Dom > ZANIM > termopary. Sprzęt pomiarowy Procedura pracy


termopary. Sprzęt pomiarowy Procedura pracy




9.1. Cel

Wyznaczanie zależności siły termoelektromotorycznej termopary od różnicy temperatur złączy.

W obwodzie zamkniętym (ryc. 9.1), składającym się z różnych przewodników (lub półprzewodników) A i B, powstaje siła elektromotoryczna (emf) E T i płynie prąd, jeśli styki 1 i 2 tych przewodów są utrzymywane w różnych temperaturach T 1 i T 2 . ten emf nazywa się siłą termoelektromotoryczną (termo-emf), a obwód elektryczny dwóch różnych przewodników nazywa się termoparą. Gdy zmienia się znak różnicy temperatur między złączami, zmienia się kierunek prądu termopary. to
zjawisko to nazywa się zjawiskiem Seebecka.

Istnieją trzy znane przyczyny występowania termo-EMF: powstawanie ukierunkowanego przepływu nośników ładunku w przewodniku w obecności gradientu temperatury, przeciąganie elektronów przez fonony oraz zmiana położenia poziomu Fermiego w zależności od temperatury. Rozważmy te powody bardziej szczegółowo.

W obecności gradientu temperatury dT/dl wzdłuż przewodnika elektrony na jego gorącym końcu mają większą energię kinetyczną, a co za tym idzie większą prędkość ruchu chaotycznego w porównaniu z elektronami na zimnym końcu. W rezultacie następuje dominujący przepływ elektronów z gorącego końca przewodnika do zimnego, na zimnym końcu gromadzi się ładunek ujemny, a na gorącym końcu pozostaje nieskompensowany ładunek dodatni.

Akumulacja trwa do momentu, w którym powstała różnica potencjałów spowoduje równy przepływ elektronów. Suma algebraiczna takich różnic potencjałów w obwodzie tworzy składową objętościową termoemfa.

Ponadto istniejący gradient temperatury w przewodniku prowadzi do dominującego ruchu (dryfu) fononów (kwantów energii drgań sieci krystalicznej przewodnika) od gorącego końca do zimnego. Istnienie takiego dryfu prowadzi do tego, że elektrony rozproszone przez same fonony zaczynają wykonywać ukierunkowany ruch od gorącego końca do zimnego. Nagromadzenie elektronów na zimnym końcu przewodnika i wyczerpywanie się elektronów z gorącego końca prowadzi do pojawienia się składnika fononowego termoemfa. Co więcej, w niskich temperaturach udział tego składnika jest główny w powstawaniu termicznego emf.

W wyniku obu procesów wewnątrz przewodnika powstaje pole elektryczne skierowane zgodnie z gradientem temperatury. Intensywność tego pola można przedstawić jako

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

gdzie β = dφ / dT.

Zależność (9.1) wiąże natężenie pola elektrycznego E z gradientem temperatury dT / dl. Wynikowe pole i gradient temperatury mają przeciwne kierunki, więc mają różne znaki.

Pole określone wyrażeniem (9.1) jest polem sił zewnętrznych. Całkując natężenie tego pola na odcinku obwodu AB (ryc. 9.1) od złącza 2 do złącza 1 i zakładając, że T 2 > T 1, otrzymujemy wyrażenie na termoemf działający na ten odcinek:



(Znak zmienił się, gdy zmieniły się granice całkowania.) Podobnie wyznaczamy termoemf działający w sekcji B od złącza 1 do złącza 2.

Trzeci powód występowania termo-emf. jest zależnym od temperatury położeniem poziomu Fermiego, który odpowiada najwyższemu poziomowi energii zajmowanemu przez elektrony. Poziom Fermiego odpowiada energii Fermiego E F, jaką mogą mieć elektrony na tym poziomie.

Energia Fermiego to maksymalna energia, jaką mogą mieć elektrony przewodzące w metalu w temperaturze 0 K. Poziom Fermiego będzie tym wyższy, im większa będzie gęstość gazu elektronowego. Na przykład (Rysunek 9.2), E FA to energia Fermiego dla metalu A, a E FB dla metalu B. Wartości E PA i E PB to najwyższa energia potencjalna elektronów odpowiednio w metalach A i B. Kiedy dwa różne metale A i B stykają się, obecność różnicy poziomów Fermiego (E FA > E FB) prowadzi do przejścia elektronów z metalu A (o wyższym poziomie) do metalu B (o niskim poziomie Fermiego) .

W tym przypadku metal A jest naładowany dodatnio, a metal B jest naładowany ujemnie. Pojawienie się tych ładunków powoduje przesunięcie poziomów energetycznych metali, w tym poziomów Fermiego. Gdy tylko poziomy Fermiego wyrównają się, przyczyna, która powoduje preferencyjne przejście elektronów z metalu A do metalu B, znika i ustala się dynamiczna równowaga między metalami. z ryc. 9.2 widać, że energia potencjalna elektronu w metalu A jest mniejsza niż w B o wartość E FA-E FB. W związku z tym potencjał wewnątrz metalu A jest wyższy niż wewnątrz B o wartość)

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


To wyrażenie podaje wewnętrzną różnicę potencjałów kontaktowych. Potencjał maleje o tę wartość podczas przejścia z metalu A do metalu B. Jeśli oba złącza termopary (patrz ryc. 9.1) mają tę samą temperaturę, wówczas różnice potencjałów styku są równe i skierowane w przeciwnych kierunkach.

W tym przypadku znoszą się nawzajem. Wiadomo, że poziom Fermiego, choć słabo, zależy od temperatury. Dlatego, jeśli temperatura złączy 1 i 2 jest różna, wówczas różnica U AB (T 1) - U AB (T 2) na stykach daje udział styku w emf cieplnym. Można to porównać z wolumetrycznym termoemfem. i jest równe:

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

Ostatnie wyrażenie można przedstawić w następujący sposób:

Wynikowy termoemf. (ε T) składa się ze siły elektromotorycznej działającej w stykach 1 i 2 oraz siły elektromotorycznej działającej w sekcjach A i B.

mi T = mi 2A1 + mi 1B2 + mi cd.

