Dom > PRIJE > Termoparovi. Mjerna oprema Postupak rada


Termoparovi. Mjerna oprema Postupak rada




9.1. Cilj

Određivanje ovisnosti termoelektromotorne sile termoelementa o temperaturnoj razlici spojeva.

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

Tri su poznata razloga za pojavu termo-EMF-a: stvaranje usmjerenog toka nositelja naboja u vodiču u prisutnosti temperaturnog gradijenta, povlačenje elektrona fononima i promjena položaja Fermijeve razine. ovisno o temperaturi. Razmotrimo ove razloge detaljnije.

U prisutnosti temperaturnog gradijenta dT / dl duž vodiča, elektroni na njegovom vrućem kraju imaju veću kinetičku energiju, a time i veću brzinu kaotičnog gibanja u usporedbi s elektronima hladnog kraja. Kao rezultat, dolazi do prevladavajućeg toka elektrona s vrućeg kraja vodiča na hladniji, na hladnom kraju se nakuplja negativan naboj, a na vrućem kraju ostaje nekompenzirani pozitivan naboj.

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

Osim toga, postojeći temperaturni gradijent u vodiču dovodi do prevladavajućeg kretanja (drifta) fonona (kvanti energije titranja kristalne rešetke vodiča) od vrućeg kraja prema hladnom. Postojanje takvog drifta dovodi do činjenice da sami elektroni raspršeni fononima počinju raditi usmjereno kretanje od vrućeg kraja prema hladnom. Akumulacija elektrona na hladnom kraju vodiča i iscrpljivanje elektrona s vrućeg kraja dovodi do pojave fononske komponente termo-emf. Štoviše, pri niskim temperaturama doprinos ove komponente je glavni u pojavi toplinske emf.

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

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

gdje je β = dφ / dT.

Relacija (9.1) povezuje jakost električnog polja E s temperaturnim gradijentom dT / dl. Rezultirajuće polje i temperaturni gradijent imaju suprotne smjerove, pa imaju različite predznake.

Polje određeno izrazom (9.1) je polje vanjskih sila. Integrirajući jakost ovog polja preko odsječka kruga AB (sl. 9.1) od spoja 2 do spoja 1 i uz pretpostavku da je T 2 > T 1, dobivamo izraz za termo-emf koji djeluje na ovaj dio:



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

Treći razlog za pojavu termo-emf. je temperaturno ovisan položaj Fermijeve razine, koja odgovara najvišoj energetskoj razini koju zauzimaju elektroni. Fermijeva razina odgovara Fermijevoj energiji E F koju elektroni mogu imati na ovoj razini.

Fermijeva energija je maksimalna energija koju elektroni vodljivosti mogu imati u metalu pri 0 K. Fermijeva razina bit će to viša što je veća gustoća elektronskog plina. Na primjer (slika 9.2), E FA je Fermijeva energija za metal A, a E FB je za metal B. Vrijednosti E PA i E PB najveća su potencijalna energija elektrona u metalima A i B. Kada dva različita metala A i B dođu u kontakt, prisutnost razlike Fermijevih razina (E FA > E FB) dovodi do prijelaza elektrona iz metala A (s višom razinom) u metal B (s niskom Fermijevom razinom) .

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

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


Ovaj izraz daje razliku potencijala unutarnjeg kontakta. Potencijal se smanjuje za taj iznos tijekom prijelaza iz metala A u metal B. Ako su oba spoja termopara (vidi sl. 9.1) na istoj temperaturi, tada su kontaktne razlike potencijala jednake i usmjerene u suprotnim smjerovima.

U ovom slučaju one se međusobno poništavaju. Poznato je da Fermijeva razina, iako slabo, ovisi o temperaturi. Dakle, ako je temperatura spojeva 1 i 2 različita, tada razlika U AB (T 1) - U AB (T 2) na kontaktima daje svoj kontaktni doprinos toplinskoj emf. Može se usporediti s volumetrijskom termo-emf. i jednako je:

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

Posljednji izraz može se predstaviti na sljedeći način:

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

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

Zamjenom izraza (9.3) i (9.6) u (9.7) i provođenjem transformacija dobivamo

gdje je α = β - ((1/l) (dE F / dT))

Vrijednost α naziva se koeficijent termoemf. Budući da i β i dE F / d T ovise o temperaturi, koeficijent α također je funkcija T.

