Адрес: 105678, г. Москва, Шоссе Энтузиастов, д. 55 (Карта проезда)
Время работы: ПН-ПТ: с 9.00 до 18.00, СБ: с 9.00 до 14.00

Электродное отопление своими руками: Электродный котел отопления своими руками: выбор и монтаж

Содержание

Электродный котел отопления своими руками: выбор и монтаж

Отопление электрическими котлами, безусловно, имеет заслуженную популярность. Однако традиционный тэновый электрокотел требует довольно частой замены нагревательного элемента. Такого недостатка лишен электродный котел, с особенностями которого сегодня ознакомимся.

Принцип действия такого аппарата был разработан около ста лет назад. Однако по ряду причин они не нашли широкого применения. С развитием современных технологий и необходимости жесткой экономии энергоносителей, электродные агрегаты заняли свое место среди котлов отопления.

Общее описание и устройство

В качестве теплоносителя в таких котлах отопления выступает подготовленная вода. Прежде всего, она должна иметь определенное процентное соотношение соли, указанное в паспорте оборудования. В целом электродные котлы имеют несложную конструкцию и принцип действия их максимально прост. Общая конструкция и механизм работы электродного аппарата заключается в следующем:

  • Котел выполнен в форме металлической трубы, покрытой слоем полиамида – современным изоляционным материалом.
  • Одна сторона такой трубы заглушена, во вторую вставлены электроды, которые изолируются от корпуса агрегата специальными гайками из полиамида.
  • Напряжение подается через специальные клеммы, при этом ток проходит через теплоноситель – воду.
  • Под воздействием электрического тока ионы начинают двигаться: отрицательные направляются в сторону положительного электрода, а положительные – стремятся к отрицательному элементу.
  • В результате такого движения ионов и происходит быстрый нагрев теплоносителя.
  • Секрет быстрого нагревания жидкости заключается в частой (50 раз в секунду) смене полярности электродов.
  • Благодаря циркуляции теплоносителя электроды постоянно охлаждаются, что обеспечивает им большой срок службы.

Разновидности электродных котлов

В зависимости от вида подключения такое отопительное оборудование разделяется на следующие виды:

  1. Однофазные. Такие аппараты применяются для отопления частных жилых домов. Заводские системы имеют небольшие размеры: длина колеблется в пределах 50–60 см, диаметр обычно составляет 32 см. Номинальная мощность заводского котла от 2 до 6 кВт.
  2. Трехфазные котлы применяются для промышленного использования. Потребляемая мощность котлов составляет 9–50 кВт, что позволяет обогреть площадь до 1500 м?.

Совет! Не стоит приобретать более мощные и дорогостоящие трехфазные модели для отопления загородного коттеджа. Мощности «домашних» моделей вполне хватает для отопления 250 м кв. жилой площади.

Комплектация современных моделей отличается от стендовых аналогов. Сегодня заводские модели оборудуются:

  • Электронными системами управления.
  • Блоком защиты оборудования от скачков напряжения в электросети.
  • Блоками автоматического запуска.
  • Более современные и дорогостоящие электродные котлы снабжаются дистанционным управлением при помощи контроллера.

Производители электродных котлов

Несмотря на относительную новизну и не распространенность таких электрокотлов, на отечественном рынке присутствуют несколько зарубежных фирм, поставляющих такую продукцию:

  1. Немецкая фирма «Bosch» – известный лидер во всем мире. Ее котлы надежны и долговечны, но самые дорогие из всей импортной линейки.
  2. Латвийская компания «Stafor EKO» поставляет надежные и более доступные по цене электродные аппараты.
  3. На третьем месте среди иностранных производителей – электродный электрокотел «ЭОУ» украинского производства.

Среди отечественных производителей лидирует два бренда:

  1. ТМ «Галан» – абсолютный лидер, предлагающий широкий модельный ряд от миниатюрных домашних моделей до агрегатов, способных отопить 1600 м кв. площади.
  2. Второй идет компания «Кетон», предлагающая отопительные системы, использующие несгораемые электроды собственной разработки.

Расчет мощности

При выборе котла нужно учитывать параметры отапливаемого помещения, а также объем теплоносителя в системе. Опытным путем определено, что 1 кВт мощности котла способен поддерживать комфортную температуру в помещении 20 м кв. с системой отопления не более чем 40 литров.

Совет! Чтобы не устанавливать трехфазные агрегаты при необходимости отопления больших площадей, можно установить несколько котлов меньшей мощности, соединив их параллельно.

Достоинства и недостатки электродных отопительных систем

Такие электрические котлы отопления имеют массу преимуществ, среди которых:

  • Возможность подключения в существующую систему отопления с минимальным количеством переделки.
  • Высокий уровень защиты, исключающий аварийные или нештатные ситуации.
  • Производительность котла просто потрясает: 98–99%, при этом энергопотребление довольно экономичное.
  • Высокая надежность и нечувствительность к перепадам напряжения.
  • Малый вес и небольшие размеры позволяют устанавливать электродный котел непосредственно в одной из комнат дома.

Заводские системы снабжаются разнообразной автоматикой, производящей отключение питания системы при утечке теплоносителя или в случае короткого замыкания в сети. Среди недостатков такой системы отопления выделяются:

  1. Требовательность к химическому составу теплоносителя, который необходимо периодически контролировать.
  2. Несовместимость с некоторыми видами труб и радиаторов отопления.
  3. Необходимость заземления не только котла, но и самой системы.
  4. Установка необходимой системы автоматического контроля и защиты делает электродные аппараты довольно дорогим оборудованием.

Совет! Эти недостатки не являются критическими и они вполне преодолимы, если следовать инструкции производителя оборудования.