Podstawiając wyrażenia (9.3) i (9.6) do (9.7) i wykonując przekształcenia, otrzymujemy

gdzie α = β - ((1/l) (dE F / dT))

Wartość α nazywana jest współczynnikiem termoemf. Ponieważ zarówno β, jak i dE F / d T zależą od temperatury, współczynnik α jest również funkcją T.

Biorąc pod uwagę (9.9), wyrażenie na termo-EMF można przedstawić jako:


Nazywa się wielkość α AB mechanizm różnicowy lub o godz oddzielny termo-EMF ta para metali. Mierzona jest w W/K i zasadniczo zależy od rodzaju stykających się materiałów oraz zakresu temperatur, sięgając około 10 -5 ÷10 -4 V/K. W małym zakresie temperatur (0-100°C) specyficzny termo-emf. słabo zależny od temperatury. Wtedy wzór (9.11) można przedstawić z wystarczającą dokładnością w postaci:

E T \u003d α (T 2 - T 1)

W półprzewodnikach, w przeciwieństwie do metali, występuje silna zależność stężenia nośników ładunku i ich ruchliwości od temperatury. Dlatego omówione powyżej efekty, prowadzące do powstania termicznej siły elektromotorycznej, są bardziej widoczne w półprzewodnikach; znacznie więcej i osiąga wartości rzędu 10 -3 V/K.

9.3. Opis wyposażenia laboratorium

Aby zbadać zależność termo-emf. na różnicę temperatur złączy (styków), w niniejszej pracy wykorzystujemy termoparę wykonaną z dwóch kawałków drutu, z których jeden jest stopem na bazie chromu (chromel), a drugi stopem na bazie aluminium (alumel) . Jedno złącze wraz z termometrem umieszcza się w naczyniu z wodą, którego temperaturę T 2 można zmienić, ogrzewając na kuchence elektrycznej. Temperatura drugiego złącza T 1 jest utrzymywana na stałym poziomie (ryc. 9.3). Wynikowy emf termiczny. mierzone woltomierzem cyfrowym.

9.4. Technika eksperymentalna i przetwarzanie wyników
9.4.1. Technika eksperymentalna

Wykorzystujemy bezpośrednie pomiary siły elektromotorycznej powstającej w termoparze. Temperaturę połączeń określa się na podstawie temperatury wody w naczyniach za pomocą termometru (patrz ryc. 9.3)

9.4.2. Porządek pracy

  1. Podłącz przewód zasilający woltomierza do sieci.
  2. Naciśnij przycisk zasilania na przednim panelu woltomierza cyfrowego. Pozwól urządzeniu rozgrzać się przez 20 minut.
  3. Poluzuj śrubę zaciskową na podstawce termopary, podnieś ją i zabezpiecz. Wlej zimną wodę do obu szklanek. Uwolnić złącza termopary do zlewek na mniej więcej połowę głębokości wody.
  4. Wpisz do tabeli. 9.1 wartość temperatury początkowej T 1 złączy (wody) według termometru (dla drugiego złącza pozostaje stała przez cały czas trwania doświadczenia).
  5. Włącz kuchenkę elektryczną.
  6. Zapisz wartości emf. i temperaturę T 2 w tabeli. 9,1 co dziesięć stopni.
  7. Gdy woda się zagotuje, wyłącz kuchenkę elektryczną i woltomierz.

9.4.3. Przetwarzanie wyników pomiarów

  1. Na podstawie danych pomiarowych sporządzić wykres zależności SEM. termopary 8T (oś rzędnych) na różnicy temperatur złączy ΔT \u003d T 2 - T 1 (oś odciętych).
  2. Korzystając z otrzymanego wykresu liniowej zależności ET od ∆T, wyznacz właściwą termiczną siłę elektromotoryczną. wg wzoru: α = ∆E T / ∆(∆T)

9.5. Lista kontrolna
  1. Jaka jest istota i jaka jest natura zjawiska Seebecka?
  2. Co powoduje występowanie składowej objętościowej termoemfa?
  3. Co powoduje pojawienie się składnika fononowego termoemfa?
  4. Co powoduje kontaktową różnicę potencjałów?
  5. Jakie urządzenia nazywane są termoparami i gdzie są używane?
  6. Jaka jest istota i jaka jest natura zjawisk Peltiera i Thomsona?
  1. Savelyev IV Kurs fizyki ogólnej. T.3. - M.: Nauka, 1982. -304 s.
  2. Epifanov GI Fizyka ciała stałego. M.: Szkoła wyższa, 1977r. - 288 s.
  3. Sivukhin DV Ogólny kurs fizyki. Elektryczność. T.3. - M.: Nauka, 1983. -688 s.
  4. Trofimova T. I. Kurs fizyki. M. : Szkoła wyższa, 1985r. - 432 s.
  5. Detlaf AA, kurs fizyki Yavorsky VM. M. : Szkoła wyższa, 1989r. - 608 s.

rozwiązanie ziruemogo na jednostkę. W pomiarach produkcyjnych nie stosuje się elektrod wodorowych, ponieważ są one niewygodne w użyciu.

8.1.1. cela pomiarowa pH-metr

W Ze względu na to, że potencjału elektrody nie można zmierzyć bezpośrednio, w metodzie potencjometrycznej stosuje się ogniwo galwaniczne, w którym jedna elektroda jest elektrodą pomiarową, a druga elektrodą odniesienia (lub pomocniczą), której potencjał nie zależą od stężenia badanych jonów w roztworze. Elektrodę pomiarową umieszcza się w analizowanym

ciekłym, powstaje na nim skok potencjału EX, określony przez stężenie jonów w tym ośrodku. Potencjał elektrody odniesienia musi zawsze pozostawać stały niezależnie od zmian składu ośrodka.

W jako elektrody pomiarowe stosowane są elektrody szklane, których część wskaźnikowa wykonana jest ze specjalnego rodzaju szkła z funkcją wodorową. Jako elektrodę odniesienia lub pomocniczą najczęściej stosuje się elektrody kalomelowe lub chlorkowo-srebrowe. Należą one do elektrod tzw. drugiego rodzaju, które składają się z metalu, jego trudno rozpuszczalnej soli oraz trudno rozpuszczalnej soli z takim samym anionem jak trudno rozpuszczalna sól.