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


Veličina α AB naziva se diferencijal ili na odvojeni termo-EMF ovaj par metala. Mjeri se u W/K i bitno ovisi o prirodi materijala u kontaktu, kao io temperaturnom rasponu, dosežući oko 10 -5 ÷10 -4 V/K. U malom temperaturnom rasponu (0-100°C) specifična termo-emf. slabo ovisi o temperaturi. Tada se formula (9.11) može prikazati s dovoljnim stupnjem točnosti u obliku:

E T \u003d α (T 2 - T 1)

U poluvodičima, za razliku od metala, postoji jaka ovisnost koncentracije nositelja naboja i njihove pokretljivosti o temperaturi. Stoga su gore razmotreni učinci, koji dovode do stvaranja toplinske emf, izraženiji u poluvodičima; mnogo više i dostiže vrijednosti reda 10 -3 V/K.

9.3. Opis laboratorijskog postava

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

9.4. Eksperimentalna tehnika i obrada rezultata
9.4.1. Eksperimentalna tehnika

Koristimo izravna mjerenja emf koja nastaje u termoelementu. Temperatura spojeva određena je temperaturom vode u posudama pomoću termometra (vidi sl. 9.3)

9.4.2. Radni nalog

  1. Spojite strujni kabel voltmetra na električnu mrežu.
  2. Pritisnite tipku za napajanje na prednjoj ploči digitalnog voltmetra. Ostavite uređaj da se zagrije 20 minuta.
  3. Otpustite stezni vijak na stalku termoelementa, podignite ga i pričvrstite. Ulijte hladnu vodu u obje čaše. Pustite spojeve termoelemenata u čaše do otprilike polovice dubine vode.
  4. Upiši u tablicu. 9.1 vrijednost početne temperature T 1 spojeva (voda) prema termometru (za drugi spoj ostaje konstantna tijekom cijelog eksperimenta).
  5. Uključite električni štednjak.
  6. Zabilježite vrijednosti emf. a temperatura T 2 u tablici. 9.1 svakih deset stupnjeva.
  7. Kad voda zavrije, isključite električni štednjak i voltmetar.

9.4.3. Obrada rezultata mjerenja

  1. Na temelju mjernih podataka nacrtati ovisnost emf. termoparovi 8T (ordinatna os) na temperaturnoj razlici spojeva ΔT \u003d T 2 - T 1 (apscisna os).
  2. Pomoću dobivenog grafikona linearne ovisnosti ET o ∆T odredite specifičnu toplinsku emf. prema formuli: α = ∆E T / ∆(∆T)

9.5. Spisak
  1. Što je bit i kakva je priroda Seebeckovog fenomena?
  2. Što uzrokuje pojavu volumetrijske komponente termo-emf?
  3. Što uzrokuje pojavu fononske komponente termo-emf?
  4. Što uzrokuje kontaktnu razliku potencijala?
  5. Koji se uređaji nazivaju termoparovi i gdje se koriste?
  6. Što je bit i kakva je priroda Peltierovog i Thomsonovog fenomena?
  1. Savelyev I.V. Tečaj opće fizike. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 str.
  2. Epifanov G.I. Fizika čvrstog stanja. M.: Viša škola, 1977. - 288 str.
  3. Sivukhin DV Opći tečaj fizike. Struja. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 str.
  4. Trofimova T. I. Tečaj fizike. M. : Viša škola, 1985. - 432 str.
  5. Detlaf A. A., Yavorsky V. M. Tečaj fizike. M. : Viša škola, 1989. - 608 str.

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

8.1.1. mjerna ćelija pH metar

NA Zbog toga što se potencijal elektrode ne može izravno mjeriti, u potenciometrijskoj metodi koristi se galvanski članak u kojem je jedna elektroda mjerna, a druga referentna elektroda (ili pomoćna) čiji potencijal ne ovise o koncentraciji ispitivanih iona otopine. Mjerna elektroda se postavlja u analizirani

tekućem mediju, na njemu se stvara skok potencijala EX određen koncentracijom iona u tom mediju. Potencijal referentne elektrode mora uvijek ostati konstantan bez obzira na promjene u sastavu medija.

NA kao mjerne elektrode koriste se staklene elektrode čiji je indikatorski dio izrađen od posebnih vrsta stakla s funkcijom vodika. Kao referentna ili pomoćna elektroda obično se koriste kalomelne ili srebro-kloridne elektrode. Pripadaju elektrodama takozvane druge vrste, koje se sastoje od metala, njegove teško topljive soli i teško topljive soli s istim anionom kao i teško topljiva sol.

