Главная > ДО > Термопары. Измерительная техника Порядок выполнения работы


Термопары. Измерительная техника Порядок выполнения работы




9.1. Цель работы

Определение зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от разности температур спаев.

В замкнутой цепи (рис. 9.1), состоящей из разнородных проводников (или полупроводников) А и В, возникает электродвижущая сила (э.д.с.) Е T и течет ток, если контакты 1 и 2 этих проводников поддерживаются при различных температурах T 1 и T 2 . Эта э.д.с. называется термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с), а электрическая цепь из двух разнородных проводников называется термопарой. При изменении знака разности температур спаев изменяется направление тока термопары. Это
явление называется явлением Зеебека .

Известны три причины возникновения термо-ЭДС: образование направленного потока носителей зарядов в проводнике при наличии градиента температур, увлечение электронов фононами и изменение положения уровня Ферми в зависимости от температуры. Рассмотрим эти причины подробнее.

При наличии градиента температуры dT / dl вдоль проводника электроны на горячем его конце обладают большей кинетической энергией, а значит и большей скоростью хаотического движения по сравнению с электронами холодного конца. В результате возникает преимущественный поток электронов от горячего конца проводника к холодному, на холодном конце накапливается отрицательный, а на горячем остается некомпенсированный положительный заряд.

Накопление продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет равный поток электронов. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создает объемную составляющую термо-э.д.с.

Помимо этого, имеющийся градиент температуры в проводнике приводит к возникновению преимущественного движения (дрейфа) фононов (квантов колебательной энергии кристаллической решетки проводника) от горячего конца к холодному. Существование такого дрейфа приводит к тому, что электроны, рассеиваемые на фононах, сами начинают совершать направленное движение от горячего конца к холодному. Накопление электронов на холодном конце проводника и обеднение электронами горячего конца приводит к возникновению фононной составляющей термо-э.д.с. Причем при низких температурах вклад этой составляющей является основным в возникновении термо-э.д.с.

В результате обоих процессов внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Напряженность этого поля можно представить в виде

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

где β = dφ / dT.

Соотношение (9.1) связывает напряженность электрического поля E с градиентом температуры dT / dl. Возникающее поле и градиент температуры имеют противоположные направления, поэтому они имеют разные знаки.

Определяемое выражением (9.1) поле является полем сторонних сил. Проинтегрировав напряженность этого поля по участку цепи АВ (рис 9.1) от спая 2 до спая 1 и предполагая, что T 2 > T 1 , получим выражение для термо-э.д.с, действующей на этом участке:



(Знак изменился при изменении пределов интегрирования.) Аналогично определим термо-э.д.с., действующую на участке В от спая 1 до спая 2.

Третья причина возникновения термо-э.д.с. заключается в зависимости от температуры положения уровня Ферми, который соответствует наивысшему энергетическому уровню, занятому электронами. Уровню Ферми соответствует энергия Ферми E F , которую могут иметь электроны на этом уровне.

Энергия Ферми - максимальная энергия, которую могут иметь электроны проводимости в металле при 0 К. Уровень Ферми будет тем выше, чем больше плотность электронного газа. Например (рис.9.2), E FA - энергия Ферми для металла A, а E FB - для металла В. Значения E PA и E PB - это наибольшая потенциальная энергия электронов в металлах А и В соответственно . При контакте двух разнородных металлов А и В наличие разности уровней Ферми (E FA > E FB) приводит к возникновению перехода электронов из металла А (с более высоким уровнем) в металл В (с низким уровнем Ферми).

При этом металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Появление этих зарядов вызывает смещение энергетических уровней металлов, в том числе уровней Ферми. Как только уровни Ферми выравниваются, причина, вызывающая преимущественный переход электронов из металла А в металл В, исчезает, и между металлами устанавливается динамическое равновесие. Из рис. 9.2 видно, что потенциальная энергия электрона в металле А меньше, чем в В на величину E FA - E FB . Соответственно потенциал внутри металла А выше, чем внутри В, на величину)

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


Это выражение дает внутреннюю контактную разность потенциалов. На такую величину убывает потенциал при переходе из металла А в металл В. Если оба спая термопары (см. рис. 9.1) находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны.

В этом случае они компенсируют друг друга. Известно что уровень Ферми хоть и слабо, но зависит от температуры. Поэтому, если температура спаев 1 и 2 различна, то разность U AB (T 1) - U AB (T 2) на контактах дает свой контактный вклад в термо-э.д.с. Он может быть сравним с объемной термо-э.д.с. и равен:

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

Последнее выражение можно представить следующим образом:

Результирующая термо-э.д.с. (ε T) слагается из э.д.с, действующих в контактах 1 и 2 и э.д.с, действующих на участках А и В.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E конт

Подставив в (9.7) выражения, (9.3) и (9.6) и проводя преобразования, получим

где α = β - ((1/l) ·(dE F / dT))

Величина α называется коэффициентом термо-э.д.с. Так как и β и dE F / d T зависят от температуры, то коэффициент α тоже является функцией Т.