Ogólny widok celi ze szklaną elektrodą pomiarową przedstawiono na rys. 1, gdzie 1 to szklana elektroda wskaźnikowa, 2 to kalomelowa elektroda odniesienia.

SEM czujnika elektrody pehametru składa się z kilku potencjałów:

E komórka \u003d mi k + mi vn + mi x + mi cf + mi d,

gdzie E k jest różnicą potencjałów między stykową elektrodą pomocniczą a roztworem wypełniającym elektrodę szklaną; E ext - różnica potencjałów pomiędzy roztworem a wewnętrzną powierzchnią membrany pomiarowej; E x jest różnicą potencjałów między zewnętrzną powierzchnią szklanej membrany a kontrolowanym medium (funkcja pH); E cf to różnica potencjałów na granicy rtęć (Hg) - kalomel (Hg 2 Cl 2); E d - potencjał dyfuzyjny na granicy styku dwóch ośrodków - KCl i środowiska kontrolowanego. Chloe

Ride potasowa KCl pełni rolę klucza elektrolitycznego łączącego analizowany roztwór z elektrodą.

Ryż. 1. Obwód elektryczny celi pomiarowej pehametru

W tym przypadku wartości Ek, Evn, Ev są stałe i nie zależą od składu analizowanej pożywki. Potencjał dyfuzyjny E d jest bardzo mały i można go pominąć. Zatem całkowite pole elektromagnetyczne jest określone przez aktywność jonów wodorowych: komórka E \u003d E x + E.

Zatem komórka E \u003d f (pH), to znaczy komórka E jest liniową funkcją pH, która jest używana w elektrycznym pomiarze pH.

Zależność pola elektromagnetycznego ogniwa elektrody E od pH jest określona przez właściwości elektrody szkła i jest scharakteryzowana przez współczynnik nachylenia S charakterystyki układu elektrod S= E/pH. Zmiana temperatury analizowanego roztworu wpływa na SEM układu elektrod, zmieniając nachylenie nominalnej charakterystyki statycznej (NSH) elektrody pomiarowej. Jeśli wyrazimy tę zależność graficznie (ryc. 2), to otrzymamy wiązkę przecinających się linii. Współrzędne punktu przecięcia prostych nazywane są współrzędnymi punktu izopotencjalnego (Е Н , рН Н ) i są najważniejszymi cechami układu elektrod, które są kierowane przez obliczenia obwodu kompensacji temperatury pH-metr. Kompensacja temperaturowa zmian pola elektromagnetycznego układu elektrod z reguły odbywa się automatycznie (za pomocą TS zawartego w obwodzie przemysłowego przetwornika pehametru).

>> R ST.

Ryż. 2. NSH elektrody pomiarowej

Celę pomiarową ze szklaną elektrodą można przedstawić jako obwód zastępczy (rys. 3). Rezystancja ogniwa R jest bardzo duża ze względu na dużą rezystancję szklanej membrany elektrody R st (ogniwo R 500 MΩ), dlatego przepływ małych prądów przez rezystancję wewnętrzną ogniwa spowoduje duży błąd pomiaru:

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

Z ostatniej równości widać, że główny warunek pomiaru U IN = E YCH może być spełniony, jeśli R IN >> RCH , tj.

R IN

Ryż. 3. Obwód zastępczy celi pomiarowej

8.1.2. Przetworniki przemysłowe do pH-metrów GSP

Zestaw automatycznego pehametru przemysłowego składa się z czujnika zanurzeniowego (typu DPg-4M) lub czujnika głównego (typu DM-5M), przetwornika pomiarowego wysokorezystancyjnego oraz urządzenia wtórnego GSP do ogólnych zastosowań przemysłowych. Zadaniem przyrządu pomiarowego wchodzącego w skład zestawu pehametru jest pomiar pola elektromagnetycznego układu elektrod, które w warunkach stałej temperatury jest funkcją pH.

Dokładny pomiar pola elektromagnetycznego celi pomiarowej pehametru, który jest źródłem małej mocy, wiąże się ze znacznymi trudnościami. Po pierwsze, przez celę pomiarową nie może przepłynąć prąd o gęstości przekraczającej 10–7 A/cm2, ponieważ może wystąpić zjawisko polaryzacji elektrod, w wyniku czego elektrody ulegają uszkodzeniu. Druga istotna trudność polega na tym, że podczas bezpośredniego pomiaru pola elektromagnetycznego ogniwa pehametru z poborem prądu, na przykład miliwoltomierza, powstaje obwód elektryczny, przez który przepływa prąd, który jest określony przez sumę wewnętrznego rezystancja elektrody pomiarowej (około 500 ... 1000 MΩ) i rezystancja urządzenia pomiarowego. W takim przypadku musi być spełnionych kilka warunków: prąd pomiarowy musi być mniejszy niż prąd polaryzacji elektrod; rezystancja wewnętrzna urządzenia musi być co najmniej 100 razy większa niż rezystancja elektrody szklanej, co jednak kłóci się z wymogiem wysokiej czułości urządzenia. Pod tym względem konwertery z bezpośrednim pomiarem pola elektromagnetycznego praktycznie nie są używane.

Jedyną metodą spełniającą wszystkie wymagania dotyczące pomiaru pola elektromagnetycznego ogniwa pehametru jest kompensacyjna (potencjometryczna) lub zerowa metoda pomiaru, której główną zaletą jest brak prądu w czasie odczytu. Nie należy jednak zakładać, że przy metodzie kompensacji elektroda w ogóle nie jest obciążona, a zatem zjawisko polaryzacji elektrody jest wykluczone. Tutaj przepływ prądu (w granicach 10-12 A) tłumaczy się tym, że podczas procesu pomiaru zawsze występuje asymetria, aw czasie pomiaru kompensacja jest osiągana tylko z dokładnością, z jaką czułość wskaźnika zerowego pozwala.

Obecnie do pomiaru EMF układu elektrodowego z elektrodą szklaną stosuje się wyłącznie elektroniczne wskaźniki zerowe (przetworniki pomiarowe) z kompensacją statyczną. Uproszczony schemat blokowy wyjaśniający zasadę działania takiego konwertera pokazano na rys. 4. Przetwornica jest wzmacniaczem DC objętym głębokim ujemnym sprzężeniem zwrotnym na prąd wyjściowy, co zapewnia dużą rezystancję wejściową. Wzmacniacz jest zbudowany zgodnie z obwodem konwersji napięcia stałego na napięcie przemienne z późniejszą demodulacją.