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

EMF senzora elektrode pH metra sastoji se od niza potencijala:

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

gdje je E k razlika potencijala između kontaktne pomoćne elektrode i otopine koja ispunjava staklenu elektrodu; E ext - potencijalna razlika između otopine i unutarnje površine mjerne membrane; E x razlika potencijala između vanjske površine staklene membrane i kontroliranog medija (pH funkcija); E cf je razlika potencijala na granici živa (Hg) - kalomel (Hg 2 Cl 2); E d - difuzijski potencijal na kontaktnoj granici dvaju medija - KCl i kontrolirane okoline. Chloe

Kalij ride KCl ima ulogu elektrolitičkog ključa koji povezuje analiziranu otopinu s elektrodom.

Riža. 1. Električni krug mjerne ćelije pH metra

U ovom slučaju, vrijednosti E k, E vn, E v su konstantne i ne ovise o sastavu analiziranog medija. Potencijal difuzije E d je vrlo malen i može se zanemariti. Dakle, ukupni EMF određen je aktivnošću vodikovih iona: E ćelija \u003d E x + E.

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

Ovisnost EMF elektrodne ćelije E ćelije o pH određena je elektrodnim svojstvima stakla i karakterizirana je koeficijentom nagiba S karakteristika elektrodnog sustava S= E/ pH. Promjena temperature analizirane otopine utječe na EMF sustava elektroda, mijenjajući nagib nominalne statičke karakteristike (NSH) mjerne elektrode. Ako ovu ovisnost izrazimo grafički (slika 2), tada ćemo dobiti hrpu linija koje se sijeku. Koordinate sjecišta ravnih linija nazivaju se koordinatama izopotencijalne točke (E N , rN N ) i najvažnije su karakteristike elektrodnog sustava, koje se vode proračunom kruga temperaturne kompenzacije pH metar. Temperaturna kompenzacija promjena EMF-a sustava elektroda u pravilu se provodi automatski (uz pomoć TS-a uključenog u krug industrijskog pretvarača pH metra).

>> R ST.

Riža. 2. NSH mjerne elektrode

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

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

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

R IN

Riža. 3. Nadomjesna shema mjerne ćelije

8.1.2. Industrijski pretvarači za pH metre GSP

Komplet automatskog industrijskog pH-metra sastoji se od potopnog senzora (tip DPg-4M) ili glavnog senzora (tip DM-5M), mjernog visokootpornog pretvornika i GSP sekundarnog uređaja za opću industrijsku namjenu. Zadatak mjernog uređaja koji se nalazi u kompletu pH metra je mjerenje EMF sustava elektroda, koji je u uvjetima konstantne temperature funkcija pH.

Točno mjerenje EMF mjerne ćelije pH metra, koji je izvor male snage, povezano je sa značajnim poteškoćama. Prvo, struja čija gustoća prelazi 10–7 A/cm2 ne može proći kroz mjernu ćeliju, jer može doći do pojave polarizacije elektrode, uslijed čega elektrode otkazuju. Druga značajna poteškoća leži u činjenici da se pri izravnom mjerenju EMF ćelije pH-metra s potrošnjom struje, na primjer, milivoltmetrom, stvara električni krug kroz koji teče struja, što je određeno zbrojem unutarnjeg otpor mjerne elektrode (oko 500 ... 1000 MΩ) i otpor mjernog uređaja. U tom slučaju moraju biti zadovoljeni brojni uvjeti: mjerna struja mora biti manja od struje polarizacije elektroda; unutarnji otpor uređaja mora biti najmanje 100 puta veći od otpora staklene elektrode, što je, međutim, u suprotnosti sa zahtjevom za visokom osjetljivošću uređaja. U tom smislu, pretvarači s izravnim mjerenjem EMF-a praktički se ne koriste.

Jedina metoda koja zadovoljava sve zahtjeve za mjerenje EMF ćelije pH metra je kompenzacijska (potenciometrijska) ili nulta metoda mjerenja, čija je glavna prednost odsutnost struje u trenutku očitanja. Međutim, ne treba pretpostaviti da kod metode kompenzacije elektroda uopće nije opterećena, pa je stoga isključena pojava polarizacije elektrode. Ovdje se strujni tok (unutar 10-12 A) objašnjava činjenicom da tijekom procesa mjerenja uvijek postoji neuravnoteženost, au vrijeme mjerenja kompenzacija se postiže samo s točnošću s kojom je osjetljivost nultog indikatora dopušta.

Trenutno se za mjerenje EMF elektrodnog sustava sa staklenom elektrodom koriste samo elektronički nulti indikatori (mjerni pretvarači) sa statičkom kompenzacijom. Pojednostavljeni blok dijagram koji objašnjava princip rada takvog pretvarača prikazan je na sl. 4. Pretvarač je istosmjerno pojačalo pokriveno dubokom negativnom povratnom spregom na izlaznu struju, što osigurava veliki ulazni otpor. Pojačalo je izgrađeno prema shemi za pretvaranje istosmjernog napona u izmjenični napon s naknadnom demodulacijom.

