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东华分析——零电阻安培计介绍

发布时间:2022-06-10    浏览量:218

基本定义

零电阻安培计(Zero Resistance Ammeter,ZRA)是一种常见的电化学腐蚀测量技术,通常用于测量耦合电流。当ZRA用于测量接近1mA的电流时,其电阻可能为50kΩ,因此,相比于低电流的测量,ZRA方法更适用于较高电流的测量。此外,确定安培计能否有效地用于测量耦合电流的唯.一标准是它的电压与零的接近程度[1] 。因此,这种安培计又被称为零电压安培计(ZVA)。

ZRA的应用

两个或多个电偶电极之间流动的电流可通过安培计进行测量。当具有不同电极电位的金属或合金相连并暴露在电解质溶液中时,其中电位较低的材料作为阳极,腐蚀加速,而电位较高的材料作为阴极,腐蚀减慢。这种在大气或者电解质溶液中产生的电化学腐蚀(即电偶腐蚀)可以使用测量耦合电流的ZRA对电偶腐蚀行为进行评估。该方法被广泛应用于实际工程中,如采用ZRA对处于海洋环境中的钢筋混凝土局部腐蚀萌发的判断[2];M.T. Montañés等人[3]使用ZRA测试温度和雷诺数对的铜/AISI 304不锈钢在溴化锂中电偶腐蚀的影响,并对电偶腐蚀过程进行了深入分析;Dong等人[4]采用ZRA对1020碳钢和304L不锈钢电偶对在3.5wt%NaCl+5wt%天然矽砂介质中的腐蚀行为,腐蚀效应及规律进行了研究。ZRA方法除应用于两种不同电极电位金属之间的电偶电流测量之外,两个完全相同的电极之间的电化学噪声(ECN)也可通过ZRA进行测量研究[5],如M. Shahidi等[6]采用ZRA方法测试ECN,并分析比较对称和非对称电池对电化学噪声测试数据的影响。近年来,ZRA还被广泛应用于测量多电极阵列中的耦合电流,安培计由并联电阻组成,施加可忽略的低电压,用于测量耦合多电极阵列传感器中的耦合电流[7]。在这些安培计中,并联电阻被接入测量电路中,电压计用来测量并联电阻上的电压,通过欧姆定律得出电流。因这一类的安培计中使用的并联电阻阻值在10~100000Ω之间,这类仪表也被称为零电压安培计。

ZRA的测量方式

3.1 采用反相运算放大器测量ZRA

通常被称为ZRA的安培计配有一个运算放大器(运放),如图所示。如果运算放大器是理想的,则反相端(Vn)处的电势等于非反相端(Vp)处的电势。因此,输入电阻即压降(Vp-Vn)与测量电流(I)之比也为零。

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运算放大器测量耦合电流的基本线路图

3.2 恒电位仪测量ZRA

恒电位仪常用作ZRA测量电偶腐蚀和ECN,在不施加任何电压或者电流的情况下,简单测量阳极和阴极间的自由流动的电流值以及工作电极和参比电极之间的电位差值。使用恒电位仪作为ZRA进行电偶腐蚀测试的电极连接方式如图所示。

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     恒电位仪进行ZRA测试时电极连接方式

东华DH7000系列电化学工作站激励信号及关键参数

4.1 激励信号

DH7000系列电化学工作站零电阻安培计法的激励信号如图所示。

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DH7000系列零电阻安培计法的激励信号

4.2 关键参数

DH7000系列电化学工作站进行零电阻安培计测试时需要设置的参数主要为每点时间和持续时间。

每点时间:表示采集一个数据点的时间。仪器可设置范围0.0002s~10000s。依据样品及体系的特性,在实际的测试过程中,推荐设置范围0.001s~1s。

持续时间:实验持续时间,仪器设置范围无限制。实际测试过程中,依据样品及体系的特性适当设置。

全部点数:一次脉冲采集一个点。为整个实验的点数。

注意事项:在ZRA的连接中,只要连接上电线,就会有电流通过(该过程并不受电解池开关的控制),因此,连接导线至电解池后,即可设置和启动实验,立即收集实验数据。


测试体系

5.1 Cu-Ag体系

1)测试体系:在3.5wt%NaCl溶液体系下,选用镀银铜片(1.5cm×1.5cm)为WE(WE+SE),尺寸相同的银片为G,SCE为RE组成的三电极体系进行ZRA测试。

3)基本激励信号参数:采样时间0.01s,持续时间300s。

4)测试使用仪器:DH7000电化学工作站

5)测试结果:

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DH7000系列电化学工作站在腐蚀体系下的ZRA测试结果

5.2 Fe-Cu体系

1)测试体系:在3.5wt%NaCl溶液体系下,选用Fe棒为WE(WE+SE),大小尺寸相同的铜棒为G,SCE为RE组成的三电极体系进行ZRA测试。

3)基本激励信号参数:采样时间0.01s,持续时间300s。

4)测试使用仪器:DH7006电化学工作站

5)测试结果:

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DH7000系列电化学工作站在腐蚀体系下的ZRA测试结果

总结

零电阻安培计是在不施加任何电压或者电流的情况下,简单测量阳极和阴极间的自由流动的电流值以及工作电极和参比电极之间的电位差值,是一种常见的腐蚀电化学测量技术。通过ZRA方法,可以测量两种相同金属体系下的电化学噪声,也能测量两种不同电极电位金属组成的电偶腐蚀电流,从而对腐蚀过程、机理、阴极保护等方面进行深入研究。此外,确定是否可以使用安培计测量耦合电流的唯.一标准是施加的电压如何接近零。因此,零电压安培计(ZVA)在用于测量低电流时被用作ZRA的另一个术语。

参考文献

[1] YANG, Lietai; YANG, Andrew A. Communication—On Zero-Resistance Ammeter and Zero-Voltage Ammeter. Journal of The Electrochemical Society, 2017, 164.13: C819.

[2] 杨飞. 碳钢与不锈钢在海洋环境中的电偶腐蚀问题研究[D].大连理工大学,2017.

[3] M.T. Montañés, R Sánchez-Tovar, J García-Antón, et al. Influence of Temperature and Reynolds Number on the Galvanic Corrosion of the Copper/AISI 304 Stainless Steel Pair in Lithium Bromide Using a Zero-Resistance Ammeter[J]. International Journal of Electrochemical Science, 2012, 7(5):411-420.

[4] 刘琳. 电沉积钨合金镀层与基体铁基合金的电偶腐蚀研究[D].湖南大学,2015.

[5] Yang, L., Sridhar, N., Pensado, O., & Dunn, D. S. (2002). An in-situ galvanically coupled multielectrode array sensor for localized corrosion. Corrosion, 58(12).

[6] Shahidi M, Jafari A H ,  Hosseini S . Comparison of Symmetrical and Asymmetrical Cells by Statistical and Wavelet Analysis of Electrochemical Noise Data[J]. Corrosion -Houston Tx-, 2012, 68(11):1082-1089.

[7] Yang, L., Chiang, K. T. K., Shukla, P. K., & Shiratori, N. (2009, March). Internal current effects on localized corrosion rate measurements using coupled multielectrode array sensors. In Corrosion 2009. OnePetro.

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