Приняв во внимание (9.9), выражение для термо-ЭДС можно представить в виде:


Величину α AB называют дифференциальной или удельной термо-ЭДС данной пары металлов. Измеряется она в В/К и существенно зависит от природы контактирующих материалов, а также интервала температур, достигая порядка 10 -5 ÷10 -4 В/К. В небольшом интервале температур (0-100°С) удельная термо-э.д.с. слабо зависит от температуры. Тогда формулу (9.11) можно с достаточной степенью точности представить в виде:

E T = α · (T 2 - T 1)

В полупроводниках, в отличие от металлов, существует сильная зависимость концентрации носителей зарядов и их подвижности от температуры. Поэтому рассмотренные выше эффекты, приводящие к образованию термо-э.д.с, выражены в полупроводниках сильнее, удельная термо-э.д.с. значительно больше и достигает значений порядка 10 -3 В/К.

9.3. Описание лабораторной установки

Для изучения зависимости термо-э.д.с. от разности температур спаев (контактов) в настоящей работе используется термопара, изготовленная из двух отрезков проволоки, один из которых является сплавом на основе хрома (хромель), а другой сплавом на основе алюминия (алюмель). Один спай вместе с термометром помещен в сосуд с водой, температура T 2 которой может изменяться путем нагрева на электроплитке. Температура другого спая T 1 поддерживается постоянной (рис.9.3). Возникающая термо-э.д.с. измеряется цифровым вольтметром.

9.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов
9.4.1. Методика эксперимента

В работе используются прямые измерения возникающей в термопаре э.д.с. Температура спаев определяется по температуре воды в сосудах с помощью термометра (см. рис. 9.3)

9.4.2. Порядок выполнения работы

  1. Включите сетевой шнур вольтметра в сеть.
  2. Нажмите кнопку сеть на передней панели цифрового вольтметра. Дайте про греться прибору в течении 20 минут.
  3. Отпустите винт зажима на стойке термопары, поднимите ее вверх и закрепите. Налейте в оба стакана холодную воду. Отпустите спаи термопары в стаканы приблизительно на половину глубины воды.
  4. Запишите в табл. 9.1 значение начальной температуры T 1 спаев (воды) по термометру (для другого спая она остается постоянной в течение всего эксперимента).
  5. Включите электроплитку.
  6. Записывайте значения э.д.с. и температуры T 2 в табл. 9.1 через каждые десять градусов.
  7. При закипании воды выключите электроплитку и вольтметр.

9.4.3. Обработка результатов измерений

  1. По данным измерений постройте график зависимости э.д.с. термопары 8Т (ось ординат) от разности температур спаев ΔT = T 2 - T 1 (ось абсцисс).
  2. Пользуясь полученным графиком линейной зависимости Е T от ∆T, определите удельную термо-э.д.с. по формуле: α = ΔE T / Δ(ΔT)

9.5. Перечень контрольных вопросов
  1. В чем состоит сущность и какова природа явления Зеебека?
  2. Чем обусловлено возникновение объемной составляющей термо-э.д.с?
  3. Чем обусловлено возникновение фононной составляющей термо-э.д.с?
  4. Чем обусловлено возникновение контактной разности потенциалов?
  5. Какие устройства называются термопарами и где они применяются?
  6. В чем состоит сущность и какова природа явлений Пельтье и Томсона?
  1. Савельев И. В. Курс общей физики. Т.3. - М.: Наука, 1982. -304 c.
  2. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977. - 288 с.
  3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Электричество. Т.3. - М.: Наука, 1983. -688 c.
  4. Трофимова Т. И. Курс физики. М. : Высшая школа, 1985. - 432 с.
  5. Детлаф А. А., Яворский В. М. Курс физики. М. : Высшая школа, 1989. - 608 с.

зируемого раствора на единицу. При производственных измерениях водородные электроды не применяют, так как они неудобны в эксплуатации.

8.1.1. Измерительная ячейка рН-метра

В связи с тем, что электродный потенциал непосредственно измерить нельзя, в потенциометрическом методе применяют гальваническую ячейку, в которой один электрод является измерительным, а другой – электродом сравнения (или вспомогательным), потенциал которого не зависит от концентрации исследуемых ионов раствора. Измерительный электрод помещается в анализируемую

жидкую среду, на нем создается скачок потенциала ЕХ , определяемый концентрацией ионов в этой среде. Потенциал сравнительного электрода должен всегда оставаться постоянным независимо от изменения состава среды.

В качестве измерительных электродов применяются стеклянные, индикаторная часть которых изготовлена из специальных сортов стекла, обладающих водородной функцией. В качестве сравнительного или вспомогательного электрода обычно используются каломельный или хлорсеребряные электроды. Они относятся к электродам так называемого второго рода, которые состоят из металла, его труднорастворимой соли и легкорастворимой соли с тем же анионом, что и у труднорастворимой соли.