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

Izmjereni EMF E IA uspoređuje se s naponom U OUT koji nastaje iz protoka izlazne struje pojačala I OUT kroz otpornik R OS. Razlika ovih napona dovodi se na ulaz pojačala U IN = E IJ -U OUT . Ako je dobitak k \u003d U OUT / U IN, tada je E IA \u003d U OUT / (1 + 1 / k). Uz dovoljno veliku vrijednost k (k 500) E IA U OUT I OUT R OS , tj. jakost izlazne struje praktički je proporcionalna ulaznom signalu iz mjerne ćelije pH-metra.

Upotreba statičke kompenzacije omogućuje višestruko smanjenje struje potrošene iz mjerne ćelije tijekom procesa mjerenja.

Ovaj princip se provodi u gotovo svim industrijskim pH pretvaračima - mjeračima: pH-201, P201, P202, P205 (baza poluvodičkih elemenata) i u P215 (koristeći standardne mikro krugove).

8.1.3. Opis pretvarača P - 201

Industrijski pretvornici tipa P201 namijenjeni su za mjerenje aktivnosti vodikovih iona (pH vrijednost) otopina i pulpa u sustavima automatskog upravljanja i regulacije tehnoloških procesa.

Pretvornici su dizajnirani za rad sa svim komercijalno dostupnim pH osjetljivim elementima, kao što je DPg-4M; DM-5M i drugi.

Pretvarač ima naponske i strujne izlaze za spajanje sekundarnih uređaja s pripadajućim ulazom

signale.

Glavne tehničke karakteristike:

granice mjerenja

-1 do 14 pH

granica dopuštenih osnovnih smanjen

greške:

a) istosmjerni izlazni signali i

Istosmjerni napon

b) prema pokaznom instrumentu

mjerenje otpora stakla

elektroda

otpor pomoćne elektrode

vrijeme taloženja

ne više od 10 s

izlazna struja

izlazni napon

0 do 10 100 mV

Pretvarač je dizajniran za ugradnju u neposrednoj blizini industrijskih jedinica. Pretvornik se može sastojati od pokaznog uređaja uskog profila i samog pretvornika, postavljenih na jednoj zajedničkoj ploči ili odvojeno, ili samo jednog pretvornika. Izgled uređaja prikazan je na sl. 5.

Kućište 1 izrađeno je od čeličnog lima, poklopac 2 je lijevani, izrađen od aluminijske legure. Na prednjoj strani poklopca nalazi se natpis s oznakom uređaja, kapicom 3 i čepom 4.

Riža. 5. Izgled pretvarača P201

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

Riža. Slika 6. Shema vanjskih električnih priključaka pretvarača P-201: TRM - univerzalni mjerač-regulator; TKR - blok temperaturnih kompenzacijskih otpornika

8.1.4. Verifikacija i kalibracija automatskog pH metra

Trenutna provjera automatskog pH metra sastoji se u usporedbi njegovih očitanja s onima kontrolnog uređaja. Uz značajno odstupanje, očitanja uređaja koji se ispituje ispravljaju se pomoću kompenzatora ili promjenom kalibracije pretvarača pomoću gumba za podešavanje. Osim

Osim toga, potrebno je povremeno provesti detaljniju provjeru senzora i sonde.

Provjera senzora uključuje sljedeće radnje:

1) pažljivo vanjsko ispitivanje, posebno onih dijelova koji dolaze u dodir s mjerenim medijem;

2) provjera električnih krugova, posebno otpora izolacije stakla i krugova referentne elektrode

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

3) provjera karakteristika elektrodnog sustava puferskim otopinama s poznatom pH vrijednošću pomoću kontrolnog laboratorijskog pH metra.

Provjera pretvarača uključuje:

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

2) određivanje dodatnih mjernih pogrešaka pretvarača iz promjene otpora staklene elektrode R ST , promjene otpora referentne elektrode RSR

i promjena potencijala kontrolirane otopine E X .

Za kalibraciju ljestvice pH metara potrebno je imati simulator sustava elektroda I-01 ili I-02.

Simulator sustava elektroda omogućuje provjeru performansi senzora pH-metra; utjecaj promjena otpora elektroda i napona između otopine i tijela jedinice na očitanja uređaja; otpornost pH metara na buku.

Pomoću simulatora možete reproducirati sljedeće parametre sustava elektroda:

a) napon ekvivalentan EMF-u sustava elektroda, u rasponu od 0 do 1000 mV;

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

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

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

Simulator je električni ekvivalent sustava elektroda (slika 7) i dizajniran je kao prijenosni uređaj smješten u čeličnom kućištu s poklopcem koji se može skinuti.

