Устройство для измерения поверхностного натяжения твердых электродов

 

ОЛИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

l78l6l

Сан(а Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства Л

1 л. 421, 13>а

Заявлено 31.Х11.1964 (№ 936457 26-25) с присоединением заявки ¹

Приоритет

;HIw G O1n

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

УДК 532.612.3.08:621.3..035.2 (088.8) Опубликовано 08.1.1966. Бюллетень ¹ 2

Дата опубликования описания 25.II.1966

Автор изоорс,;! я в и

УСТРОЙСТВО ДЛЯ И31т1ЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО

НАТЯЖЕНИЯ ТВЕРДЬ1Х ЭЛЕКТРОДОВ

Предлагаемое устройство может быть применено в области электрохимии для измерения поверхностного натяжения твердого электрода и зависимости от переменного потенциала электроды и времени.

В известных устройствах, позволяющих проследить зависимость поверхностного натяжепия твердого электрода от его потенциала и установить потенциал максимума поверхностного натяжения, т. е. потенциал нулевого заряда, при определенном постоянном значении потенциалов измеряется либо твердость испытуемого электрода, смоченного электролитом, либо деформация ползучести электрода.

Предлагаемое устройство снабжено пьезоэлементом, скрепленным с исследу емых(электродом и генератором линейно и периодически изменя ощсгося напряжения в качестве источника э.д.с. Высокочастотные колебания напряукения, возбуждаемые в электроде путем r(eриодического изменения потенциала, воспрнпимаются пьезоэлементом и регистрируются с помощью избирательного усилителя, что позволяет измерять поверхностное натяжение, меняющееся во времени, например, в результате быстрого изменения среднего значения потенциала, и достичь высокой чувствительности при регистрации колебаний поверхностного натяжения, вызванных колебаниями потенциала с амплитудой, малой(, по сравнению с областью изменения среднего значения потенцг(ала.

Благодаря регистрации колеба(шй! c((ëû, í(3 правленной вдоль оси симметрии электрода, устройство позволяет исключить влияние дополнительного давления, воспршшм",емого поверхностью электрода нрн прохождении переменного тока, а также ооеспечнвает простую связь измеряемой величины с поверхностным натяжением.

Пьезоэлектрическая ячейка снабжена подвижным цилиндром, cêîëьзящим в обойме, и пружиной, постоянное удлинение которой обеспечивает предварительное натяжение электрода, выполненного и "»(:(å проволоки либо ленты фольги. Обоймы снабжена стопорным горшнсх(, оказывающим малое давление на боковую поверхность цнлипдра. (та фнг. 1 изоб13а:кена пьезоэ.те((Tðнческая

20 ячейка предлагаемого приоора в разрезе; ны фиг. 2 — устройство, используемое в приборе для изоляции ячейки с целью исключения вибрационных помех; на фиг. 3 — блок-схема предлагаемого прибора.

25 Электроды 1 и 2 соединены с клех(х(м(и 3 и 4, впрессованнымн в тефлоновый фланец з; фланец надевается на кювету б, в которой во время измерений находится электролит. Основной электрод 1, на границе которого с элек30 тролнтом должно быть измерено поверхност178161

15 г0

3 ное натяжение, изготовлен из проволоки либо из ленты металлической фольги. Один конец проволоки закреплен в съемном упоре 7; упор может быть изготовлен из стекла, куда впаивается металл электрода. В центральной части проволоки сделана петля, с помощью которой электрод подвешивается на стержне 8 из диэлектрика; нижний конец стержня имеет выточку для петли, а верхний жестко скреплен с пьезоэлементом 9 в виде пластины.

Пластина пьезоэлемента укреплена в корпусе, состоящем из стакана 10 и цилиндра 11.

Возможны следующие крепления: 1) пьезоэлемент приклеен к стакану верхней гранью и работает только на растяжение, 2) свободно положен двумя концами kIB опоры с неоольшим зазором над верхней гранью — работает на изгиб, 3) зажат на двух концах, при этом обкладки наносятся только на центральную часть пьезоэлемента, либо только на периферию. Кроме того, возможна сложная комму.тация обкладок. Расчет с учетом деформаций пьезоэлемента и проволочного электрода 1 показывает, что прибор может регистрировать изменение поверхностного натяжения на

1 дин1см.