Общий вид ячейки со стеклянным измерительным электродом представлен на рис. 1, где 1 – стеклянный индикаторный электрод, 2 – каломельный сравнительный электрод.

ЭДС электродного датчика рН-метра складывается из ряда потенциалов:

E яч= Е к+ Е вн+ Е х+ Е ср+ Е д,

где Е к – разность потенциалов между контактным вспомогательным электродом и раствором, заполняющим стеклянный электрод; E вн – разность потенциалов между раствором и внутренней поверхностью измерительной мембраны; Е х – разность потенциалов между наружной поверхностью стеклянной мембраны и контролируемой средой (функцией pH); Е ср – разность потенциалов на границе ртуть (Hg ) – каломель (Hg 2 Cl 2 ); Е д – диффузионный потенциал на границе контакта двух сред – KCl и контролируемой средой. Хло-

рид калия KCl выполняет роль электролитического ключа, соединяющего анализируемый раствор с электродом.

Рис. 1. Электрическая цепь измерительной ячейки рН-метра

При этом величины Е к , Е вн , Е в постоянны и от состава анализируемой среды не зависят. Диффузионный потенциал Е д очень мал и им можно пренебречь. Таким образом, общая ЭДС определяется трльео активностью ионов водорода: Е яч =Е х + Е .

Таким образом, Е яч =f(pH) , то есть Е яч является линейной функцией pH, что и используется при электрическом измерении величины pH.

Зависимость ЭДС электродной ячейки Е яч от pH определяется электродными свойствами стекла и характеризуется коэффициентом крутизны S характеристики электродной системы S= E/ pH . Изменение температуры анализируемого раствора влияет на ЭДС электродной системы, изменяя крутизну номинальной статической характеристики (НСХ) измерительного электрода. Если выразить эту зависимость графически (рис. 2), то получится пучок пересекающихся прямых. Координаты точки пересечения прямых называются координатами изопотенциальной точки (Е Н ,рН Н ) и являются важнейшими характеристиками электродной системы, которыми руководствуются при расчете схемы температурной компенсации рН-метра. Температурная компенсация изменения ЭДС электродной системы, как правило, осуществляется автоматически (с помощью ТС, включенного в схему промышленного преобразователя рН-метра).

>> R СТ.

Рис. 2. НСХ измерительного электрода

Измерительная ячейка со стеклянным электродом может быть представлена в виде эквивалентной схемы (рис. 3). Сопротивление R яч весьма велико вследствие высокого сопротивления мембраны стеклянного электрода R ст (R яч 500 МОм), Поэтому протекание незначительных токов по внутреннему сопротивлению ячейки вызовет большую погрешность измерения:

UВХ =ЕЯЧ – IЯЧ RЯЧ ; UВХ =ЕЯЧ .

Из последнего равенства видно, что основное требование измерения U ВХ =Е ЯЧ может быть выполнено, если R ВХ >> RЯЧ , т.е.

R ВХ

Рис. 3. Эквивалентная схема измерительной ячейки

8.1.2. Промышленные преобразователи рН-метров ГСП

Комплект автоматического промышленного рН-метра состоит из датчика погружного (типа ДПг-4М) или магистрального (типа ДМ-5М), измерительного высокоомного преобразователя и вторичного прибора ГСП общепромышленного назначения. Задачей измерительного прибора, входящего в комплект рН-метра, является измерение ЭДС электродной системы, которая при неизменных температурных условиях является функцией рН.

Точное измерение ЭДС измерительной ячейки рН-метра, представляющей собой маломощный источник, связано со значительными трудностями. Во – первых, через измерительную ячейку нельзя пропускать ток, плотность которого превышает 10–7 А/см2 , так как может возникнуть явление поляризации электродов, в результате чего электроды выходят из строя. Второе существенное затруднение заключается в том, что при непосредственном измерении ЭДС ячейки рН-метра с потреблением тока, например милливольтметром, создается электрическая цепь, по которой протекает ток, определяющийся суммой внутреннего сопротивления измерительного электрода (около 500…1000 МОм) и сопротивления измерительного прибора. В этом случае необходимо соблюдать ряд условий: измерительный ток должен быть меньше тока поляризации электродов; внутреннее сопротивление прибора должно быть не менее чем в 100 раз выше сопротивления стеклянного электрода, что, однако, вступает в противоречие с требованием высокой чувствительности прибора. В связи с этим преобразователи с непосредственным измерением ЭДС практически не применяются.

Единственным методом, удовлетворяющим всем требованиям измерения ЭДС ячейки рН-метра, является компенсационный (потенциометрический), или нулевой метод измерения, основным преимуществом которого является отсутствие тока в момент отсчета показаний. Однако не следует считать, что при компенсационном методе электрод не нагружается совсем, и поэтому явление поляризации электродов исключено. Здесь протекание тока (в пределах 10-12 А) объясняется тем, что в процессе измерения всегда имеется небаланс, а в момент измерения компенсация достигается только с той точностью, с какой позволяет чувствительность нульиндикатора.

