнішнього комп'ютера або промислового планшета. І тут поставляється спеціальне програмне забезпечення здійснення зв'язку з-поміж них.

Сенсорний екран знаходиться на передній панелі корпусу приладу і на ньому у цифровій та графічній формах відображаються хід вимірювань, його результати та інша інформація щодо вимірювань. На екран також виводиться меню у вигляді текстових закладок, за допомогою якого проводиться управління приладом, його діагностика та перегляд даних про виконання

Лист № 2 Всього листів 4

них раніше вимірах. У модифікації "без екрана" вся вищезгадана інформація відображається на екрані комп'ютера або промислового планшета.

Електронні плати приладу для вимірювання температури рідких металів та ЕРС датчиків активності кисню iM2 Sensor Lab встановлюються в пилозахищеному сталевому корпусі, виконаному за стандартом 19” для встановлення на монтажній стійці або кріплення в щиті.

Сигнали з первинних перетворювачів можуть передаватися на прилад двома способами - кабелем і радіо. В останньому випадку прилад з'єднується з приймаючим блоком (Reciver Box) за послідовним інтерфейсом, а на рукоятці занурювальних жезлів встановлюється передавальний пристрій (QUBE), яке перетворює сигнали, що надходять з датчиків, радіосигнали, що передаються на приймаючий блок. Останній приймає їх та передає в прилад для обробки.

Пломбування приладу не передбачено.

Програмне забезпечення

Інсталяція програмного забезпечення (ПЗ) здійснюється на підприємстві виробника. Доступ до метрологічно значимої частини програмного забезпечення неможливий.

Конструкція СІ виключає можливість несанкціонованого впливу на ПЗ засоби вимірювання та вимірювальну інформацію.

Рівень захисту вбудованого ПЗ від ненавмисних та навмисних змін

Високий за Р 50.2.077-2014.

Технічні характеристики

Метрологічні та технічні характеристики приладів для вимірювання температури рідких металів та ЕРС датчиків активності кисню iM2 Sensor Lab наведено в таблиці 1. Таблиця 1

* - без урахування похибки первинного перетворювача, що подовжує кабелю та датчика ЕРС.

Знак затвердження типу

Знак затвердження типу наноситься друкарським способом на титульний лист експлуатаційної документації друкарським способом та на лицьову панель приладу методом офсетного друку.

Комплектність

Комплектність засобу вимірювання наведена у таблиці 2. Таблиця 2

Перевірка

здійснюється за МП РТ 2173-2014 «Прилади для вимірювання температури рідких металів та ЕРС датчиків активності кисню iM2 Sensor Lab. Методика повірки», затвердженої ДЦІ СІ ФБУ «Ростест-Москва» 26.10.2014р.

Основні засоби перевірки наведені в таблиці 3. Таблиця 3

Відомості про методи вимірів

Відомості про методи вимірювання містяться в посібнику користувача.

Нормативні та технічні документи, що встановлюють вимоги до приладів для вимірювання температури рідких металів та ЕРС датчиків активності кисню iM2 Sensor Lab

1 Технічна документація виробника Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. KG.

2 ГОСТ Р 52931-2008 «Прилади контролю та регулювання технологічних процесів. Загальні технічні умови.

3 ДЕРЖСТАНДАРТ Р 8.585-2001 «ГСП. Термопари. Номінальні статичні показники перетворення».

4 ГОСТ 8.558-2009 «ДСП. Державна повірочна схема для засобів вимірювання температури».

при виконанні робіт з оцінки відповідності продукції та інших об'єктів обов'язковим вимогам відповідно до законодавства Російської Федерації про технічне регулювання.