I Z Rv

Riža. Slika 7. Nadomjesna shema simulatora sustava elektroda: R I – otpor mjerne staklene elektrode; R B je otpor pomoćne elektrode; E - ukupni EMF sustava elektroda: E G - EMF "zemlja - otopina".

Na prednjoj ploči simulatora nalaze se terminali za povezivanje s verificiranim pH metrom pomoću kabela koji je uključen u komplet. Tu se također nalaze i gumbi za podešavanje potrebnog izlaznog napona, otpora elektrode, kontroliranog potencijala otopine itd.

8.2. OPREMA I INSTRUMENTI

1. industrijski pretvarač P-201.

2. Simulator sustava elektroda I-02.

3. Mjerilo-regulator univerzalni višekanalni TPM 138.

8.3. REDOSLIJED RADA

1. Sastavite instalaciju za provjeru pretvarača P-201 pomoću simulatora I-02 u skladu sa shemom na sl. 8 spajanjem izlaza simulatora na ulaz "Meas" i "Aux" sonde preko koaksijalnog kabela.

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

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

3. Uključite postolje u napajanje.

Riža. 8. Shema provjere: 1 – simulator sustava elektroda I-02; 2 – sustav elektroda; 3 - pretvarač visokog otpora P-201; 4 - višekanalni mjerač-regulator TPM 138

4. Koristite strelice ^ v na TPM 138 za odabir kanala br. 5, kroz koji se EMF broji.

5. Provjerite pretvarač.

Za ovo:

5.1. Označite na tipkama prekidača "E, mV" simulatora EMF vrijednost koja odgovara pH vrijednosti digitalizirane oznake ljestvice. Prekidač “EX , mV” postavljen je u položaj “+” ili “-“ ovisno o predznaku EMF-a u kalibracijskoj tablici.

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

kOhm; EZ =0. Glavna pogreška provjerava se na svim digitaliziranim oznakama ljestvice tijekom hoda naprijed i nazad i izračunava se formulom = [(E -E 0) / (E K -E H)] 100%, gdje je E 0 tablični (stvarna vrijednost EMF sustava elektroda koji odgovara ovoj digitaliziranoj oznaci ljestvice, mV, E – stvarna vrijednost EMF-a, mV, E K , EN – vrijednosti EMF-a koje odgovaraju konačnoj i početnoj oznaci ljestvice.

6. Rezultate provjere predstaviti u izvješću.

Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije

Federalna agencija za obrazovanje

Država Saratov

Tehničko sveučilište

Mjerenje elektrodama

potencijala i emf

Smjernice

na kolegiju "Teorijska elektrokemija"

za studente specijalnosti

smjer 550800

Elektroničko izdanje za lokalnu distribuciju

Odobreno

uredništvo i nakladništvo

Vijeće u Saratovu

država

tehničko sveučilište

Saratov - 2006

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

Ilegalno kopiranje i korištenje ovog proizvoda je zabranjeno.

Sastavio:

Uredio

Recenzent

Znanstvena i tehnička knjižnica SSTU

Matični broj 060375-E

© Država Saratov

tehničko sveučilište, 2006

Uvod

Jedan od temeljnih pojmova elektrokemije jesu pojmovi elektrokemijskog potencijala i EMF elektrokemijskog sustava. Vrijednosti elektrodnih potencijala i EMF-a povezane su s takvim važnim karakteristikama otopina elektrolita kao što su aktivnost (a), koeficijent aktivnosti (f), brojevi prijenosa (n+, n-). Mjerenjem potencijala i EMF-a elektrokemijskog sustava mogu se izračunati a, f, n+, n - elektroliti.

Svrha smjernica je upoznati studente s teorijskim predodžbama o uzrocima preskoka potencijala između elektrode i otopine, s klasifikacijom elektroda, ovladati teorijskim osnovama kompenzacijske metode za mjerenje elektrodnih potencijala i EMF-a, primjenom ove metode za izračunati koeficijente aktivnosti i transportne brojeve iona u otopinama elektrolita.


Osnovni koncepti

Kad se metalna elektroda uroni u otopinu, na granici se pojavljuje dvostruki električni sloj i posljedično skok potencijala.

Pojava potencijalnog skoka uzrokovana je raznim razlozima. Jedan od njih je izmjena nabijenih čestica između metala i otopine. Kad se metal uroni u otopinu elektrolita, ioni metala, izlazeći iz kristalne rešetke i prelazeći u otopinu, unose u nju svoje pozitivne naboje, dok površina metala, na kojoj ostaje višak elektrona, postaje negativno nabijena.