В настоящее время для измерения ЭДС электродной системы со стеклянным электродом применяют только электронные нуль - индикаторы (измерительные преобразователи) со статической компенсацией. Упрощенная блок-схема, поясняющая принцип действия такого преобразователя, приведена на рис. 4. Преобразователь представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный глубокой отрицательной связью ОС по выходному току, чем и обеспечивается большое входное сопротивление. Усилитель построен по схеме преобразования постоянного напряжения в переменное с последующей демодуляцией.

Рис. 4. Структурная схема метода измерения ЭДС ячейки рНметра

Измеряемая ЭДС Е ИЯ сравнивается с напряжением U ВЫХ , образуемым от протекания выходного тока усилителя I ВЫХ по резистору R ОС . На вход усилителя поступает разность этих напряжений U ВХ =Е ИЯ -U ВЫХ . Если коэффициент усиления к = U ВЫХ /U ВХ , то Е ИЯ = U ВЫХ / (1+1/к). При достаточно большом значении к (к 500) Е ИЯ U ВЫХ I ВЫХ R ОС , т.е. сила выходного тока практически пропорциональна входному сигналу от измерительной ячейки рН – метра.

Применение статической компенсации позволяет во много раз уменьшить силу тока, потребляемого от измерительной ячейки в процессе измерения.

Данный принцип реализован практически во всех промышленных преобразователях рН – метров: рН-201, П201, П202, П205 (полупроводниковая элементная база) и в П215 (с использованием стандартных микросхем).

8.1.3. Описание преобразователя П – 201

Промышленные преобразователи типа П201 предназначены для измерения активности ионов водорода (величины рН) растворов и пульп в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

Преобразователи рассчитаны для работы в комплекте с любыми серийно выпускаемыми чувствительными элементами рН, как например, ДПг-4М; ДМ-5М и др.

Преобразователь имеет выходы по напряжению и току для подключения вторичных приборов с соответствующими входными

сигналами.

Основные технические характеристики:

пределы измерения

от –1 до 14 рН

предел допускаемой основной приведенной

погрешности:

а) по выходным сигналам постоянного тока и

напряжению постоянного тока

б) по показывающему прибору

сопротивление измерительного стеклянного

электрода

сопротивление вспомогательного электрода

время установления показаний

не более 10 с

выходной ток

выходное напряжение

от 0 до 10 100мВ

Преобразователь предназначен для монтажа в непосредственной близости от промышленных агрегатов. Преобразователь может состоять из показывающего узкопрофильного прибора и собственно преобразователя, устанавливаемых на одной общей панели или раздельно, или только одного преобразователя. Внешний вид прибора показан на рис. 5.

Кожух 1 выполнен из листовой стали, крышка 2 литая, из алюминиевого сплава. На лицевой стороне крышки имеются надпись с индексом прибора, колпачок 3 и резьбовая заглушка 4.

Рис. 5. Внешний вид преобразователя П201

Внутри кожуха устанавливается каркас, служащий основанием для установки всех блоков и элементов прибора. На переднюю панель преобразователя, расположенную под крышкой, выведены оси переменных резисторов, предназначенных для изменения пределов измерения преобразователей. Колодка с зажимами для внешних электрических соединений расположена в закрытом отсеке, доступ к ней предусмотрен со стороны задней стенки корпуса. Провода вводятся в отсек через четыре сальника в нижней стенке прибора (рис. 6).

Рис. 6. Схема внешних электрических соединений преобразователя П-201: ТРМ – измеритель-регулятор универсальный; ТКР – блок резисторов температурной компенсации

8.1.4. Поверка и градуировка автоматического рН-метра

Текущая поверка автоматического рН-метра заключается в сравнении его показаний с показаниями контрольного прибора. При значительном расхождении показания поверяемого прибора корректируются с помощью компенсатора или путем изменения градуировки преобразователя с помощью ручек настройки. Кроме

того, необходимо периодически проводить более детальную проверку датчика и преобразователя.

Проверка датчика включает в себя следующие операции:

1) тщательный наружный осмотр, в особенности тех его частей, которые соприкасаются с измеряемой средой;

2) проверка электрических цепей, в особенности сопротивления изоляции цепей стеклянного и сравнительного электродов от-

носительно корпуса, которое должно быть не менее 1012 Ом и 2108 Ом соответственно;

3) проверка характеристики электродной системы по буферным растворам с известной величиной рН с помощью контрольного лабораторного рН-метра.

Поверка преобразователя включает в себя:

1) определение основной погрешности измерений преобразователя и корректировку его градуировки;

2) определение дополнительных погрешностей измерений преобразователя от изменения сопротивления стеклянного электрода R СТ , изменения сопротивления сравнительного электрода RСР

и изменение потенциала контролируемого раствора Е Х .

Для градуировки шкалы рН-метров необходимо иметь имитатор электродной системы И-01 или И-02.