Ryż. Rys. 4. Schemat strukturalny metody pomiaru pola elektromagnetycznego celi pehametru

Zmierzoną EMF E IA porównuje się z napięciem U OUT powstałym z przepływu prądu wyjściowego wzmacniacza I OUT przez rezystor R OS. Różnica między tymi napięciami podawana jest na wejście wzmacniacza U IN = E IJ -U OUT . Jeśli wzmocnienie k \u003d U OUT / U IN, to E IA \u003d U OUT / (1 + 1 / k). Przy odpowiednio dużej wartości k (k 500) E IA U OUT I OUT R OS , tj. natężenie prądu wyjściowego jest praktycznie proporcjonalne do sygnału wejściowego z celi pomiarowej pehametru.

Zastosowanie kompensacji statycznej pozwala wielokrotnie zmniejszyć prąd pobierany z celi pomiarowej podczas procesu pomiarowego.

Zasada ta jest realizowana w prawie wszystkich przemysłowych przetwornikach pH - miernikach: pH-201, P201, P202, P205 (podstawa elementu półprzewodnikowego) oraz w P215 (z wykorzystaniem standardowych mikroukładów).

8.1.3. Opis konwertera P - 201

Przetworniki przemysłowe typu P201 przeznaczone są do pomiaru aktywności jonów wodorowych (wartości pH) roztworów i mas w układach automatycznej kontroli i regulacji procesów technologicznych.

Przetworniki są przystosowane do współpracy z dowolnymi dostępnymi na rynku elementami czułymi na pH, takimi jak DPg-4M; DM-5M i inne.

Przetwornica posiada wyjścia napięciowe i prądowe do podłączenia urządzeń wtórnych z odpowiednim wejściem

sygnały.

Główne cechy techniczne:

granice pomiaru

-1 do 14 pH

limit dozwolonej podstawowej obniżony

błędy:

a) Sygnały wyjściowe DC i

Napięcie prądu stałego

b) zgodnie z przyrządem wskazującym

pomiar rezystancji szkła

elektroda

rezystancja elektrody pomocniczej

czas ustalania

nie więcej niż 10 sek

prąd wyjściowy

napięcie wyjściowe

0 do 10 100 mV

Przetwornica przeznaczona jest do montażu w bliskiej odległości od jednostek przemysłowych. Przetwornik może składać się z wąskoprofilowego urządzenia wskazującego i samego przetwornika, montowanych na jednym wspólnym panelu lub osobno, albo tylko z jednego przetwornika. Wygląd urządzenia pokazano na ryc. 5.

Obudowa 1 wykonana jest z blachy stalowej, pokrywa 2 jest odlewana ze stopu aluminium. Na przedniej stronie pokrywy znajduje się napis z indeksem urządzenia, zaślepka 3 oraz zaślepka gwintowana 4.

Ryż. 5. Wygląd konwertera P201

Wewnątrz obudowy montowana jest ramka, która służy jako podstawa do montażu wszystkich bloków i elementów urządzenia. Na płycie czołowej przetwornika, znajdującej się pod pokrywą, wyświetlane są osie rezystorów zmiennych, służących do zmiany granic pomiarowych przetworników. Blok z zaciskami do zewnętrznych połączeń elektrycznych znajduje się w zamykanej komorze, dostęp do niego jest zapewniony z tylnej ściany obudowy. Przewody wprowadza się do komory przez cztery dławiki w dolnej ściance urządzenia (rys. 6).

Ryż. Rys. 6. Schemat zewnętrznych połączeń elektrycznych przetwornicy P-201: TRM - miernik-regulator uniwersalny; TKR - blok rezystorów kompensacji temperatury

8.1.4. Weryfikacja i kalibracja automatycznego pehametru

Bieżąca weryfikacja pehametru automatycznego polega na porównaniu jego wskazań z odczytami przyrządu kontrolnego. Przy znacznej rozbieżności odczyty badanego urządzenia są korygowane za pomocą kompensatora lub poprzez zmianę kalibracji przetwornika za pomocą pokręteł strojenia. Oprócz

Ponadto okresowo należy przeprowadzać bardziej szczegółową kontrolę czujnika i przetwornika.

Sprawdzenie czujnika obejmuje następujące czynności:

1) staranne oględziny zewnętrzne, zwłaszcza tych części, które mają kontakt z mierzonym medium;

2) sprawdzenie obwodów elektrycznych, w szczególności rezystancji izolacji szkła i obwodów elektrody odniesienia z

w stosunku do obudowy, która musi wynosić odpowiednio co najmniej 1012 omów i 2108 omów;

3) sprawdzenie charakterystyki układu elektrod roztworami buforowymi o znanej wartości pH za pomocą kontrolnego pehametru laboratoryjnego.

Weryfikacja konwertera obejmuje:

1) wyznaczenie głównego błędu pomiarowego przetwornika i korekta jego kalibracji;

2) wyznaczenie dodatkowych błędów pomiarowych przetwornika od zmiany rezystancji elektrody szklanej R ST , zmiany rezystancji elektrody odniesienia RSR

oraz zmiana potencjału kontrolowanego roztworu E X .

Do kalibracji skali pehametrów niezbędny jest symulator układu elektrod I-01 lub I-02.

Symulator układu elektrod umożliwia sprawdzenie działania czujnika pehametru; wpływ zmian rezystancji elektrod i napięcia między roztworem a korpusem urządzenia na odczyty urządzenia; odporność na zakłócenia pH-metrów.

Za pomocą symulatora można odtworzyć następujące parametry układu elektrod:

a) napięcie równoważne SEM układu elektrod, w zakresie od 0 do 1000 mV;

b) rezystancja równoważna rezystancji elektrody szklanej: 0; 500 i 1000 MΩ;

c) rezystancja równoważna rezystancji elektrody pomocniczej: 10 i 20 kOhm;

d) napięcie równoważne EMF „ziemia - rozwiązanie”: 0 i

Symulator jest elektrycznym odpowiednikiem układu elektrod (rys. 7) i jest zaprojektowany jako przenośne urządzenie umieszczone w stalowej obudowie ze zdejmowaną pokrywą.

