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零電阻安培計(jì)(Zero Resistance Ammeter,ZRA)是一種常見(jiàn)的電化學(xué)腐蝕測(cè)量技術(shù),通常用于測(cè)量耦合電流。當(dāng)ZRA用于測(cè)量接近1mA的電流時(shí),其電阻可能為50kΩ,因此,相比于低電流的測(cè)量,ZRA方法更適用于較高電流的測(cè)量。此外,確定安培計(jì)能否有效地用于測(cè)量耦合電流的唯.一標(biāo)準(zhǔn)是它的電壓與零的接近程度[1] 。因此,這種安培計(jì)又被稱為零電壓安培計(jì)(ZVA)。
ZRA的應(yīng)用
兩個(gè)或多個(gè)電偶電極之間流動(dòng)的電流可通過(guò)安培計(jì)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)具有不同電極電位的金屬或合金相連并暴露在電解質(zhì)溶液中時(shí),其中電位較低的材料作為陽(yáng)極,腐蝕加速,而電位較高的材料作為陰極,腐蝕減慢。這種在大氣或者電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕(即電偶腐蝕)可以使用測(cè)量耦合電流的ZRA對(duì)電偶腐蝕行為進(jìn)行評(píng)估。該方法被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中,如采用ZRA對(duì)處于海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土局部腐蝕萌發(fā)的判斷[2];M.T. Monta?és等人[3]使用ZRA測(cè)試溫度和雷諾數(shù)對(duì)的銅/AISI 304不銹鋼在溴化鋰中電偶腐蝕的影響,并對(duì)電偶腐蝕過(guò)程進(jìn)行了深入分析;Dong等人[4]采用ZRA對(duì)1020碳鋼和304L不銹鋼電偶對(duì)在3.5wt%NaCl+5wt%天然矽砂介質(zhì)中的腐蝕行為,腐蝕效應(yīng)及規(guī)律進(jìn)行了研究。ZRA方法除應(yīng)用于兩種不同電極電位金屬之間的電偶電流測(cè)量之外,兩個(gè)*相同的電極之間的電化學(xué)噪聲(ECN)也可通過(guò)ZRA進(jìn)行測(cè)量研究[5],如M. Shahidi等[6]采用ZRA方法測(cè)試ECN,并分析比較對(duì)稱和非對(duì)稱電池對(duì)電化學(xué)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。近年來(lái),ZRA還被廣泛應(yīng)用于測(cè)量多電極陣列中的耦合電流,安培計(jì)由并聯(lián)電阻組成,施加可忽略的低電壓,用于測(cè)量耦合多電極陣列傳感器中的耦合電流[7]。在這些安培計(jì)中,并聯(lián)電阻被接入測(cè)量電路中,電壓計(jì)用來(lái)測(cè)量并聯(lián)電阻上的電壓,通過(guò)歐姆定律得出電流。因這一類的安培計(jì)中使用的并聯(lián)電阻阻值在10~100000Ω之間,這類儀表也被稱為零電壓安培計(jì)。
ZRA的測(cè)量方式
3.1 采用反相運(yùn)算放大器測(cè)量ZRA
通常被稱為ZRA的安培計(jì)配有一個(gè)運(yùn)算放大器(運(yùn)放),如圖所示。如果運(yùn)算放大器是理想的,則反相端(Vn)處的電勢(shì)等于非反相端(Vp)處的電勢(shì)。因此,輸入電阻即壓降(Vp-Vn)與測(cè)量電流(I)之比也為零。
運(yùn)算放大器測(cè)量耦合電流的基本線路圖
3.2 恒電位儀測(cè)量ZRA
恒電位儀常用作ZRA測(cè)量電偶腐蝕和ECN,在不施加任何電壓或者電流的情況下,簡(jiǎn)單測(cè)量陽(yáng)極和陰極間的自由流動(dòng)的電流值以及工作電極和參比電極之間的電位差值。使用恒電位儀作為ZRA進(jìn)行電偶腐蝕測(cè)試的電極連接方式如圖所示。
恒電位儀進(jìn)行ZRA測(cè)試時(shí)電極連接方式
東華DH7000系列電化學(xué)工作站激勵(lì)信號(hào)及關(guān)鍵參數(shù)
