Анализ нестабильности собственного потенциала электрода СЭС

В целом, суммарная нестабильность электрода СЭС

∑ΔЕ_СЭС = ΔЕ_ВФ +ΔЕ_ТЕХН + ΔЕ₀ , (9.3)

где: ΔЕ_ВФ – обусловлена влиянием внешних факторов;

ΔЕ_ТЕХН – определяется стабильностью технологии;

ΔЕ₀ – собственная нестабильность.

Влияние внешних факторов на величину Е_СЭС можно представить в виде функции F, зависящей от кислотности (рН) и от сложной последовательно-параллельной цепи сопротивлений, по которой протекают токи при установке электрода в грунт, обусловленные различными электрохимическими реакциями:

, (9.4)

где: рН – кислотность грунта,

i₁ – плотность заданного тока наводораживания,

i₂, i₃ – плотности (потоков) токов окислителей, например, кислорода или трёхвалентного железа,

i₄ – плотность тока, вызванная наличием одновременного контакта трёх фаз (воздух, вода, металл электрода), которая зависит от конвективных потоков,

i₅ – влияние посторонних ионов (хлора, двухвалентной серы и т.д.).

В соответствии (5), суммарная нестабильность потенциала электрода СЭС, включающая детерминированные и случайные составляющие, может быть записана в следующем виде:

, (9.5)

Составляющая нестабильности величины Е_СЭС вызванной токами i₄, устраняется при установке электрода в грунт. Составляющие i₂, i₃, связанные с влиянием окислителей устраняется естественным ходом времени: хорошо известно, что в отсутствии конвекции на стационарных электродах при потенциалах предельного тока скорость подвода электрохимически агрессивного компонента убывает как:

, (9.6)

то есть если принять, что в момент установки электрода СЭС на КИП при t= 1 сек. величина потока была равна K, то через сутки она уменьшится в 294 раза и за день-два падает до нуля. Учитывая длительность работы электрода на КИП этими составляющими также можно пренебречь, при этом

, (9.7)

, (9.8)

Кислотность грунта в локальной точке (КИП) формируется веками, в среднем сохраняется при укладке и в течение всего срока жизни трубопровода (50-80 лет) изменяясь незначительно при межсезонных колебаниях влажности. Исходя из этого примем, что величина концентрации (активности) ионов водорода в грунте изменяется в полтора раза. Зависимость собственного потенциала электрода сравнения СЭС от активности водорода (кислотности), имеет следующий вид:

, (9.9)

Из выражения (10) нестабильность потенциала электрода СЭС при изменении концентрации ионов водорода в грунте в полтора раза составит:

, (9.10)

При используемых в СЭС-2 высокостабильных литиевого элементах питания и токозадающего резистора можно считать, что нестабильность тока наводороживания (i₁) определяется выражением

ΔI_НАВ = 100ΔR_СЭС /R_Т, (9.11)

где: ΔR_СЭС и R_Т – величины нестабильности сопротивления грунта между рабочим и вспомогательным электродами СЭС и токозадающего резистора соответственно. Максимальное значение ΔR_СЭС для песка с удельным сопротивлением ρ=500 Ом∙м при влажности 10 % не превысит:

ΔR_СЭС = ρ·L/S = ρ·C= 500 · 50=25000 Ом (9.12)

Поэтому при величина R_Т = 1,5 МОм нестабильность тока наводороживания ΔI_НАВ ≤ 2 %. Нестабильность потенциала электрода сравнения, связанное с изменением перенапряжения выделения водорода в зависимости от плотности тока можно рассчитать по формуле (по известному уравнению Тафеля):

(9.13)

Поэтому:

(9.14)

Если удельное сопротивление грунта возрастёт ещё в 5 раз, то даже в этом случае ≤ 0,005 Вольт.

Таким образом, суммарная нестабильность, вызванная внешними факторами в стационарных условиях эксплуатации электрода СЭС на КИП может составить порядка ± 0,015 В.

Технологический разброс величины Е_СЭС для партии электродов СЭС (10 шт.), определенный в лабораторных условиях составляет ± 0,015 В и может быть устранен регулировкой тока наводороживания, например, для удобства снятия показаний с помощью обычных используемых в настоящее время на МГ приборов.

Собственная шумовая случайная составляющая ΔЕ₀ электрода СЭС по результатам лабораторных испытаний составляет менее 0,001 В.