EW Rv

Ryż. Rys. 7. Obwód zastępczy symulatora układu elektrod: RI – rezystancja szklanej elektrody pomiarowej; R B jest rezystancją elektrody pomocniczej; E - całkowita EMF układu elektrod: E G - EMF "ziemia - rozwiązanie".

Na przednim panelu symulatora znajdują się zaciski umożliwiające podłączenie go do legalizowanego pehametru za pomocą przewodu znajdującego się w zestawie. Znajdują się tam również pokrętła do ustawiania wymaganego napięcia wyjściowego, rezystancji elektrody, kontrolowanego potencjału roztworu itp.

8.2. WYPOSAŻENIE I INSTRUMENTY

1. konwerter przemysłowy P-201.

2. Symulator układu elektrod I-02.

3. Miernik-regulator uniwersalny wielokanałowy TPM 138.

8.3. KOLEJNOŚĆ PRACY

1. Zmontować instalację w celu weryfikacji konwertera P-201 za pomocą symulatora I-02 zgodnie ze schematem z rys. 8 poprzez podłączenie wyjścia symulatora do wejść „Meas” i „Aux” przetwornika kablem koncentrycznym.

2. Przygotuj symulator do pracy. Aby to zrobić, naciśnij przełączniki symulatora: „R I” – przycisk 500; „EЗР”, „RВ” - przyciski

„00” dla EZP i „010” dla RB; „POWER” – przycisk „INTERNAL” i „ON”.

3. Podłącz zasilanie do podstawy.

Ryż. 8. Schemat weryfikacji: 1 – symulator układu elektrod I-02; 2 – układ elektrod; 3 - przetwornica wysokooporowa P-201; 4 - wielokanałowy miernik-regulator TPM 138

4. Użyj strzałek ^ v na TPM 138, aby wybrać kanał nr 5, przez który zliczane jest EMF.

5. Sprawdź konwerter.

Dla tego:

5.1. Wybierz na przyciskach przełącznika „E, mV” symulatora wartość EMF odpowiadającą wartości pH cyfrowego znaku skali. Przełącznik „EX , mV” jest ustawiony w pozycji „+” lub „-” w zależności od znaku pola elektromagnetycznego w tabeli kalibracji.

5.2. Dokonać odczytu wskazań na symulatorze I-02. Wyznacz podstawowy błąd pomiaru przy RВ = 10

kOhm; EZ = 0. Główny błąd jest sprawdzany na wszystkich cyfrowych podziałkach podczas skoku do przodu i do tyłu i jest obliczany według wzoru = [(E -E 0) / (E K -E H)] 100%, gdzie E 0 jest wartością tabelaryczną (rzeczywista wartość EMF układu elektrod odpowiadające temu cyfrowemu podziałce, mV, E – rzeczywista wartość EMF, mV, E K , E N – wartości EMF odpowiadające końcowym i początkowym kreskom podziałki.

6. Wyniki weryfikacji przedstaw w raporcie.

Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej

Federalna Agencja Edukacji

Państwo Saratów

Uniwersytet Techniczny

Pomiar elektrody

potencjały i emf

Wytyczne

na kursie „Elektrochemia teoretyczna”

dla studentów specjalności

kierunek 550800

Wersja elektroniczna dystrybucji lokalnej

Zatwierdzony

redakcyjnych i wydawniczych

Sobór Saratowski

państwo

Uniwersytet Techniczny

Saratów - 2006

Wszelkie prawa do powielania i rozpowszechniania w jakiejkolwiek formie należą do twórcy.

Nielegalne kopiowanie i używanie tego produktu jest zabronione.

Opracowany przez:

Edytowany przez

Recenzent

Biblioteka naukowa i techniczna SSTU

Numer rejestracyjny 060375-E

© Państwo Saratów

politechnika, 2006

Wstęp

Jednym z podstawowych pojęć elektrochemii jest pojęcie potencjału elektrochemicznego i pola elektromagnetycznego układu elektrochemicznego. Wartości potencjałów elektrod i pola elektromagnetycznego są związane z tak ważnymi cechami roztworów elektrolitów, jak aktywność (a), współczynnik aktywności (f), liczby przenoszenia (n+, n-). Mierząc potencjał i SEM układu elektrochemicznego można obliczyć a, f, n+, n - elektrolity.

Celem wytycznych jest zapoznanie studentów z teoretycznymi wyobrażeniami o przyczynach skoków potencjałów między elektrodą a roztworem, z klasyfikacją elektrod, opanowanie podstaw teoretycznych kompensacyjnej metody pomiaru potencjałów elektrod i pola elektromagnetycznego, wykorzystaniem tej metody do obliczać współczynniki aktywności i liczby transportu jonów w roztworach elektrolitów.


Podstawowe koncepcje

Gdy elektroda metalowa jest zanurzona w roztworze, na granicy faz pojawia się podwójna warstwa elektryczna, aw konsekwencji skok potencjału.

Pojawienie się potencjalnego skoku jest spowodowane różnymi przyczynami. Jednym z nich jest wymiana naładowanych cząstek między metalem a roztworem. Kiedy metal zanurza się w roztworze elektrolitu, jony metalu, opuszczając sieć krystaliczną i przechodząc do roztworu, wnoszą do niego swoje ładunki dodatnie, podczas gdy powierzchnia metalu, na której pozostaje nadmiar elektronów, zostaje naładowana ujemnie.

Inną przyczyną pojawiania się potencjałów jest selektywna adsorpcja anionów z wodnego roztworu soli na powierzchni jakiegoś obojętnego metalu. Adsorpcja prowadzi do pojawienia się nadmiaru ładunku ujemnego na powierzchni metalu, a następnie do pojawienia się nadmiaru ładunku dodatniego w najbliższej warstwie roztworu.

Trzecim możliwym powodem jest zdolność polarnych nienaładowanych cząstek do orientacji adsorbowanej w pobliżu granicy faz. W adsorpcji zorientowanej jeden z końców dipola cząsteczki polarnej jest skierowany w stronę granicy faz, a drugi w stronę fazy, do której należy dana cząsteczka.

