SU1241104A1 - Способ определени переменного поверхностного нат жени твердого электрода - Google Patents

Abstract

Способ предназначен дл  исследовани  поверхности раздела фаз твердое тело-жидкость. Цель - повышение точности определени  за счет исключени  погрешности, обусловленной выделением -тепла при адсорбции жидкой фазы. Способ включает закрепление части электрода, пропускание переменного тока через границу электрода с исследуемой электропроводной средой, задание среднего потенциала электрода и регистрацию колебаний изгиба электрода . Распределение тока на поверхности электрода создают симметричным относительно закрепленной части электрода. Колебани  изгиба детектируют синхронно с сигналом, который получают контролируемым сдвигом фазы переменного тока, электрод привод т в непол ризуемое состо ние и д т сдвиг фазы до значени , при котором результат детектировани  проходит через нуль. Затем электрод привод т в пол ризуемое состо ние и при указанном значении сдвига фазы измер ют результат детектировани  при заданном значении среднего потенциала. Непол ризуемое состо ние электрода получают введением электрода в контакт со вспомогатель- ,ной окислительно-восстановительной средой, а пол ризуемое состо ние электрода получают заменой вспомогательной окислительно-восстановительной среды на исследуемую среду. 2 ил. о в сл to 4

Description

1

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано дл  исследовани  поверхности раздела фаз твердое тело - жидкость.

Цель изобретени  повышение точности определени  путем исключени  погрешности, обусловленной вьщеле- нием тепла при адсорбции компонентов жидкой фазы на поверхности электрода . На фиг. 1 изображена сх€;ма устройства , реализующего предлагаемый способJ на фиг. 2 - зависимость сигналов детектировани  колебаний электрода в контакте с окислительно-восстановительной средой и исследуемой средой.

Устройство, реализующее способ измерени  переменного поверхностного нат жени  твердого электрода, содержит твердый электрод 1, состо щий из пластины 2 с отогнутыми крыль ми 3, и стержн  4, тсфец которого скреплен с пластиной 2 в ее центре. Стержень 4 твердого электрода закреплен в держателе 5, одетом на конец составного пьезоэлемента 6, работающего на удлинение. Другой коней пьезоэлемента зажат в неподвижной втулке 7, соединенной электричес . ки с одним из полюсов пьезоэлемента Стержень 4 и. втулка 7 заземлены.

Пластина 2 твердого электрода одной стороной приведена в контакт с жидкостью 8, залитой в сосуд. 9 в качестве исследуемой среды либо вспомогательной окислительной-восстанойи тельной среды.

Пластина 2 электрода 1 расположена над жидкостью 8 с образованием мениска. Такое расположение пластины по сравнению с ее расположением под поверхностью жидкости уменьшает сопртивление жидкости колеба:ни м электрода и в сочетании с вькодом крильев 3 за пределы мениска снижает вли ние плотности и в зкости жидкости на ем,- гшитуду колебаний электрода.

В жидкость 8 погружен вспомогательный электрод 10, имеющий форму пр моугольной пластины и служащий дл  пропускани  перемен ного тока через границу электрода 1с исследуемой средой. Относительно твердого электрода 1 он расположен так, что имеет две общие с твердым электродом 1 плоскости 11 и 12 симметрии (перпендикул рные плоскости черте

5

0

5

104

жа на фиг. 2). Благодар  этому переменный ток, протекающий между электродами 1 и 10, распределен по по- в рхности электрода 1 симметрично относительно стержн  4,  вл ющегос  закрепленной частью электрода 1.

В жидкость 8 погружены также дополнительный электрод 13 и электрод 14 сравнени , сл5окащие дл  задани  среднего потенциахга твердого электрода 1. Электроды 13 и 14 подключены к потен- циостату 15, из полосы пропускани  которого исключена частота пропускаемого через электрод 1 переменного тока , например полоса пропускани  ниже этой частоты.

Элек1 рсды 1 и 10 соединены электрической цепью, включающей нагрузочное сопротивление 16, конденсатор 17 и вторичную обмотку 18 трансформатора 19. Нагрузочное сопротивление 16 служит дл  стабилизации амплитуды переменного тока и ее измерени . Конденсатор 17 преп тствует прохождению постойнного тока через вспомогательный электрод 10. Первична  обмотка 20 трансформатора 19 подключена к выходу генератора 21 синусоидального напр жени  регулируемой частоты.

Пьезоэлемент 6 незаземленным полюсом подключен к входу усилител  22, выход которого соединен с одним из входов синхронного детектора 23. Другой вход синхронного детектора сое-. динен с генератором 21 через фазовращатель 24. Выходы синхронного детектора 23 и потенциостатл 15 подключены к регистратору 25, который позвог  ет калсдому значению сдвига фаз ы и кгшдому значению среднего по- тенциапа поставить в соответствие результат детектировани  - посто нное напр жение на выходе синхронного детектора 23.

Способ осуществл ют следующим образом.