4.1 激勵(lì)信號(hào)
DH7000系列電化學(xué)工作站零電阻安培計(jì)法的激勵(lì)信號(hào)如圖所示。
DH7000系列零電阻安培計(jì)法的激勵(lì)信號(hào)
4.2 關(guān)鍵參數(shù)
DH7000系列電化學(xué)工作站進(jìn)行零電阻安培計(jì)測(cè)試時(shí)需要設(shè)置的參數(shù)主要為每點(diǎn)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。
每點(diǎn)時(shí)間:表示采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間。儀器可設(shè)置范圍0.0002s~10000s。依據(jù)樣品及體系的特性,在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中,推薦設(shè)置范圍0.001s~1s。
持續(xù)時(shí)間:實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間,儀器設(shè)置范圍無(wú)限制。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,依據(jù)樣品及體系的特性適當(dāng)設(shè)置。
全部點(diǎn)數(shù):一次脈沖采集一個(gè)點(diǎn)。為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)數(shù)。
注意事項(xiàng):在ZRA的連接中,只要連接上電線,就會(huì)有電流通過(guò)(該過(guò)程并不受電解池開(kāi)關(guān)的控制),因此,連接導(dǎo)線至電解池后,即可設(shè)置和啟動(dòng)實(shí)驗(yàn),立即收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
測(cè)試體系
5.1 Cu-Ag體系
1)測(cè)試體系:在3.5wt%NaCl溶液體系下,選用鍍銀銅片(1.5cm×1.5cm)為WE(WE+SE),尺寸相同的銀片為G,SCE為RE組成的三電極體系進(jìn)行ZRA測(cè)試。
3)基本激勵(lì)信號(hào)參數(shù):采樣時(shí)間0.01s,持續(xù)時(shí)間300s。
4)測(cè)試使用儀器:DH7000電化學(xué)工作站
5)測(cè)試結(jié)果:
DH7000系列電化學(xué)工作站在腐蝕體系下的ZRA測(cè)試結(jié)果
5.2 Fe-Cu體系
1)測(cè)試體系:在3.5wt%NaCl溶液體系下,選用Fe棒為WE(WE+SE),大小尺寸相同的銅棒為G,SCE為RE組成的三電極體系進(jìn)行ZRA測(cè)試。
3)基本激勵(lì)信號(hào)參數(shù):采樣時(shí)間0.01s,持續(xù)時(shí)間300s。
4)測(cè)試使用儀器:DH7006電化學(xué)工作站
5)測(cè)試結(jié)果:
DH7000系列電化學(xué)工作站在腐蝕體系下的ZRA測(cè)試結(jié)果
總結(jié)
零電阻安培計(jì)是在不施加任何電壓或者電流的情況下,簡(jiǎn)單測(cè)量陽(yáng)極和陰極間的自由流動(dòng)的電流值以及工作電極和參比電極之間的電位差值,是一種常見(jiàn)的腐蝕電化學(xué)測(cè)量技術(shù)。通過(guò)ZRA方法,可以測(cè)量?jī)煞N相同金屬體系下的電化學(xué)噪聲,也能測(cè)量?jī)煞N不同電極電位金屬組成的電偶腐蝕電流,從而對(duì)腐蝕過(guò)程、機(jī)理、陰極保護(hù)等方面進(jìn)行深入研究。此外,確定是否可以使用安培計(jì)測(cè)量耦合電流的唯.一標(biāo)準(zhǔn)是施加的電壓如何接近零。因此,零電壓安培計(jì)(ZVA)在用于測(cè)量低電流時(shí)被用作ZRA的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)。
參考文獻(xiàn)
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