Niemożliwe jest zmierzenie bezwzględnej wartości skoku potencjału na granicy faz elektroda-roztwór. Ale możliwe jest zmierzenie pola elektromagnetycznego elementu złożonego z badanej elektrody i elektrody, której potencjał jest warunkowo przyjmowany jako zero. Otrzymana w ten sposób wartość nazywana jest „samoistnym” potencjałem metalu – E.

Standardowa elektroda wodorowa służy jako elektroda, której potencjał równowagi jest konwencjonalnie przyjmowany jako zero.

Potencjał równowagi to potencjał charakteryzujący się ustaloną równowagą między metalem a roztworem soli. Ustalenie stanu równowagi nie oznacza, że ​​w układzie elektrochemicznym w ogóle nie zachodzą żadne procesy. Wymiana jonów między fazą stałą i ciekłą trwa, ale szybkości tych przejść stają się równe. Równowaga na granicy metal-roztwór odpowiada warunkowi

iDo= jaALE= jaO , (1)

gdzie iDo jest prądem katodowym;

iO – prąd wymiany.

Do pomiaru potencjału badanej elektrody można zastosować inne elektrody, których potencjał jest znany w stosunku do standardowej elektrody wodorowej – elektrody odniesienia.

Główne wymagania stawiane elektrodom odniesienia to stałość skoku potencjału i dobra powtarzalność wyników. Przykładami elektrod odniesienia są elektrody drugiego rodzaju: kalomel:

Kl- / hg2 Kl2 , hg

Elektroda z chlorku srebra:

Kl- / AgCl, Ag

elektroda siarczanowo-rtęciowa i inne. W tabeli przedstawiono potencjały elektrod odniesienia (według skali wodorowej).

Potencjał dowolnej elektrody - E, jest określany w danej temperaturze i ciśnieniu przez wartość potencjału standardowego i aktywność substancji biorących udział w reakcji elektrodowej.


Jeżeli reakcja przebiega odwracalnie w układzie elektrochemicznym

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

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

Elektrody drugiego rodzaju to elektrody metalowe pokryte trudno rozpuszczalną solą tego metalu i zanurzone w roztworze dobrze rozpuszczalnej soli, która ma wspólny anion z trudno rozpuszczalną solą: przykładem są chlorki srebra, elektrody kalomelowe itp.

Potencjał elektrody drugiego rodzaju, na przykład elektrody z chlorku srebra, opisuje równanie

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

Elektroda redoks to elektroda wykonana z materiału obojętnego i zanurzona w roztworze zawierającym pewną substancję w postaci utlenionej i zredukowanej.

Istnieją proste i złożone elektrody redoks.

W prostych elektrodach redoks obserwuje się zmianę wartościowości ładunku cząstki, ale skład chemiczny pozostaje stały.

Fe3++e→Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Jeżeli utlenione jony oznaczymy jako Ox, a zredukowane jako Red, to wszystkie powyższe reakcje można wyrazić jednym ogólnym równaniem

Wół+ mi→Czerwony

Prosta elektroda redoks jest zapisana jako diagram Czerwony, Wół/ cz, a jego potencjał jest określony przez równanie

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

Różnica potencjałów między dwiema elektrodami, gdy obwód zewnętrzny jest wyłączony, nazywana jest siłą elektromotoryczną (EMF) (E) układu elektrochemicznego.

mi= mi+ - mi- (9)

Układ elektrochemiczny składający się z dwóch identycznych elektrod zanurzonych w roztworze tego samego elektrolitu o różnych stężeniach nazywa się ogniwem koncentracyjnym.

EMF w takim elemencie powstaje z powodu różnicy stężeń roztworów elektrolitów.

Technika eksperymentalna

Metoda kompensacji do pomiaru pola elektromagnetycznego i potencjału

Instrumenty i akcesoria: Potencjometr R-37/1, galwanometr, bateria, ogniwa Westona, elektrody węglowe, miedziane, cynkowe, roztwory elektrolitów, elektroda odniesienia chlorku srebra, klucz elektrolityczny, ogniwo elektrochemiczne.

Złóż schemat instalacji (rys. 2)

mi. I. – ogniwo elektrochemiczne;

mi. oraz. – badana elektroda;

mi. Z. – elektroda odniesienia;

mi. k. - klucz elektrolityczny.

DIV_ADBLOCK84">

stężenia jonów CrO42- i H+ są stałe i wynoszą 0,2 g-jon/l, a 3-jon/l stężenie H+ jest zmienne i wynosi: 3; 2; jeden; 0,5; 0,1 g jonów/l;

stężenie jonów CrO42-, Cr3+ jest stałe i wynosi odpowiednio 2 g-jon/l i 0,1 g-jon/l, stężenie jonów H+ jest zmienne i wynosi: 2; jeden; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 g jonów/l.

Zadanie 4

Pomiar potencjału prostego układu redoks Mn+7, Mn2+ grafit.

stężenie jonu Mn2+ jest stałe i wynosi 0,5 g-jon/l

stężenie jonów MnO2-4 zmienia się i wynosi 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 g jonów/l;

stężenie jonów MnO-4 jest stałe i wynosi 1 g-jon/l

stężenie jonów Mn2+ v zmienia się i wynosi: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 g jonów/l.

Przetwarzanie danych eksperymentalnych

1. Wszystkie uzyskane dane eksperymentalne należy przeliczyć na skalę wodorową.

3. Skonstruować graficzną zależność potencjału od stężenia we współrzędnych E, IgC, wyciągnąć wniosek o naturze wpływu stężenia jonów determinujących potencjał na wartość potencjału elektrody.

4. Dla elementów koncentracyjnych (zad. 2) oblicz skok potencjału dyfuzyjnego φα korzystając z równania

φα = (10)

podczas pomiaru pola elektromagnetycznego metodą kompensacji

1. Przed użyciem potencjometr musi być uziemiony.

2. Podczas pracy z akumulatorami należy:

Służy do sprawdzania napięcia na zaciskach za pomocą przenośnego woltomierza;

Podczas montażu akumulatorów w akumulatorze należy unikać zwarcia obudowy i zacisków, aby uniknąć poważnych oparzeń.