Имитатор электродной системы позволяет проверять работоспособность датчика рН – метров; влияние изменения сопротивления электродов и напряжения между раствором и корпусом агрегата на показания прибора; помехозащищенность рН-метров.

С помощью имитатора можно воспроизвести следующие параметры электродной системы:

а) напряжение, эквивалентное ЭДС электродной системы, в пределах от 0 до 1000 мВ;

б) сопротивление, эквивалентное сопротивлению стеклянного электрода: 0; 500 и 1000 МОм;

в) сопротивление, эквивалентное сопротивлению вспомогательного электрода: 10 и 20 кОм;

г) напряжение, эквивалентное ЭДС “земля – раствор”: 0 и

Имитатор является электрическим эквивалентом электродной системы (рис. 7) и конструктивно оформлен в виде переносного устройства, размещенного в стальном корпусе со съемной крышкой.

E З Rв

Рис. 7. Эквивалентная схема имитатора электродной системы: R И – сопротивление измерительного стеклянного электрода; R В – сопротивление вспомогательного электрода; E – суммарная ЭДС электродной системы: E З – ЭДС “земля - раствор”.

На лицевой панели имитатора имеются клеммы для подключения его к поверяемому рН-метру с помощью кабеля, который имеется в комплекте. Там же размещены ручки установки требуемой величины выходного напряжения, сопротивления электродов, потенциала контролируемого раствора и т.д.

8.2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

1. Промышленный преобразователь П-201.

2. Имитатор электродной системы И-02.

3. Измеритель-регулятор универсальный многоканальный ТРМ 138.

8.3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать установку для поверки преобразователя П-201 с помощью имитатора И-02 в соответствии со схемой рис. 8, соединив выход имитатора со входом “Изм” и “Всп” преобразователя посредством коаксиального кабеля.

2. Подготовить к работе имитатор. Для этого нажать на переключателях имитатора: “R И ” – кнопку 500; “EЗР ”,”RВ ” – кнопки

“00” для EЗР и ”010” для RВ ; “ПИТАНИЕ” – кнопка “EВНУТР ” и “Вкл”.

3. Подать напряжение питания на стенд.

Рис. 8. Схема поверки: 1 – имитатор электродной системы И-02; 2 – электродная система; 3 – высокоомный преобразователь П-201; 4 – измеритель-регулятор многоканальный ТРМ 138

4. Стрелками ^ v на ТРМ 138 выбрать канал № 5, по которому осуществляется отсчет ЭДС.

5. Произвести поверку преобразователя.

Для этого:

5.1. Набрать на кнопках переключателя “E, mV” имитатора значение ЭДС, соответствующее величине рН оцифрованной отметки шкалы. Переключатель “EX , mV” устанавливается в положении “+” или “-“ в зависимости от знака ЭДС в градуировочной таблице.

5.2. Произвести отсчет показаний по имитатору И-02. Определить основную погрешность измерений при RВ =10

кОм; EЗ =0. Основная погрешность проверяется на всех оцифрованных отметках шкалы при прямом и обратном ходе и рассчитывается по формуле = [(E –E 0 )/(E K –E Н )]100%, где E 0 – табличное (действительное значение ЭДС электродной системы, соответствующее данной оцифрованной отметке шкалы, мВ; E – фактическое значение ЭДС, мВ; Е К , Е Н – значения ЭДС, соответствующие конечной и начальной отметкам шкалы.

6. Результаты поверки представить в отчете.

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный

технический университет

Измерение электродных

потенциалов и ЭДС

Методические указания

по курсу «Теоретическая электрохимия»

для студентов специальности

направление 550800

Электронное издание локального распределения

Одобрено

редакционно-издательским

советом Саратовского

государственного

технического университета

Саратов - 2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составители:

Под редакцией

Рецензент

Научно-техническая библиотека СГТУ

Регистрационный номер 060375-Э

© Саратовский государственный

технический университет, 2006

Введение

Одним из фундаментальных понятий электрохимии являются понятия электрохимического потенциала и ЭДС электрохимической системы. Величины электродных потенциалов и ЭДС связаны с такими важными характеристиками растворов электролитов как активность (a), коэффициент активности (f), числа переноса (n+, n-). Измерив потенциал и ЭДС электрохимической системы, можно рассчитать a, f, n+, n - электролитов.

Целью методических указаний является ознакомление студентов с теоретическими представлениями о причинах возникновения скачков потенциала между электродом и раствором, с классификацией электродов, овладение теоретическими основами компенсационного метода измерения электродных потенциалов и ЭДС, применение этого метода для расчета коэффициентов активности и чисел переноса ионов в растворах электролитов.


Основные понятия

При погружении металлического электрода в раствор на границе раздела возникает двойной электрический слой и, следовательно, появляется скачок потенциала.

Возникновение скачка потенциала вызывается различными причинами. Одна из них – обмен заряженными частицами между металлом и раствором. При погружении металла в раствор электролита ионы металла, покидая кристаллическую решетку и переходя в раствор, приносят в него свои положительные заряды, в то время как поверхность металла, на которой остается избыток электронов, заряжается отрицательно.

