3774

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ КОНТАКТНОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Цель работы. Измерить электрохимические потенциалы различных металлов в различных средах, изучить краткосрочную динамику изменения этих потенциалов, определить возможные разности потенциалов, вызывающие контактную коррозию металлов в заземляющих системах электроустановок.

Методы измерения

Измерения проводятся при помощи измерительного преобразователя рН-метра МУЛЬТИТЕСТ ИПЛ-301. Прибор позволяет измерять:

потенциалы металлов в водных растворах кислот, солей и осно-

ваний по отношению к стандартному электроду сравнения (в преде-

лах ± 3000 мВ);

водородный показатель среды – рН (Водородный показатель сре-

ды – рН – это значение десятичного логарифма концентрации ионов водорода, взятое с обратным знаком. Обычно значения рН лежат в пределах 1…12. При рН = 1 концентрация ионов водорода наибольшая и составляет 0,1 моль/л. Такая среда называется кислой. При рН = 12 в растворе преобладают ионы ОН–, а концентрация ионов водорода минимальна и равна 10–12 моль/л. Такая среда называется щелочной. Нейтральной называют среду с рН = 7. Ниже этого значения среда все в большей степени кислая, а выше – все более щелочная.) (от 0 до 14);

температуру раствора (от –10 до +120 С).

Стандартный электрод сравнения, по отношению к которому из-

меряются электрохимические потенциалы различных металлов, – это хлорсеребряный электрод, собственный потенциал которого не зависит от окружающей среды. Хлорсеребряный электрод представляет собой находящийся в растворе хлористого калия электрод из серебра, покрытого малорастворимым хлористым серебром. Равновесный обмен ионами хлора межу раствором и твердым электродом создает стабильный

11

электрохимический потенциал. Раствор хлористого калия в электроде электрически соединяется с раствором, в котором расположен испытываемый образец, при помощи отверстия в нижней части электрода, через которое формируется канал с ионной проводимостью (ионный мост).

Для измерения водородного показателя среды используется специальный электрод типа ЭС-1, потенциал которого зависит от концентрации ионов водорода в растворе и измеряется по отношению к стандартному электроду сравнения.

Для определения температуры раствора используется датчик температуры типа ДТУ, преобразующий температуру в значение сопротивления. Датчик предназначен для автоматического внесения поправок в результаты измерений.

Описание лабораторной установки

Общий вид лабораторной установки показан на рис. 3.1.

В лабораторный стол встроены три стеклянных резервуара с электролитом. В каждом резервуаре электролит имеет определенное значение рН. Резервуары сверху прикрываются съемными крышками-панелями,

Отверстие для электрода сравнения Клеммы для подключения металлических электродов

Отверстие для рН-электрода Отверстие для датчика температуры .

Съемная крышка-панель

		7	8	9	сброс выход
		4	5	6		,	выбор
		1	2	3		0	ввод
сеть
				рН		φ	φ
Э1ср	Э2ср Э3ср		Э4ср
Э1рН	Э1рН	Э1рН	Э1рН

Резервуары с электролитом

Рис. 3.1. Установка для измерения электрохимических потенциалов

12

которые имеют клеммы для подсоединения образцов металлов и отверстия для электродов. Назначения отверстий показаны на рис. 3.1. Отверстие для датчика температуры имеется лишь на одной крышкепанели, которую следует устанавливать, как правило, на средний резервуар.

Электроды сравнения и электроды для определения рН перед началом опыта хранятся в сосуде с дистиллированной водой.

Прибор МУЛЬТИТЕСТ ИПЛ-301 установлен над панелью с переключателем. Панель с переключателем (далее Панель) предназначена для оперативного переключения электродов сравнения и рНэлектродов при переходе от резервуара к резервуару при измерениях.

Датчик температуры подключают, минуя Панель, непосредственно к соответствующему гнезду, расположенному на задней стороне прибора.