На стакан 10 надета тефлоновая оболочка

12, предохраняющая стакан от попадания случайных капель электролита. Обкладки пьезоэлемента 9 соединены с контактными лепестками 18. Канал 14, высверленный в основании цилиндра 11, а также канавка, выточенная на внешней поверхности втулки 15, и колпачок 1б с отверстием служат для вывода проводов цепи пьезоэлемента.

Цилиндр ll, скользящий в обойме 17, соединен пружиной 18 с подвижной шайбой 19.

Шайба снабжена опорными штырьками 20.

При вертикальном перемещении шайбы штырек скользит вдоль паза 21, выточенного в обойме 17. Расположение штырька в одном из поперечных гнезд паза 21 обеспечивает три различных уровня подъема шайбы 19. При любых относительных положениях цилиндра

11 и шайбы 19 — вплоть до соприкосновения перекладины 22 с втулкой 15 — пружина 18 находится в напряженном состоянии, Ее длина должна быть такой, чтобы в свободном состоянии ее верхний конец был расположен несколько ниже верхнего торца втулки 15.

Цилиндр 11 и скрепленные с ним детали начинают опускаться вместе с шайбой лишь после того, как перекладина 22 подошла вплотную к втулке 15. В рабочем состоянии электрод 1 натянут, для чего упор 7 подведен под крючки 28, припаянные к дну кюветы б, а шайба 19 поднята в одно из трех положений.

Колпачок 16 в контакте с другими металлическими деталями ячейки образует экран пьезоэлемента.

Значительная масса стакана 10 и цилиндра

11 уменьшает до малой величины их движение при высокочастотных колебаниях электрода 1. Это движение может быть полностью исключено при любой частоте колебаний путем создания определенной силы трения между цилиндром 11 и обоймой 17. Сила трения должна быть больше амплитуды колебаний поверхностного натяжения электрода 1 и обеспечивается легким нажатием стопорного поршня 24 прямоугольного сечения на боковую поверхность цилиндра 11. Необходимая сила нажатия достигается регулированием упругой связи поршня 24 со съемным кольцом 25. Малая по величине сила трения не препятствует поддержанию необходимого предварительного натяжения электрода 1, создаваемого пружиной 18. Изменение предварительного натяжения на величину, сравнимую с силой трения, не существенно для измерений. Предварительное натяжение не должно быть настолько большим, чтобы вызывать пластические деформации электрода 1.

Пьезоэлектрическая ячейка помещена в цилиндрической камере 26 (см, фиг. 2), герметично закрытой сверху. Камера подвешена на пружине 27 под колпаком 28, прикрепляемым к столу 29. Через вентиль 80 из-под колпака откачивается воздух. Упругая подвеска кюветы и вакуум под колпаком ослабляют помехи, связанные с воздействием на пьезоэлемент сотрясений фундамента и звукового шума. Экранированные провода 81, выходящие из камеры

26, свободно подвешены на ней. Из-за их малой упругости и небольшого сечения они практически не пропускают шума в камеру. Вместе с тем опи способствуют затуханию крутильных колебаний камеры 2б на пружине 27.

Г1итание электродов l и 2 переменным током и задание электрохимического потенциала электрода 1 (т. е. скачка потенциала íà границе электрод — электролит) осуществляется генератором 82 (см. фиг. 3). Генератор вырабатывает относительно земли потенциал, линейно изменяющийся во времени с регулируемой скоростью, а также периодический потенциал высокой частоты. В режиме заданного тока сумма этих потенциалов поступает на электрод 2 через высокоомное сопротивление

88. В режиме заданного потенциала сумма линейного и периодического потенциалов передается от генератора 82 блоку 84 отрицательного сопротивления. Эффективное отрицательное сопротивление блока 84 устанавливают таким, чтобы по абсолютной величине оно было равно сумме нагрузочного сопротивления

85 и сопротивления электролита между коаксиальными электродами 1 и 2. Если сопротивление электролита мало, то блок 84 может быть заменен компенсатором омических потерь, управляемым дополнительным третьим электродом. Если к тому. же не требуется регистрировать ток в цепи электрода 1, то потенциал от генератора 82 может быть непосредственно подан на электрод 2. В зависимости от положения переключателя 86 линейно изменяющийся потенциал от генератора 82 (либо падение потенциала на сопротивлении

85) поступает па вход усилителя 87 и затем.