Пример. Измерение переменного поверхностного нат жени  твердого электрода из платины в водном 0 растворе серной кислоты 0,1  . Hj SO при потенциале +1,1 В относительно равновесного водородного электрода в том же растворе. Фактор шероховатости электрода 1,3.

Пластина 2 твердого электрода 1 имеет толщину 0,25 мм и приварена к торцу платинового стержн  4J имеющего диаметр 0,5 мм. Обращенна  к

0

5

0

5

5

3

жидкости Н грань пластины 2 имеет размер 5 х 10 мм. Размер Каждого из крыльев 3-5 х 5 мм.

Стержень 4 закрепл ют в держателе 5, соединенном с пьезоэлементом 6. В сосуд 9 заливают жидкую окислительно-восстановительную среду - водный раствор. 0,2 М K FeCCN) + + 0,2 V (CN) . Нижнюю, грань пластины 2 электрода 1 привод т в контакт с поверхностью жидкости 8, затем уровень жидкости опускают на 2 мм, в результате чего под электродом образуетс  мениск.

С помощью генератора 21 и транс- форматора 19 через цепь, соедин ющую электроды 1 и 10, пропускают переменный ток. Частоту переменного тока устанавливают равной 2,25 кГц одной из резонансных частот системы электрод 1 - пьезоэлемент 6. Измер   падение напр жени  на калиброванном нагрузочном сопротивлении 16,1 кОм, устанавливают амплитуду переменного тока равной 10 мА.

Измер ют с помощью регистратора 25 сигнал детектировани  Dp.. Фазовращателем 24 измен ют сдвиг i фазы опорного сигнала и-.стро т зависимос сигнала детектировани  от сдвига fj фазы. На этой зависимости наход т максимум (точка R на фиг.2) и прини мают максимальное значение результата детектировани  (D) за единицу. Затем наход т значение 1, сдвига i фазы, при котором результат детектировани  проходит через нуль, и фиксируют это значение (тока Q на фиг.

Далее электрод 1, закрепленный в держателе 5, промывают и замен ют окислительно-восстановительную среду исследуемой средой - водным раствором серной кислоты, сохран   преней высоту подъема электрода над уровнем жидкости.

С помощью электродов 13 и 1.4 и п тенциостата 15 устанавливают средний потенциал электрода 1 равным +1,Г В. Пропускают через электрод 1 переменный ток с прежними частотой и амплитудой. При фиксированном ранее значении сдвига фазы г н, , измер ют результат детектировани  DC (точка Р на фиг.2). Отношение

ординат точек Р и R представл ет собой безразмерную величину

Оз( г.о)/Вгт.

Мен   фазовращателем сдвиг фазы, наход т максимум величины Dj- (точ044

ка S на фиг. 2). Величина D содержит вклад Df поверхностного нат жени  и вклад теплового нат жени , который в данном случае  вл етс  помехой и должен быть исключен. При Ч вклад теплового нат жени  равен нулю и Dg Df . Величина DC достигает максимума в точке С (фиг. 2), координаты которой могут быть определены расчетом на основе проведенных измерений.

Амплитуду переменного поверхностного нат жени  рассчитывают по формулам , v , - 1 i Ус 1

иУс

U)

ас}|

Ds lrol

) 1,

f HA

причем

4/ -dr j М (f,r);

JC BY .„/# /),

I c3q ri-d, fp M(, ;).Td}i22 ;

W p/eK ;

n,f.p.

30 ,

5

0

5

где if - поверхностное нат жение

твердого электрода -в пол ризуемом состо нии}

- углова  частота переменного

тока aj 2 Г{;

I) - количество электричества, пропущенное через единицу площади электрода, в исследуемой среде - поверхностна  плотность зар да;

а) - амплитуда плотности тока через границу твердого электрода с исследуемой либо вспомогательной электропроводными средами; J - толщина пластины 2 электрода U

1С,,р - соответственно теплопроводность , удельна  теплоемкость, плотность пластины 2 (без индекса) и жидкости (с индексом 0),

б - коэффициент линейного теплового расширени  пластины 2, . Y - модуль упругости пластины 2,

(Ь - коэффициент Пуассона пластины 2;

W - тепло Пельтье вспомогательной окислительно-восстанови- тельной среды.

5

При Г t О,1 в случае водных раство- Р(1П допустимо использовать параметры J fo fo дл  воды. В общем случае расчет Ч провод т, использу  указанные параметры дл  исследуемой среды, а расчет I dfff, 3(1 - использу  эти параметры дл  вспомогательной среды.

При 2 с .точностью, лучшей, чем

1%.. 1 .

Ч dfCtq----; -- ./ fl

1

IA1(

/7.

1M

... 1 1

в услови х данного примера Dg ( 2 го) /С,„ 1,143; f 2,25 кГц; А 0,25 мм; W В. Дли платины if 2,083 i 0,010, дл  платины и .воды Т 0,111. Дл  этих значений приведенные формулы дают

ч- 0,3060 17°32 ; 1М - 0,7172;

/ajf.o / ас},; 0,311 в; / / - а5бР---. 8в.