3. Po pracy wyłącz wszystkie urządzenia.

Literatura

1. Elektrochemia Antropowa:

podręcznik / .- wyd. poprawiony dodaj.-M.: Szkoła wyższa, 1984.-519s.

2.-Elektrochemia Rotiniana: podręcznik / ,

L.: Chemia, str.

3. Adamaszek /, .- M.: Szkoła wyższa, 1987.-296s.

Co pole elektromagnetyczne(siła elektromotoryczna) w fizyce? Prąd elektryczny nie jest rozumiany przez wszystkich. Jak dystans kosmiczny, tylko pod samym nosem. Ogólnie rzecz biorąc, nie jest to również w pełni zrozumiałe dla naukowców. Wystarczy zapamiętać Nikola Tesla swoimi słynnymi eksperymentami, wyprzedzając swoje czasy o wieki i do dziś pozostając w aureoli tajemnicy. Dzisiaj nie rozwiązujemy wielkich tajemnic, ale próbujemy je rozgryźć co to jest emf w fizyce.

Definicja pola elektromagnetycznego w fizyce

pole elektromagnetyczne jest siłą elektromotoryczną. Oznaczone literą mi lub mała grecka litera epsilon.

Siła elektromotoryczna- skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pracę sił zewnętrznych ( siły pochodzenia nieelektrycznego) pracujących w obwodach elektrycznych prądu przemiennego i stałego.

pole elektromagnetyczne, tak jak Napięcie e, mierzone w woltach. Jednak EMF i napięcie to różne zjawiska.

Napięcie(między punktami A i B) - wielkość fizyczna równa pracy efektywnego pola elektrycznego wykonanej podczas przenoszenia jednostkowego ładunku próbnego z jednego punktu do drugiego.

Wyjaśniamy istotę PEM „na palcach”

Aby zrozumieć, co jest czym, możemy podać przykład analogii. Wyobraź sobie, że mamy wieżę ciśnień całkowicie wypełnioną wodą. Porównaj tę wieżę z baterią.

Woda wywiera maksymalne ciśnienie na dno wieży, gdy wieża jest pełna. Odpowiednio, im mniej wody w wieży, tym słabsze ciśnienie i ciśnienie wody wypływającej z kranu. Jeśli odkręcisz kran, woda zacznie wypływać stopniowo, najpierw pod silnym ciśnieniem, a następnie coraz wolniej, aż ciśnienie całkowicie osłabnie. Tutaj stres to ciśnienie, jakie woda wywiera na dno. Dla poziomu zerowego napięcia weźmiemy sam dół wieży.

Tak samo jest z baterią. Najpierw włączamy nasze źródło prądu (baterię) do obwodu, zamykając go. Niech to będzie zegarek lub latarka. Dopóki poziom napięcia jest wystarczający, a bateria nie jest rozładowana, latarka świeci jasno, a następnie stopniowo gaśnie, aż zgaśnie całkowicie.

Ale jak upewnić się, że ciśnienie nie zabraknie? Innymi słowy, jak utrzymać stały poziom wody w wieży i stałą różnicę potencjałów na biegunach obecnego źródła. Idąc za przykładem wieży, PEM przedstawiono jako pompę, która zapewnia dopływ nowej wody do wieży.

Natura emf

Przyczyna występowania pola elektromagnetycznego w różnych źródłach prądu jest różna. W zależności od charakteru występowania wyróżnia się następujące typy:

  • SEM chemiczny. Występuje w bateriach i akumulatorach w wyniku reakcji chemicznych.
  • TermoEMF. Występuje, gdy połączone są styki różnych przewodników o różnych temperaturach.
  • SEM indukcji. Występuje w generatorze, gdy obracający się przewodnik jest umieszczony w polu magnetycznym. SEM będzie indukowane w przewodniku, gdy przewodnik przecina linie sił stałego pola magnetycznego lub gdy zmienia się wielkość pola magnetycznego.
  • Fotoelektryczne pole elektromagnetyczne. Występowaniu tego pola elektromagnetycznego sprzyja zjawisko zewnętrznego lub wewnętrznego efektu fotoelektrycznego.
  • SEM piezoelektryczny. EMF występuje, gdy substancja jest rozciągana lub ściskana.

Drodzy przyjaciele, dzisiaj rozważaliśmy temat „EMF dla bystrzaków”. Jak widać, EMF siła pochodzenia nieelektrycznego, który utrzymuje przepływ prądu elektrycznego w obwodzie. Jeśli chcesz wiedzieć, jak rozwiązuje się problemy z EMF, radzimy się skontaktować nasi autorzy– skrupulatnie dobranych i sprawdzonych specjalistów, którzy szybko i jasno wytłumaczą przebieg rozwiązania dowolnego problemu tematycznego. I tradycyjnie już na koniec zapraszamy do obejrzenia filmu instruktażowego. Miłego oglądania i powodzenia w nauce!

Przyrządy do pomiaru temperatury ciekłych metali i pola elektromagnetycznego czujników aktywności tlenu iM Sensor Lab przeznaczone są do pomiaru termo-EMF pochodzącego z pierwotnych przetworników termoelektrycznych mierzących temperaturę ciekłych metali (żeliwo, stal, miedź i inne) oraz pola elektromagnetycznego generowanego przez czujniki aktywności tlenu.

Opis

Zasada działania

Sygnały termo-EMF z pierwotnego przetwornika termoelektrycznego (termoelementu) i EMF z czujników aktywności tlenu (mV) podawane na wejście „pomiarowe” urządzenia do pomiaru temperatury ciekłych metali oraz EMF czujników aktywności tlenu iM2 Sensor Lab są konwertowane do postaci cyfrowej i zgodnie z odpowiednim programem przeliczane na wartości temperatury i aktywności tlenu. Sygnały te odbierane są w cyklach do 250 s-1. Urządzenie posiada 4 wejścia: Ch0 i Ch2 - do pomiaru sygnałów z termopar oraz Ch1, Ch3 - do pomiaru sygnałów EMF z czujników aktywności tlenu.