Электроды сравнения подключаются к клеммам Панели Э1ср–Э3ср в соответствии с принятыми номерами резервуаров. Электроды для измерения рН подключаются к клеммам Панели Э1рН–Э3рН, также в соответствии с принятыми номерами резервуаров.

К клемме «θ» панели подключается одним концом проводник с измерительным щупом. Измерительный щуп в процессе измерений подсоединяется к клеммам с образцами металлов.

Образцы металлов представляют собой стержни и пластины из материалов:

сталь, оцинкованная сталь, медь, свинец,

сталь в бетоне.

Вначале исследуются электрохимические потенциалы четырех металлов, а затем изучаются электрохимические потенциалы голой стали и стали, покрытой слоем бетона.

Методические указания

Внимание! Перед началом работы следует четко представлять, что в резервуарах с электролитами находятся кислые и щелочные растворы, попадание которых на кожу рук и другие части тела (особенно глаза!) недопустимо. Для этой цели работа с испытываемыми образцами выполняется в следующем порядке.

13

Перед началом работы сухие образцы металлов расположены на тканевой подложке.

С резервуаров снимают крышки-панели.

К зажимам «крокодил», установленным с нижней стороны крыш- ки-панели, прикрепляются образцы металлов (в одинаковом порядке для всех трех банок).

Крышки-панели устанавливают на резервуары, при этом образцы металлов оказываются погруженными в электролит (уровень электролита не должен доходить до концов зажимов).

В отверстия крышек-панелей устанавливают электроды сравнения, электроды для измерения рН и датчик температуры. Предварительно электроды и датчик должны быть присоединены к панели с переключателем.

Производят измерения (см. ниже).

После окончания измерений из крышек-панелей вынимают и переносят в сосуд с дистиллированной водой электроды и датчик.

Крышки-панели снимают поочередно и переносят к раковине, где из зажимов вынимают образцы (без прикосновения к ним).

Образцы промывают проточной водой и протирают сухой тканью. После этого образцы укладывают на тканевую подстилку.

При попадании электролита на кожу рук или другие части тела их промывают проточной водой.

Измерения производятся в следующем порядке.

1.Включают прибор тумблером «Сеть» (предварительно прибор должен быть подключен к сети шнуром питания)2.

2.Переключатель «рН-θ» на панели устанавливается в положение

«рН».

3.Клавишей «Выбор» на приборе устанавливают режим «Измерение». При входе в режим «Измерение» на индикатор в нижней строке выводятся размерность измеряемой величины (мВ или рН) и температура.

4.Клавишей «Ввод» выбирается размерность «рН».

2Сразу после включения прибор выполняет серию внутренних тестов и, если проверки прошли успешно, на экран выводится название прибора и фирмыпроизводителя. Затем прибор автоматически переходит в главное (основное) меню.

14

5.Центральный переключатель панели устанавливают в положение

«Э1ср–Э1рН» и производят отсчет рН в первом резервуаре. Далее аналогично измеряют значение рН во втором и третьем резервуарах, устанавливая переключатель в соответствующие положения.

6.Переключатель «рН-θ» на панели с переключателем устанавливают в положение «θ».

7.Клавишей «Ввод» выбирают размерность «θ».

8.Центральный переключатель панели устанавливают в положение

«Э1ср–Э1рН» и производят отсчет потенциалов θ всех образцов в первом резервуаре. Измерения производят при помощи щупа, подсоединенного к клемме «θ» Отмечают время измерений.

9.Центральный переключатель панели устанавливают в положение

«Э2ср–Э2рН» и производят отсчет потенциалов θ всех образцов во втором резервуаре. Отмечают время измерений.

10.Центральный переключатель панели устанавливают в положе-

ние «Э3ср–Э3рН» и производят отсчет потенциалов θ всех образцов в третьем резервуаре. Отмечают время измерений.