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

Treći mogući razlog je sposobnost polarnih nenabijenih čestica da budu orijentirane adsorbirane blizu fazne granice. Kod usmjerene adsorpcije, jedan od krajeva dipola polarne molekule je okrenut prema sučelju, a drugi prema fazi kojoj određena molekula pripada.

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

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

Ravnotežni potencijal je potencijal karakteriziran uspostavljenom ravnotežom između metala i otopine soli. Uspostavljanje ravnotežnog stanja ne znači da se u elektrokemijskom sustavu uopće ne odvijaju nikakvi procesi. Izmjena iona između krute i tekuće faze se nastavlja, ali brzine takvih prijelaza postaju jednake. Ravnoteža na granici metal-otopina odgovara uvjetu

jaDo= iALI=iO , (1)

gdje jaDo je struja katode;

jaO – razmjena struje.

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

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

Cl- / hg2 Cl2 , hg

Srebro-kloridna elektroda:

Cl- / AgCl, Ag

živina sulfatna elektroda i drugi. U tablici su prikazani potencijali referentnih elektroda (prema vodikovoj skali).

Potencijal bilo koje elektrode - E, određen je pri danoj temperaturi i tlaku vrijednošću standardnog potencijala i aktivnostima tvari koje sudjeluju u reakciji elektrode.


Ako reakcija teče reverzibilno u elektrokemijskom sustavu

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

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

Elektrode druge vrste su metalne elektrode obložene teško topljivom soli tog metala i uronjene u otopinu jako topljive soli koja ima zajednički anion s teško topljivom soli: primjer su srebro-kloridne, kalomel elektrode itd.

Potencijal elektrode druge vrste, na primjer srebro-kloridne elektrode, opisuje se jednadžbom

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

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

Postoje jednostavne i složene redoks elektrode.

Kod jednostavnih redoks elektroda opaža se promjena valencije naboja čestica, ali kemijski sastav ostaje konstantan.

Fe3++e→ Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Ako oksidirane ione označimo kao Ox, a reducirane ione kao Red, tada se sve gore navedene reakcije mogu izraziti jednom općom jednadžbom

Vol+ e→ Crveno

Jednostavna redoks elektroda napisana je kao dijagram Crvena, Vol/ Pt, a njegov potencijal dan je jednadžbom

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

Razlika potencijala između dviju elektroda kada je vanjski krug isključen naziva se elektromotorna sila (EMS) (E) elektrokemijskog sustava.

E= E+ - E- (9)

Elektrokemijski sustav koji se sastoji od dvije jednake elektrode uronjene u otopinu istog elektrolita različitih koncentracija naziva se koncentracijska ćelija.

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

Eksperimentalna tehnika

Kompenzacijska metoda za mjerenje EMF i potencijala

Instrumenti i pribor: R-37/1 potenciometar, galvanometar, baterija, Weston ćelije, karbonske, bakrene, cinkove elektrode, otopine elektrolita, srebro-kloridna referentna elektroda, elektrolitički ključ, elektrokemijska ćelija.

Sastavite dijagram instalacije (Sl. 2)

e. ja – elektrokemijska ćelija;

e. i. – ispitivana elektroda;

e. S. – referentna elektroda;

e. k. - elektrolitički ključ.

DIV_ADBLOCK84">

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

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

Zadatak 4

Mjerenje potencijala jednostavnog redoks sustava Mn+7, Mn2+ grafita.

koncentracija iona Mn2+ je konstantna i iznosi 0,5 g-ion/l

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

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

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

Obrada eksperimentalnih podataka

1. Svi dobiveni eksperimentalni podaci moraju se pretvoriti u vodikovo mjerilo.

3. Konstruirajte grafičku ovisnost potencijala o koncentraciji u koordinatama E, lgC, izvedite zaključak o prirodi utjecaja koncentracije iona koji određuju potencijal na vrijednost potencijala elektrode.

4. Za elemente koncentracije (zadatak 2) izračunajte skok difuzijskog potencijala φα pomoću jednadžbe

φα = (10)

pri mjerenju EMF metodom kompenzacije

1. Potenciometar mora biti uzemljen prije rada.

2. Kada radite s baterijama, morate:

Koristite za provjeru napona na stezaljkama prijenosnim voltmetrom;

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

3. Nakon posla isključite sve uređaje.

Književnost

1. Antropovljeva elektrokemija:

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

2.-Rotinyan elektrokemija: udžbenik / ,

L.: Kemija, str.