Средней амплитуде плотности тока /AJI 20 мА/см соответствует амплитуда поверхностного нат жени  /лк д 17,1 дин/см.

Максимуму DC

sm oiv 1)5(11)5 соответствует величина

Ц I

sm гж

котора  вклю11ает погрешность, св занную с выделением тепла, и может быть измерена известным способом, .Из бпыта (фиг.2) D m/I rm 4,05 (от- ношение ординат точек S и R ), отсюда , 1,26 В. Относительна  погрешность, исключаема  J3 данном случае благодар  применению предлагаемого способа, составл ет

1 ,

л - .П П/

/aic, услови х неравномерно1 о распре- делени  тока по поверхности электрода симметри  этого распределени  обеспечивает компенсацию колебаний удлинени  пластины электрода. То, что из двух электрических сигналов ток и потенциал - дл  формировани  опорного сигнала применен ток, позвол ет использовать один и тот же

24t

fO

) /

2S

30

40 45

55

104ё

сдгзиг фа ы опорного сигнала при детектировании колебаний г-хиектрода в обеих средах - вспомогательной и исследуемой.

Б другом варрганте способа измерени  переменного поверхFIOCTнего нат жени  твердого электрода при найденном значении сдвига фазы } , регистрируют зависимость сигнала детектировани  тотенциала Е, твердого э.11ектрода. Крива  Ash.ro / Е - 15падает с кривой /cij /ac./ t; с точностью до коэффициента пропор- цио1;:альности. Сведени  о твердом электроде могут быть получены из кривой 1),- ( }-Е без определени  коэффициента пропорциональности. Например , могут быть. 1 дйдены нули эс танса, т.е. значени  потенциала Е.. , при которых (-/(5с}, проходит через нуль и которые могут быть сопоставлены с потенцкапами н атевого зар да электрода , Така  информаци  может быть получена предлагаемым способом без каких-либо расчетов.

Способ измерени  переменного поверхностного нат жени  твердого электрода имеет также другие варианты. Электрод 1 может быть составлен из двух.параллельных пластин, зазор между которыми заполн ют всг;омо-- гательной, а затем исследуемой элек- тропроводньши средами. Переменньм ток ггропускают между указаньгыми пластинами через электропроводную среду 3 зазоре. Возможность произвольного уменьшени  зазора и заключенногЪ в зазоре объема среды позвол ет использовать вспомогательную среду, значительно отличающуюс  от исследуемой по плотности и в зкости, обеспечивает выравнивапие распределени  тока.

Нар ду с применением окислительно-восстановительной среды предлагаемый способ допускает дРУгие возможности приведени  электрода в непол риз5 емое состо ние. Это может быть достигнуто, например, с ещением потенциала электрода за пределы области пол ризуемости в исследуемой среде. При этом на электроде протекает фарадеевский процесс, например электрорастворение электрода, сопровождающеес  обратимым зыделег{ием тепла на его поверхности. Дл  электрорастворени  электрода может быть применена также вспомогательна  среда, содержаща  ионы метал.па, из которого выполнен электрод.

7

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ определени  переменного поверхностного нат жени  твердого электрода, заключающийс  в закреп-

   лении части электрода, пропускании переменного тока -через границу электрода с исследуемой электропроводной средой, задании среднего потенциала электрода и регистрации коле- баний изгиба электрода,- отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  за счет исключени  погрешности, обусловленной вьщепением тепла при адсорбции

   на поверхности электрода, при пропускании переменного тока через границу электрода с исследуемой электропроводной средой создают симметричное распределение переменного тока на поверхности электрода относительно его закрепленной части, регистрацию колебаний изгиба осуществл ют путем детектировани  их

   104

   синхронно с опорным .сигналом, в качестве которого используют пере- менньй ток, сдвинутый по фазе относительно переменного тока через границу электрода, причем сначала привод т электрод в непол ризуемое состо ние контактом со вспомогательной окислительно-восстановительной средой , измер ют зависимость сигнала детектировани  от сдвига фаз, фиксируют значение сдвига фаз, при котором сигнал детектировани  равен нулю , и максимальную величину сигнала детектировани , затем привод т электрод в.пол ризуемое состо ние контактом с исследуемой средой, измер ют сигнал детектирован и  в этом состо нии при фиксированном значении сдвига фаз, определенном дл  непол ризуемого состо ни  электрода, а поверхностное нат жение вычисл ют по отношению этого сигнала к максимальному сигналу детектировани  дл  образца в непол ризуемом состо нии.

   Редактор Б. Копча

   Срставитель А. Кощеев Техред М.Моргентал

   Заказ 3480/37Тираж 778Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета СССР

   по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб,, д. 4/5

   .e.e.Ji-.-«eee«e.i.«-.-.««-..-.-..«™,..™.. ,, ,. .- --..- «.-. - .- «..-..-.--..«-.-..-«,...-....« .......«. .и . .и

   Ироизводственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4

   Корректор М, Максимишинец