Другой причиной возникновения потенциалов является избирательная адсорбция анионов из водного раствора соли на поверхности какого-либо инертного металла. Адсорбция приводит к появлению избыточного отрицательного заряда на поверхности металла и, далее, к появлению избыточного положительного заряда в ближайшем слое раствора.

Третья возможная причина - способность полярных незаряженных частиц ориентированно адсорбироваться вблизи границы раздела фаз. При ориентированной адсорбции один из концов диполя полярной молекулы обращен к границе раздела, а – другой, в сторону той фазы, к которой принадлежит данная молекула.

Измерить абсолютную величину скачка потенциала на границе электрод-раствор невозможно. Но можно произвести измерение ЭДС элемента, составленного из исследуемого электрода и электрода, потенциал которого условно принят за нуль. Полученная таким способом величина называется «собственным» потенциалом металла – E.

В качестве электрода, равновесный потенциал которого принят условно за нуль, служит стандартный водородный электрод.

Равновесным потенциалом называется потенциал, характеризующийся установившееся равновесие между металлом и раствором соли. Установление равновесного состояния не означает, что в электрохимической системе совсем не протекают никакие процессы. Обмен ионами между твердой и жидкой фазами продолжается, но скорости таких переходов становятся равными. Равновесие на границе металл-раствор соответствует условию

i К = i А =i О , (1)

где i К – катодный ток;

i О – ток обмена.

Для измерения потенциала исследуемого электрода могут применяться и другие электроды, потенциал которых относительно водородного стандартного электрода известен, - электроды сравнения.

Основными требованиями, предъявляемые к электродам сравнения – постоянство скачка потенциала, хорошая воспроизводимость результатов. Примерами электродов сравнения являются электроды второго рода: каломельный:

Cl - / Hg 2 Cl 2 , Hg

Хлорсеребряный электрод:

Cl - / AgCl, Ag

ртутносульфатный электрод и другие. В таблице приведены потенциалы электродов сравнения (по водородной шкале).

Потенциал любого электрода – E, определяется при заданных температуре и давлении величиной стандартного потенциала и активностями веществ, участвующих в электродной реакции.


Если в электрохимической системе обратимо протекает реакция

υAA+υBB+…+.-zF→υLL+υMM

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

Электроды второго рода - это металлические электроды, покрытые малорастворимой солью этого металла и опущенные в раствор хорошо растворимой соли, имеющей общий анион с малорастворимой солью: примером может служить хлорсеребряный, каломельный электроды и др.

Потенциал электрода второго рода, например, хлорсеребряного электрода, описывается уравнением

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

Окислительно-восстановительный электрод - это электрод, изготовленный из инертного материала и погруженный в раствор, содержащий какое-либо вещество в окисленной и восстановленной формах.

Различают простые и сложные окислительно-восстановительные электроды.

В простых окислительно-восстановительных электродах наблюдается изменение валентности заряда частицы, но химический состав остается постоянным.

Fe3++e →Fe2+

MnO-4+e→MnO42-

Если обозначить окисленные ионы через Ox, а восстановленные –через Red, то все написанное выше реакции можно выразить одним общим уравнением

Ox + e →Red

Простой редокси-электрод записывается в виде схемы Red , Ox / Pt , а его потенциал дается уравнением

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

Разность потенциалов двух электродов при выключенной внешней цепи называется электродвижущей силой (ЭДС) (E) электрохимической системы.

E = E + - E - (9)

Электрохимическая система, состоящая из двух одинаковых электродов, погруженных в раствор одного и того же электролита разной концентрации, называется концентрационным элементом.

ЭДС в таком элементе возникает за счет разности концентраций растворов электролита.

Методика эксперимента

Компенсационный метод измерения ЭДС и потенциала

Приборы и принадлежности: потенциометр Р-37/1, гальванометр, батарея аккумуляторов, элементы Вестона, угольный, медный, цинковый-электроды, растворы электролитов, хлорсеребряный электрод сравнения, электролитический ключ, электрохимическая ячейка.

Собрать схему установки (рис.2)

э. я. – электрохимическая ячейка;

э. и. – исследуемый электрод;

э. с. – электрод сравнения;

э. к. – электролитический ключ.

DIV_ADBLOCK84">

концентрации ионов CrO42- и H+ постоянны и равны 0,2 г-ион/л и 3-ион/л концентрация H+ меняется и составляет: 3; 2; 1; 0,5; 0,1 г-ион/л;

концентрация ионов CrO42-, Cr3+ постоянны и равны 2 г-ион/л и 0,1 г-ион/л соответственно, концентрация ионов H+ меняется и составляет: 2; 1; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 г-ион/л.

Задание 4

Измерение потенциала простой окислительно-восстановительной системы Mn+7, Mn2+ графит.