178161

= a(,), dg откуда

+ ) g () с/ гр на пластины горизонтального отклонения луча электроннолучевой трубки Ж

Переменное напряжение, возникающее на обкладках пьезоэлемента при периодическом изменении электрохимического потенциала электрода 1, подается на вход избирательного усилителя 89 и затем через выпрямитель 40 поступает на пластины вертикального отклокения луча трубки N, где регистрируется величина, пропорциональная амплитуде Лп колебаний по.->ерхностного натяжения.

Режим заданного тока может быть использован, если, кроме заряжания двойного электрического слоя на электроде 1, не протекает других процессов. При этом условии вместе с амплитудой Л1 высокочастотной составляющей тока постоянна и амплитуда Лв колебаний плотности заряда в электрода 1. Поэтому в режиме заданного тока регистрируется зависимость Ла/Ле = do/дв от потенциала <р, Й ь с = — — = f(-), где С вЂ” дифференциальная емкость электрода, C= dc/dq, в = — do/dq).

Режим заданного потенциала позволяет исследовать поверхностное натяжение в условиях, усложненных протеканием электрохимической реакции на электроде 1. Регистрируется зависимость где op = o (happ).

В качестве ср может быть выбран, например, потенциал нулевого заряда. Для практики обычно важно знать именно dc>/dip.

В случае существенно шероховатой поверхности электрода функции f() и a(V) получают из экспериментальных данных путем умножения последних на постоянный коэффициент, учитывающий шероховатость. Этот коэффициент, различный для функций /(ср) и д(ср), является характеристикой обработки электрода и может быть определен один раз для серии измерений. Его постоянство в процессе измерения обеспечивается тем, что предварительное натяжение, которому подвергается электрод 1 достаточно мало, чтобы не вызвать разрушений поверхности электрода.

Частота периодической составляющей напряжения должна удовлетворять условиям:

Y (Yp v -j v /г =- 1, 2.... оо, где у и v собственные частоты соответственно продольных и поперечных колебаний электрода 1.

Например, для проволочных электродов длиной 2 ся и диаметром 0,02 си при предварительном натяжешш 100 Г, указанные частоты составляют: для пластины и золота

vp=50000 ги, ч, = 1000 ги; для железа

vp = 130000 eq, т,= 1600 ги. Скорость изменения линейной составляющей напряжения, обеспечивающей измерение поверхностного натя>кения в нестационарных условиях, на практике достаточно варьировать в пределах

0 — 100 в/сек.

Прибор может быть использован также для измерений в режиме резонанса, при частоте колебаний напряжения, совпадающей с собственной частотой продольных колебаний системы электрод — пьезоэлемент, а также для интегральных измерений поверхностного натяжения, для чего на электроды подается только линейно изменяющееся напряжение и на входе избирательного усилителя устанавливается высокочастотный модулятор.

Предмет изобретения

1. Устройство для измерения поверхностного натяжения твердых электродов, содержащее источник э. д. с., два электрода и кювету с электролитом, отличающееся тем, что, с целью проведения измерений в нестационарных условиях и обеспечения высокой чувствительности, исследуемый электрод выполнен в виде проволоки или ленты фольги и скреплен с пьезоэлементом, а в качестве источника э. д. с. применен генератор периодического и линейно изменяющегося напряжения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью упрощения расчетов н исключения влияния дополнительных давлений, воспринимаемых электродом при прохождении переменного тока в электролите, пьезоэлемент располо>кен в корпусе, состоящем из стакана и цилиндра, скользящего в обойме и соединенного с пружиной.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью исключения перемещений подвижного цилиндра при изменении поверхностного натяжения и вместе с тем сохранения постоянным предварительного натяжения электрода, обойма снабжена стопорным пор пнем, скользящим по поверхности цилиндра.

178161

7 б

23

Мг.r

<Риг. 3

Составитель Н. В. КатинЬва

Типография, пр. Сапунова, д. 2

/2

8!

I

1

Редактор И. Г. Карпас Текред Л. К. Ткаченко Корректоры: О. Б. Тюрина и Л. В. Тюняева

Заказ 408/19 Тираж 1125 Форгиат бум. 60><90 /з Объем 0,41 изд. л. Подписное

Ц11ИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4