11.Далее измерения по пп. 8–10 проводятся через определенное время с целью выявления тренда потенциала каждого из образцов. Рекомендуется снимать зависимость потенциала от времени с интервалом в 1 минуту в первые 5 минут, и с интервалом в 2…3 минуты последующее время. Общее время измерений 20…30 минут.

12.По завершении работы крышки-панели с образцами переносятся в раковину, образцы промывают, протирают сухой тканью и раскладывают на тканевой подложке.

13.После измерения образцов из стали, меди, свинца и цинка аналогичный опыт проводят для образцов из стали и железобетона.

14.По окончании измерений проводят контрольную проверку значений рН в резервуарах. Для этого клавишей «Ввод» выбирают размерность «рН» и повторно выполняют пп. 2, 4 и 5.

15.По завершении работы крышки-панели с образцами переносятся в раковину, образцы промываются, протираются сухой тканью и раскладываются на тканевой подложке.

16.Отчет оформляется один на бригаду. В отчете должны быть представлены таблицы измерений и графики тренда электрохимических потенциалов. Защита отчета проходит индивидуально.

15

Контрольные вопросы

1.Что такое электрохимическая коррозия металлов?

2.Какие виды электрохимической коррозии металлов в электроустановках вы знаете?

3.Когда возникает контактная коррозия металлов?

4.Расположите металлы по порядку убывания электродных потенциалов.

5.Как зависят электродные потенциалы меди от повышения рН?

6.Как изменяются потенциалы стали при понижении рН?

7.Какой металл из пары «сталь–медь» будет корродировать в нейтральной, кислой и щелочной средах?

8.Какой металл из пары «сталь–цинк» будет корродировать в нейтральной, кислой и щелочной средах?

9.Какой металл из пары «сталь–свинец» будет корродировать в нейтральной, кислой и щелочной средах?

10. Каков механизм защиты стали от коррозии посредством оцинковки?

11. Почему потенциал стальной арматуры бетонных образцов более стабилен в разных средах, чем потенциал стали?

12. Контакты с какими металлами усиливают коррозию стали в земле?

13. Можно ли защитить стальные заземлители от коррозии их оцинковкой, если заземлители соединены в электроустановке с арматурой железобетонных фундаментов?

16

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА

УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Цель работы – определить удельное сопротивление меди, алюминия и стали в образцах проволок из этих металлов и установить зависимость удельного сопротивления от температуры

Методы измерения

Удельное сопротивление металлов определяется через сопротивление участка проволоки, на котором измеряется падение напряжения при заданном токе (метод амперметра–вольтметра). По закону Ома для участка цепи находится сопротивление этого участка. С учетом сечения проволоки и длины участка, на котором измеряется падение напряжения, определяется удельное сопротивление.

Сечение проволок определяется по результатам измерений их диаметров. Диаметр измеряется при помощи штангенциркуля с точностью до 0,1 мм (приложение 5). После измерения диаметров всех проводников и знакомства с устройством и правилами работы с установкой можно начинать измерения.

Вначале измерение падений напряжения проводится при малом токе, который практически не нагревает проволоки. Если ток увеличить, то проволока начнет греться.

Температура проволоки измеряется при помощи термопары, ЭДС которой зависит от температуры. Термопара подключена к цифровому милливольтметру, его шкала проградуирована в градусах Цельсия.

Повысив с помощью большого тока температуру проводников до определенных значений, можно вновь методом амперметра–вольтмет- ра измерить сопротивление ее участка и вычислить удельное сопротивление при другой температуре. По этим данным можно определить температурный коэффициент сопротивления.

17

Описание лабораторной установки

Для выполнения работы используется лабораторная установка, в которой сопротивление проводников определяется по методу ампер- метра–вольтметра, а нагрев осуществляется переменным током промышленной частоты. Электрическая схема установки показана на рис. 3.2, а конструктивное выполнение установки на панели стенда – на рис. 3.3.