концентрация иона Mn2+ постоянна и равна 0,5 г-ион/л

концентрация ионов MnO2-4 меняется и составляет 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,01 г-ион/л;

концентрация ионов MnO-4 постоянна и равна 1 г-ион/л

концентрация ионов Mn2+ vменяется и составляет: 0,5; 0,25; 0,1; 0,05; 0,001 г-ион/л.

Обработка экспериментальных данных

1.Все полученные экспериментальные данные необходимо перевести на водородную шкалу.

3.Построить графическую зависимость потенциала от концентрации в координатах E, lgC, сделать вывод о характере влияния концентрации потенциалопределяющих ионов на величину потенциала электрода.

4.Для концентрационных элементов (задание 2) рассчитать диффузионный скачок потенциала φα по уравнению

φα = (10)

при измерении ЭДС компенсационным методом

1. Потенциометр должен быть перед работой заземлён.

2. При работе с аккумуляторами необходимо:

Использовать для проверки напряжения на клеммах переносным вольтметром;

При сборке аккумуляторов в батарею избегать замыкания корпуса и клемм во избежание получения сильного ожога.

3. После работы все приборы выключить.

Литература

1. Антропов электрохимия:

учебник / .- 2 изд. перераб. доп.-М.: Высшая школа, 1984.-519с.

2.-Ротинян электрохимия: учебник/ ,

Л.: Химия, с.

3. Дамаский / , .- М.: Высшая школа, 1987.-296с.

Что такое ЭДС (электродвижущая сила) в физике? Электрический ток понятен далеко не каждому. Как космическая даль, только под самым носом. Вообще, он и ученым понятен не до конца. Достаточно вспомнить Николу Тесла с его знаменитыми экспериментами, на века опередившими свое время и даже в наши дни остающимися в ореоле тайны. Сегодня мы не разгадываем больших тайн, но пытаемся разобраться в том, что такое ЭДС в физике .

Определение ЭДС в физике

ЭДС – электродвижущая сила. Обозначается буквой E или маленькой греческой буквой эпсилон.

Электродвижущая сила - скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил неэлектрического происхождения ), действующих в электрических цепях переменного и постоянного тока.

ЭДС , как и напряжени е, измеряется в вольтах. Однако ЭДС и напряжение – явления разные.

Напряжение (между точками А и Б) – физическая величина, равная работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из одной точки в другую.

Объясняем суть ЭДС "на пальцах"

Чтобы разобраться в том, что есть что, можно привести пример-аналогию. Представим, что у нас есть водонапорная башня, полностью заполненная водой. Сравним эту башню с батарейкой.

Вода оказывает максимальное давление на дно башни, когда башня заполнена полностью. Соответственно, чем меньше воды в башне, тем слабее давление и напор вытекающей из крана воды. Если открыть кран, вода будет постепенно вытекать сначала под сильным напором, а потом все медленнее, пока напор не ослабнет совсем. Здесь напряжение – это то давление, которое вода оказывает на дно. За уровень нулевого напряжения примем само дно башни.

То же самое и с батарейкой. Сначала мы включаем наш источник тока (батарейку) в цепь, замыкая ее. Пусть это будут часы или фонарик. Пока уровень напряжения достаточный и батарейка не разрядилась, фонарик светит ярко, затем постепенно гаснет, пока не потухнет совсем.

Но как сделать так, чтобы напор не иссякал? Иными словами, как поддерживать в башне постоянный уровень воды, а на полюсах источника тока – постоянную разность потенциалов. По примеру башни ЭДС представляется как бы насосом, который обеспечивает приток в башню новой воды.

Природа ЭДС

Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:

  • Химическая ЭДС. Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие химических реакций.
  • Термо ЭДС. Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты разнородных проводников соединены.
  • ЭДС индукции. Возникает в генераторе при помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
  • Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление внешнего или внутреннего фотоэффекта.
  • Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.

Дорогие друзья, сегодня мы рассмотрели тему «ЭДС для чайников». Как видим, ЭДС – сила неэлектрического происхождения , которая поддерживает протекание электрического тока в цепи. Если Вы хотите узнать, как решаются задачи с ЭДС, советуем обратиться к нашим авторам – скрупулезно отобранным и проверенным специалистам, которые быстро и доходчиво разъяснят ход решения любой тематической задачи. И по традиции в конце предлагаем Вам посмотреть обучающее видео. Приятного просмотра и успехов в учебе!

Приборы для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM Sensor Lab предназначены для измерений термо-ЭДС, поступающих от первичных преобразователей термоэлектрических, измеряющих температуру жидких металлов (чугуна, стали, меди и других) и ЭДС, генерируемой датчиками активности кислорода.

Описание

Принцип действия

Подаваемые на «измерительный» вход прибора для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab сигналы термо-ЭДС от первичного преобразователя термоэлектрического (термопары) и ЭДС от датчиков активности кислорода (мВ) преобразуются в цифровую форму и по соответствующей программе пересчитываются в значения температуры и активности кислорода. Эти сигналы воспринимаются тактами частотой до 250 c-1. Прибор имеет 4 входа: Ch0 и Ch2 - для измерений сигналов от термопар, и Ch1, Ch3 - для измерений сигналов ЭДС от датчиков активности кислорода.