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

Što EMF(elektromotorna sila) u fizici? Električnu struju ne razumiju svi. Kao svemirska daljina, samo pod samim nosom. Općenito, ni znanstvenici ga ne razumiju u potpunosti. Dovoljno za sjećanje Nikola Tesla sa svojim slavnim eksperimentima, stoljećima ispred svog vremena, au oreolu tajanstvenosti i danas. Danas ne rješavamo velike misterije, ali ih pokušavamo dokučiti što je emf u fizici.

Definicija EMF-a u fizici

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

Elektromotorna sila- skalarna fizička veličina koja karakterizira rad vanjskih sila ( sile neelektričnog porijekla) koji rade u električnim krugovima izmjenične i istosmjerne struje.

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

napon(između točaka A i B) - fizikalna veličina jednaka radu efektivnog električnog polja pri prijenosu jediničnog probnog naboja iz jedne točke u drugu.

Objašnjavamo suštinu EMF-a "na prstima"

Da bismo razumjeli što je što, možemo dati primjer analogije. Zamislite da imamo vodotoranj potpuno ispunjen vodom. Usporedite ovaj toranj s baterijom.

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

Isto je i s baterijom. Prvo uključimo naš izvor struje (bateriju) u krug, zatvarajući ga. Neka to bude sat ili svjetiljka. Dok je razina napona dovoljna i baterija nije ispražnjena, svjetiljka jako svijetli, a zatim se postupno gasi dok se potpuno ne ugasi.

Ali kako osigurati da tlak ne nestane? Drugim riječima, kako održati stalnu razinu vode u tornju, te stalnu razliku potencijala na polovima izvora struje. Po uzoru na toranj, EMF je predstavljen kao pumpa, koja osigurava dotok nove vode u toranj.

Priroda emf

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

  • Kemijska emf. Pojavljuje se u baterijama i akumulatorima zbog kemijskih reakcija.
  • Termo EMF. Pojavljuje se kada su spojeni kontakti različitih vodiča na različitim temperaturama.
  • EMF indukcije. Javlja se u generatoru kada se rotirajući vodič stavi u magnetsko polje. EMF će biti induciran u vodiču kada vodič prelazi preko linija sile konstantnog magnetskog polja ili kada magnetsko polje mijenja veličinu.
  • Fotoelektrični EMF. Pojavu ovog EMF-a olakšava fenomen vanjskog ili unutarnjeg fotoelektričnog efekta.
  • Piezoelektrična emf. EMF nastaje kada se tvar rasteže ili komprimira.

Dragi prijatelji, danas smo razmatrali temu "EMF za lutke". Kao što vidite, EMF sila neelektričnog porijekla, koji održava protok električne struje u krugu. Ako želite znati kako se rješavaju problemi s EMF-om, savjetujemo vam da kontaktirate naši autori– pomno odabrani i provjereni stručnjaci koji će vam brzo i jasno objasniti tijek rješavanja bilo kojeg tematskog problema. I tradicionalno, na kraju vas pozivamo da pogledate video treninga. Ugodno gledanje i sretno s učenjem!

Instrumenti za mjerenje temperature tekućih metala i EMF senzora aktivnosti kisika iM Sensor Lab dizajnirani su za mjerenje termo-EMF-a koji dolazi iz primarnih termoelektričnih pretvarača koji mjere temperaturu tekućih metala (lijevano željezo, čelik, bakar i drugi) i EMF-a generiranog senzori aktivnosti kisika.

Opis

Princip rada

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

U procesu mjerenja temperature vrši se analiza promjene dolaznog ulaznog signala kako bi se odredio njegov izlaz na stabilna očitanja (karakterizirana parametrima tzv. "temperaturnog područja", određenog duljinom (vrijeme) i visina (promjena temperature). Ako tijekom vremena određenog duljinom područja, stvarna promjena temperature ne premaši svoju specificiranu visinu (tj. dopuštenu promjenu temperature), tada se područje smatra odabranim. Zatim, iM Sensor Lab uređaj za mjerenje temperature tekućih metala i EMF senzora aktivnosti kisika usrednjava vrijednosti sata temperature izmjerene na duljini odabranog područja, te prikazuje prosječnu vrijednost kao rezultat mjerenja na ekranu.

Na sličan način se dodjeljuju područja koja odgovaraju izlazu EMF-a do stabilnih očitanja, čije su dimenzije također postavljene duljinom (vrijeme) i visinom (dopuštena promjena vrijednosti EMF-a).