W procesie pomiaru temperatury dokonuje się analizy zmiany dochodzącego sygnału wejściowego w celu określenia jego wyprowadzenia na stabilne odczyty (charakteryzujące się parametrami tzw. i wysokość (zmiana temperatury).Jeżeli w czasie określonym długością obszaru rzeczywista zmiana temperatury nie przekroczy jego określonej wysokości (tj. dopuszczalnej zmiany temperatury), to obszar ten uważa się za wybrany. Urządzenie iM Sensor Lab do pomiaru temperatury ciekłych metali i pola elektromagnetycznego czujników aktywności tlenu uśrednia wartości zegara temperatury zmierzone na długości wybranego obszaru i wyświetla średnią wartość jako wynik pomiarów na ekranie.

W podobny sposób do stabilnych odczytów przydzielane są obszary odpowiadające wyjściu EMF, których wymiary również określa długość (czas) i wysokość (dopuszczalna zmiana wartości EMF).

Oprócz pomiaru temperatury kąpieli, urządzenie pozwala na wyznaczenie temperatury likwidusu ciekłej stali, którą można przeliczyć zgodnie z empirycznym równaniem zawartości węgla. Zgodnie z wynikami pomiarów pola elektromagnetycznego generowanego przez czujniki aktywności tlenu, aktywność tlenu w płynnej stali, żeliwie i miedzi, zawartość węgla w stali, zawartość siarki i krzemu w żeliwie, aktywność FeO (FeO + MnO ) w ciekłych żużlach metalurgicznych, a niektóre inne parametry określa się na podstawie obliczeń związanych ze stanem cieplnym i składem chemicznym ciekłych metali. Urządzenie posiada również możliwość określenia poziomu kąpieli (położenia granicy żużel-metal) poprzez analizę szybkości zmian temperatury, gdy termoelement jest zanurzony w kąpieli oraz wyznaczenie grubości warstwy żużla za pomocą specjalnych sond.

Przyrządy do pomiaru temperatury ciekłych metali i pola elektromagnetycznego czujników aktywności tlenu iM2 Sensor Lab mają dwie modyfikacje, które różnią się obecnością lub brakiem dotykowego ekranu LCD (Rysunek 1). W przypadku braku ekranu urządzenie sterowane jest z zewnętrznego komputera lub z przemysłowego tabletu. W takim przypadku dostarczane jest specjalne oprogramowanie do komunikacji między nimi.

Ekran dotykowy znajduje się na przednim panelu obudowy przyrządu i wyświetla postęp pomiarów, ich wyniki oraz inne informacje związane z pomiarami w postaci cyfrowej i graficznej. Na ekranie wyświetlane jest również menu w postaci zakładek tekstowych, które służy do sterowania urządzeniem, jego diagnostyki oraz przeglądania danych o wykonaniu.

Arkusz nr 2 Razem arkusze 4

poprzednie pomiary. W modyfikacji „bez ekranu” wszystkie powyższe informacje wyświetlane są na ekranie komputera lub tabletu przemysłowego.

Płytki elektroniczne urządzenia do pomiaru temperatury ciekłych metali i pola elektromagnetycznego czujników aktywności tlenu iM2 Sensor Lab są zamontowane w stalowej obudowie pyłoszczelnej wykonanej zgodnie ze standardem 19” do montażu na stojaku montażowym lub montażu w tarcza.

Sygnały z przetworników pierwotnych mogą być przesyłane do urządzenia na dwa sposoby - przewodowo i drogą radiową. W tym drugim przypadku urządzenie jest połączone z jednostką odbiorczą (Receiver Box) za pomocą interfejsu szeregowego, a na uchwycie prętów zanurzeniowych zainstalowany jest nadajnik (QUBE), który przetwarza sygnały z czujników na sygnały radiowe przesyłane do jednostka odbiorcza. Ten ostatni je odbiera i przekazuje do urządzenia w celu przetworzenia.

Urządzenie nie jest zaplombowane.

Oprogramowanie

Instalacja oprogramowania (SW) odbywa się u producenta. Dostęp do istotnej metrologicznie części oprogramowania nie jest możliwy.

Konstrukcja MI wyklucza możliwość nieautoryzowanego wpływu na oprogramowanie przyrządu pomiarowego i informacje pomiarowe.

Poziom ochrony oprogramowania układowego przed niezamierzonymi i celowymi modyfikacjami

Wysoka zgodnie z R 50.2.077-2014.

Specyfikacje

Charakterystykę metrologiczno-techniczną urządzeń do pomiaru temperatury ciekłych metali i pola elektromagnetycznego czujników aktywności tlenu iM2 Sensor Lab podano w tabeli 1. Tabela 1

* - bez uwzględnienia błędu przetwornika pierwotnego, przedłużacza i czujnika EMF.

Znak homologacji typu

Znak zatwierdzenia typu jest naniesiony typograficznie na stronie tytułowej dokumentacji eksploatacyjnej metodą typograficzną oraz na płycie czołowej przyrządu metodą druku offsetowego.

Kompletność

Kompletność przyrządu pomiarowego podano w tabeli 2. Tabela 2

Weryfikacja

prowadzona jest zgodnie z MP RT 2173-2014 „Przyrządy do pomiaru temperatury ciekłych metali i pola elektromagnetycznego czujników aktywności tlenu iM2 Sensor Lab. Metodologia weryfikacji”, zatwierdzona przez GCI SI FBU „Rostest-Moskwa” w dniu 26 października 2014 r.

Główne sposoby weryfikacji podano w tabeli 3. Tabela 3

Informacje o metodach pomiarowych

Informacje o metodach pomiaru zawarte są w instrukcji obsługi.

Dokumenty prawne i techniczne określające wymagania dla przyrządów do pomiaru temperatury ciekłych metali i pola elektromagnetycznego czujników aktywności tlenu iM2 Sensor Lab

1 Dokumentacja techniczna producenta Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. kg.

2 GOST R 52931-2008 „Przyrządy do monitorowania i regulacji procesów technologicznych. Ogólne warunki techniczne”.

3 GOST R 8.585-2001 „GSP. termopary. Nominalne statyczne charakterystyki konwersji.

4 GOST 8.558-2009 „GSP. Państwowy system weryfikacji przyrządów do pomiaru temperatury.

podczas wykonywania prac związanych z oceną zgodności produktów i innych przedmiotów z obowiązkowymi wymaganiami zgodnie z ustawodawstwem Federacji Rosyjskiej w sprawie przepisów technicznych.