東華分析——零電阻安培計介紹

更新時間：2022-07-25

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基本定義

零電阻安培計（Zero Resistance Ammeter，ZRA）是一種常見的電化學(xué)腐蝕測量技術(shù)，通常用于測量耦合電流。當(dāng)ZRA用于測量接近1mA的電流時，其電阻可能為50kΩ，因此，相比于低電流的測量，ZRA方法更適用于較高電流的測量。此外，確定安培計能否有效地用于測量耦合電流的唯.一標(biāo)準(zhǔn)是它的電壓與零的接近程度^[1] 。因此，這種安培計又被稱為零電壓安培計（ZVA）。

ZRA的應(yīng)用

兩個或多個電偶電極之間流動的電流可通過安培計進(jìn)行測量。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，其中電位較低的材料作為陽極，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）可以使用測量耦合電流的ZRA對電偶腐蝕行為進(jìn)行評估。該方法被廣泛應(yīng)用于實際工程中，如采用ZRA對處于海洋環(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測試溫度和雷諾數(shù)對的銅/AISI 304不銹鋼在溴化鋰中電偶腐蝕的影響，并對電偶腐蝕過程進(jìn)行了深入分析；Dong等人^[4]采用ZRA對1020碳鋼和304L不銹鋼電偶對在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量之外，兩個*相同的電極之間的電化學(xué)噪聲（ECN）也可通過ZRA進(jìn)行測量研究^[5]，如M. Shahidi等^[6]采用ZRA方法測試ECN，并分析比較對稱和非對稱電池對電化學(xué)噪聲測試數(shù)據(jù)的影響。近年來，ZRA還被廣泛應(yīng)用于測量多電極陣列中的耦合電流，安培計由并聯(lián)電阻組成，施加可忽略的低電壓，用于測量耦合多電極陣列傳感器中的耦合電流^[7]。在這些安培計中，并聯(lián)電阻被接入測量電路中，電壓計用來測量并聯(lián)電阻上的電壓，通過歐姆定律得出電流。因這一類的安培計中使用的并聯(lián)電阻阻值在10~100000Ω之間，這類儀表也被稱為零電壓安培計。

ZRA的測量方式

3.1 采用反相運算放大器測量ZRA

通常被稱為ZRA的安培計配有一個運算放大器（運放），如圖所示。如果運算放大器是理想的，則反相端（Vn）處的電勢等于非反相端（Vp）處的電勢。因此，輸入電阻即壓降（Vp-Vn）與測量電流（I）之比也為零。

運算放大器測量耦合電流的基本線路圖

3.2 恒電位儀測量ZRA

恒電位儀常用作ZRA測量電偶腐蝕和ECN，在不施加任何電壓或者電流的情況下，簡單測量陽極和陰極間的自由流動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)行電偶腐蝕測試的電極連接方式如圖所示。

恒電位儀進(jìn)行ZRA測試時電極連接方式

東華DH7000系列電化學(xué)工作站激勵信號及關(guān)鍵參數(shù)

4.1 激勵信號

DH7000系列電化學(xué)工作站零電阻安培計法的激勵信號如圖所示。

DH7000系列零電阻安培計法的激勵信號

4.2 關(guān)鍵參數(shù)

DH7000系列電化學(xué)工作站進(jìn)行零電阻安培計測試時需要設(shè)置的參數(shù)主要為每點時間和持續(xù)時間。

每點時間：表示采集一個數(shù)據(jù)點的時間。儀器可設(shè)置范圍0.0002s~10000s。依據(jù)樣品及體系的特性，在實際的測試過程中，推薦設(shè)置范圍0.001s~1s。

持續(xù)時間：實驗持續(xù)時間，儀器設(shè)置范圍無限制。實際測試過程中，依據(jù)樣品及體系的特性適當(dāng)設(shè)置。

全部點數(shù)：一次脈沖采集一個點。為整個實驗的點數(shù)。

注意事項：在ZRA的連接中，只要連接上電線，就會有電流通過（該過程并不受電解池開關(guān)的控制），因此，連接導(dǎo)線至電解池后，即可設(shè)置和啟動實驗，立即收集實驗數(shù)據(jù)。

測試體系

5.1 Cu-Ag體系

1）測試體系：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測試。

3）基本激勵信號參數(shù)：采樣時間0.01s，持續(xù)時間300s。

4）測試使用儀器：DH7000電化學(xué)工作站

5）測試結(jié)果：

DH7000系列電化學(xué)工作站在腐蝕體系下的ZRA測試結(jié)果

5.2 Fe-Cu體系

1）測試體系：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測試。

3）基本激勵信號參數(shù)：采樣時間0.01s，持續(xù)時間300s。

4）測試使用儀器：DH7006電化學(xué)工作站

5）測試結(jié)果：

DH7000系列電化學(xué)工作站在腐蝕體系下的ZRA測試結(jié)果

總結(jié)

零電阻安培計是在不施加任何電壓或者電流的情況下，簡單測量陽極和陰極間的自由流動的電流值以及工作電極和參比電極之間的電位差值，是一種常見的腐蝕電化學(xué)測量技術(shù)。通過ZRA方法，可以測量兩種相同金屬體系下的電化學(xué)噪聲，也能測量兩種不同電極電位金屬組成的電偶腐蝕電流，從而對腐蝕過程、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測量耦合電流的唯.一標(biāo)準(zhǔn)是施加的電壓如何接近零。因此，零電壓安培計（ZVA）在用于測量低電流時被用作ZRA的另一個術(shù)語。

參考文獻(xiàn)

[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] 楊飛. 碳鋼與不銹鋼在海洋環(huán)境中的電偶腐蝕問題研究[D].大連理工大學(xué),2017.

[3] M.T. Monta?és, 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] 劉琳. 電沉積鎢合金鍍層與基體鐵基合金的電偶腐蝕研究[D].湖南大學(xué),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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