В процессе измерений температуры, производится анализ изменения поступающего входного сигнала с целью определения его выхода на стабильные показания (характеризуется параметрами так называемой "температурной площадки", определяемой длиной (временем) и высотой (изменением температуры). Если за время, заданное длиной площадки, фактическое изменение температуры не превышает её заданной высоты (т.е. допускаемого изменения температуры), то площадка считается выделенной. Далее прибор для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM Sensor Lab усредняет тактовые значения температуры, измеренные на длине выделенной площадки, и выводит среднее значение как результат измерений на экран.

Аналогичным образом выделяются площадки, соответствующие выходу ЭДС на стабильные показания, размеры которых также задаются длиной (временем) и высотой (допускаемым изменением величины ЭДС).

Помимо измерений температуры ванны, прибор позволяет определять температуру ликвидус жидкой стали, которая может быть пересчитана по эмпирическому уравнению в содержание углерода. По результатам измерений ЭДС, генерируемой датчиками активности кислорода, расчётным путём определяется активность кислорода в жидкой стали, чугуне и меди, содержание углерода в стали, содержание серы и кремния в чугуне, активность FeO (FeO+MnO) в жидких металлургических шлаках и некоторые другие параметры, связанные с термическим состоянием и химическим составом жидких металлов. Прибор также имеет возможность определять уровень ванны (положение границы шлак металл) путём анализа скорости изменений температуры при погружении термопары в ванну и определения толщины слоя шлака специальными зондами.

Приборы для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab имеют две модификации, которые отличаются наличием или отсутствием сенсорного ЖK экрана (рисунок 1). При отсутствии экрана, управление прибором производится с внешнего компьютера или с промышленного планшета. В этом случае поставляется специальное программное обеспечения для осуществления связи между ними.

Сенсорный экран находится на передней панели корпуса прибора и на нём в цифровой и графической формах отображаются ход измерений, его результаты и другая информация, касающаяся измерений. На экран также выводится меню в виде текстовых закладок, с помощью которого производится управление прибором, его диагностика и просмотр данных о выполнен-

Лист № 2 Всего листов 4

ных ранее измерениях. В модификации «без экрана» вся вышеперечисленная информация отображается на экране компьютера или промышленного планшета.

Электронные платы прибора для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab устанавливаются в пылезащищённом стальном корпусе, выполненному по стандарту 19” для установки на монтажной стойке или крепления в щите.

Сигналы с первичных преобразователей могут передаваться на прибор двумя способами - по кабелю и по радио. В последнем случае прибор соединяется с принимающем блоком (Reciver Box) по последовательному интерфейсу, а на рукоятке погружных жезлов устанавливается передающее устройство (QUBE), которое преобразует сигналы, поступающие с датчиков, в радиосигналы, передающиеся на принимающий блок. Последний принимает их и передаёт в прибор для обработки.

Пломбирование прибора не предусмотрено.

Программное обеспечение

Инсталляция программного обеспечения (ПО) осуществляется на предприятии изготовителе. Доступ к метрологически значимой части ПО невозможен.

Конструкция СИ исключает возможность несанкционированного влияния на ПО средства измерений и измерительную информацию.

Уровень защиты встроенного ПО от непреднамеренных и преднамеренных изменений

Высокий по Р 50.2.077-2014.

Технические характеристики

Метрологические и технические характеристики приборов для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab приведены в таблице 1. Таблица 1

* - без учета погрешности первичного преобразователя, удлиняющего кабеля и датчика ЭДС.

Знак утверждения типа

Знак утверждения типа наносится типографским способом на титульный лист эксплуатационной документации типографским способом и на лицевую панель прибора методом офсетной печати.

Комплектность

Комплектность средства измерения приведена в таблице 2. Таблица 2

Поверка

осуществляется по МП РТ 2173-2014 «Приборы для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab. Методика поверки», утверждённой ГЦИ СИ ФБУ «Ростест-Москва» 26.10.2014г.

Основные средства поверки приведены в таблице 3. Таблица 3

Сведения о методах измерений

Сведения о методах измерений содержатся в руководстве по эксплуатации.

Нормативные и технические документы, устанавливающие требования к приборам для измерений температуры жидких металлов и ЭДС датчиков активности кислорода iM2 Sensor Lab

1 Техническая документация изготовителя Heraeus Electro-Nite GmbH & Co. KG.

2 ГОСТ Р 52931-2008 «Приборы контроля и регулирования технологических процессов. Общие технические условия».

3 ГОСТ Р 8.585-2001 «ГСП. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования».

4 ГОСТ 8.558-2009 «ГСП. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры».

при выполнении работ по оценке соответствия продукции и иных объектов обязательным требованиям в соответствии с законодательством Российской Федерации о техническом регулировании.