Рис. 3.2. Электрическая схема установки

Рис. 3.3. Схема установки для измерения удельного электрического сопротивления металлов

18

Цифрами 5, 6, 7 на рис. 3.3 обозначены испытываемые проволоки (5 – медная, 6 – алюминиевая, 7 – стальная), соединенные последовательно. Ток через них устанавливается регулировочным трансформатором (TV1, здесь и далее обозначения по рис. 3.2), ручка регулировки которого 12 находится на панели лабораторного стола, справа. Перед началом и по окончании работы, а также при всех переключениях в схеме напряжение на трансформаторе следует устанавливать минимальным, для чего ручка регулировки 12 поворачивается против часовой стрелки до упора.

Для измерения токов предназначены два амперметра. Один из них 9 (РА1) – амперметр прямого включения предназначен для измерения токов до 5 А. Для измерения больших токов установлен другой амперметр 10 (РА2), подключенный к схеме через трансформатор тока (ТА1) с коэффициентом трансформации 200/5. Если ток превышает 5 А, следует включить рубильник 8 (Q1) и зашунтировать амперметр прямого включения. Показания при этом надо снимать по амперметру 10, шкала которого проградуирована в пределах 0…200 А.

Падение напряжения на проводах измеряется милливольтметром 1 (PV1) на длине 10 см. Вольтметр подключается к тому или иному проводнику при помощи переключателя 3 (SA1). Переключателем 4 (на рис. 3.2 не показан) можно в 10 раз изменить предел измерения.

Температура проводников измеряется при помощи термопар (R1, R2, R3) и соединенного с ними измерителя 2 (PT1). Подключение измерителя к той или иной термопаре производится при помощи переключателя 3(SA1).

Термопары и участки, на которых измеряется падение напряжения, закрыты стеклотканью.

Методические указания

Внимание! При включенной установке провода находятся под напряжением. При протекании тока провода нагреваются до высоких температур. Запрещается трогать провода руками и прикасаться к ним другими частями тела.

Работа проводится в три этапа.

На первом этапе выполняются следующие действия.

1. Размыкают рубильник 8, шунтирующий амперметр прямого включения 9, и проверяют исходное положение ручки регулировки трансформатора 12 (ручка должна быть повернута против часовой стрелки до упора).

19

2.При помощи штангенциркуля измеряют диаметры проволок.

3.Тумблером 13 включают установку.

4.Плавным и медленным вращением ручки регулировки трансформатора устанавливают ток по амперметру прямого включения. Рекомендуемое значение тока – 5А.

5.Измеряют падения напряжения (измеритель 1) и температур (измеритель 2) у проволок:

медной (положение 1 переключателя 3), алюминиевой (положение 2 переключателя 3), стальной (положение 3 переключателя 3).

Измеренные значения записывают в отчет.

6.Вращением ручки регулировки трансформатора 12 (против часовой стрелки до упора) снижают до минимума ток в цепи и отключают установку.

7.Рассчитывают значения удельного сопротивления и сравнивают их со справочными данными [4]. Если значения, полученные экспериментально, отличаются от справочных более чем на 10 %, их анализируют, выявляют ошибки при проведении измерений и этап 1 повторяется.

На втором этапе выполняются следующие действия.

1.Замыкают рубильник 8, шунтирующий амперметр прямого включения, и проверяют исходное положение ручки регулировки трансформатора 12 (ручка должна быть повернута против часовой стрелки до упора).

2.Тумблером 13 включают установку.

3.Плавным и медленным вращением ручки регулировки трансформатора 12 по часовой стрелке до упора устанавливают максимально возможный ток по амперметру, включенному через трансформатор тока.

4.В положении 3 переключателя 3 производят контроль роста температуры стальной проволоки до ее стабилизации, когда выделяемая электрическая мощность становится равной отводимому теплу.

5.Измеряют падения напряжения (измеритель 1) и температур (измеритель 2) у проволок:

стальной (положение 3 переключателя 3), алюминиевой (положение 2 переключателя 3), медной (положение 1 переключателя 3).

Измеренные значения записывают в отчет.

20