Osim mjerenja temperature kupelji, uređaj omogućuje određivanje temperature likvidusa tekućeg čelika, koja se može preračunati prema empirijskoj jednadžbi udjela ugljika. Prema rezultatima mjerenja EMF-a generiranog senzorima aktivnosti kisika, aktivnost kisika u tekućem čeliku, lijevanom željezu i bakru, sadržaj ugljika u čeliku, sadržaj sumpora i silicija u lijevanom željezu, aktivnost FeO (FeO + MnO ) u tekućim metalurškim troskama i neki drugi parametri određuju se proračunom povezanim s toplinskim stanjem i kemijskim sastavom tekućih metala. Uređaj također ima mogućnost određivanja razine kupke (položaj granice troske i metala) analizom brzine promjene temperature kada je termoelement uronjen u kupku i određivanjem debljine sloja troske posebnim sondama.

Instrumenti za mjerenje temperature tekućih metala i EMF senzora aktivnosti kisika iM2 Sensor Lab imaju dvije modifikacije koje se razlikuju u prisutnosti ili odsutnosti LCD zaslona osjetljivog na dodir (slika 1). U nedostatku zaslona, ​​uređajem se upravlja s vanjskog računala ili s industrijskog tableta. U tom slučaju isporučuje se poseban softver za komunikaciju između njih.

Zaslon osjetljiv na dodir nalazi se na prednjoj ploči kućišta instrumenta i prikazuje tijek mjerenja, njegove rezultate i ostale informacije vezane uz mjerenja u digitalnom i grafičkom obliku. Na ekranu se također prikazuje izbornik u obliku tekstualnih kartica, koji služi za upravljanje uređajem, njegovu dijagnostiku i pregled podataka o izvršenju.

List br. 2 Ukupno listova 4

prethodna mjerenja. U modifikaciji "bez zaslona" sve gore navedene informacije prikazuju se na zaslonu računala ili industrijskog tableta.

Elektroničke ploče uređaja za mjerenje temperature tekućih metala i EMF senzora aktivnosti kisika iM2 Sensor Lab ugrađene su u čelično kućište otporno na prašinu izrađeno prema 19” standardu za montažu na montažni stalak ili ugradnju u štit.

Signali iz primarnih pretvarača mogu se prenijeti do uređaja na dva načina - kabelom i radiom. U potonjem slučaju, uređaj je spojen na prijemnu jedinicu (Receiver Box) putem serijskog sučelja, a na ručki potopnih šipki ugrađen je odašiljač (QUBE) koji signale sa senzora pretvara u radio signale koji se prenose na prijemnu jedinicu. Potonji ih prima i prenosi u uređaj za obradu.

Uređaj nije zapečaćen.

Softver

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

Dizajn MI isključuje mogućnost neovlaštenog utjecaja na softver mjernog instrumenta i mjerne informacije.

Razina zaštite firmvera od nenamjernih i namjernih izmjena

Visoko prema R 50.2.077-2014.

Tehnički podaci

Mjeriteljsko-tehničke karakteristike uređaja za mjerenje temperature tekućih metala i EMF senzora aktivnosti kisika iM2 Sensor Lab dane su u tablici 1. Tablica 1.

* - bez uzimanja u obzir pogreške primarnog pretvarača, produžnog kabela i EMF senzora.

Oznaka homologacije tipa

Oznaka odobrenja tipografski se nanosi na naslovnu stranicu pogonske dokumentacije tipografskom metodom i na prednjoj ploči instrumenta metodom offset tiska.

Potpunost

Kompletnost mjernog instrumenta data je u tablici 2. Tablica 2

Verifikacija

provodi se prema MP RT 2173-2014 „Instrumenti za mjerenje temperature tekućih metala i EMF senzora aktivnosti kisika iM2 Sensor Lab. Metodologija provjere”, odobren od strane GCI SI FBU “Rostest-Moskva” 26. listopada 2014.

Glavna sredstva provjere dana su u tablici 3. Tablica 3

Informacije o metodama mjerenja

Informacije o metodama mjerenja nalaze se u uputama za uporabu.

Regulatorni i tehnički dokumenti koji utvrđuju zahtjeve za instrumente za mjerenje temperature tekućih metala i EMF senzora aktivnosti kisika iM2 Sensor Lab

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

2 GOST R 52931-2008 „Instrumenti za nadzor i regulaciju tehnoloških procesa. Opći tehnički uvjeti«.

3 GOST R 8.585-2001 “GSP. Termoparovi. Nazivne statičke karakteristike pretvorbe.

4 GOST 8.558-2009 “GSP. Državna shema ovjeravanja instrumenata za mjerenje temperature.

prilikom obavljanja poslova ocjenjivanja sukladnosti proizvoda i drugih predmeta s obveznim zahtjevima u skladu sa zakonodavstvom Ruske Federacije o tehničkim propisima.