Самостоятельная сборка электродного котла

Изучив принцип действия и устройство такого оборудования, многие умельцы могут захотеть собрать электродный котел своими руками. В практическом исполнении это несложная работа. Важно быть внимательным и соблюдать технологию, чтобы готовый агрегат был работоспособным и безопасным.

Самостоятельная сборка такого аппарата происходит в определенной последовательности:

  • Как правило, в зависимости от проектируемой мощности котла, берется отрезок цельнотянутой трубы диаметром 50–100 мм, длиной от 25 до 50 см.
  • На один конец приваривается переходная муфта для подсоединения к системе отопления.
  • С обратной стороны устанавливается один или несколько электродов (в зависимости от требуемой мощности).
  • При этом со стороны электродов потребуется установка тройника, через который будет осуществляться циркуляция теплоносителя.
  • Из качественного термостойкого пластика нужно изготовить изолятор соответствующего диаметра. Затем он вставляется между тройником и электродом.
  • К корпусу котла приваривается два болта. В дальнейшем к одному подсоединяется заземление, а к другому – нулевой провод.
  • В процессе сборки самодельного котла важно добиться абсолютной герметичности всей системы. Протечки необходимо полностью исключить.
  • На готовый котел необходимо соорудить защитный кожух из диэлектрика, например, пластика. Такой кожух помимо защиты от поражения электрическим током выполняет и декоративные функции.

Совет! Подключая собранный электродный котел своими руками, необходимо соблюдать полярность. Фаза подается исключительно на электрод, а нулевой провод подсоединяется к корпусу аппарата вместе с заземлением.

Установка и подключение оборудования

Перед началом монтажных работ, необходимо промыть систему специальным составом, предлагающимся производителем электродных котлов. Порядок установки агрегата такой:

  • Особенности работы электродного котла требуют строго вертикальной его установки, при этом крепление должно производиться на отдельные кронштейны.
  • Также крепление должно быть выполнено с применением прокладок изоляционного материала.

Закрепив котел, можно начинать его подключение к системе отопления и электросети. Все электродные котлы подключаются по такой схеме:

  • Для системы отопления следует взять пластиковые трубы или выполнить подключение через пластмассовые вставки.
  • Схема подключения предусматривает наличие группы безопасности, которая включает в себя манометр, автоматический воздухоотводчик и предохранительный клапан.
  • Также необходимо наличие расширительного бака, установленного до запорной арматуры.
  • Если оборудуется малый защитный контур, то группа безопасности и расширительный бак устанавливаются до него, а вся запорная арматура – за ним.

Теперь рассмотрим некоторые нюансы электрического подключения:

  • В качестве заземляющей жилы используется медный провод сечением не менее 4 мм. При этом сопротивление такой жилы не должно превышать 4 Ом. Подключается заземляющая жила к корпусу котла.
  • Для подключения питания также используется медный провод соответствующего потребляемой мощности сечения. При этом важно соблюдать полярность: фаза подсоединяется к электроду, ноль – к корпусу.

Обслуживание электродных систем отопления

В процессе эксплуатации электродные котлы требуют обращать внимание на некоторые параметры:

  1. Прежде всего, это исправность заземляющего контура. Также следует обращать внимание на исправность всех электрических соединений, в том числе и электронных подключений.
  2. Вторым важным аспектом является качество теплоносителя. Необходимо поддерживать его определенную плотность и контролировать содержание солей.

Совет! Нужно отказаться от установки чугунных радиаторов. В них содержатся примеси, со временем снижающие эффективность электродного агрегата. Предпочтение следует отдать биметаллическим и алюминиевым радиаторам с полимерным покрытием.

Пошаговая инструкция позволит собрать электродный электрокотел своими руками, что позволит сэкономить некоторые средства. Но если вы цените комфорт и безопасность, лучше отдать предпочтение заводским моделям, снабженным современными системами контроля и автоматической защиты.

Электродный котел своими руками

Электродные котлы при своей весьма простой конструкции имеют высокие показатели КПД. Это оборудование относится к агрегатам прямого действия. Это значит, что нагрев воды происходит во время ее движения через теплоноситель, работающий от электротока. Большая часть моделей электродных котлов, как уже упоминалось выше, по своей конструкции не так уж и сложна. Это делает самостоятельное изготовление доступным практически любому желающему. Но, как и в любом деле, прежде чем начинать работу, необходимо узнать основы, такие как: общее устройство, принцип работы и т.д.

Что внутри?

Данное устройство работает напрямую, то есть для выполнения своих функций не требует участия посторонних приборов. Вода нагревается благодаря тому, что ток, находящийся в теплоносителе, ионизируется. Достаточно быстрый рост температуры обеспечивают ионы теплоносителя, которые беспорядочно передвигаясь, переходят от анода к катоду со скоростью 50 колебаний каждую секунду, что равносильно частоте 50 Гц (для тех, кто не до конца понял). Именно сопротивление электротока играет главную роль в нагреве воды. Катод и анод меняют друг друга, со скоростью электрической сети. В результате электролиз — процесс известный как распад воды под действием постоянного электрического тока на составляющие (водород и кислород) – не происходит. В результате мощность электродного котла (5 кВт) при температуре теплоносителя 18 градусов позволяет потреблять 2,66 кВт, а при 45 градусах – 3,42 кВт. (См. также: Как эффективно использовать отопительный котел?)

Особенности электродных котлов

  • Электродные котлы имеют высокий показатель КПД – 96-98%. Эти цифры являются практически идеальными. Минимальные тепловые потери объясняются простотой конструкции и принципа нагрева теплоносителя – безусловно, положительное свойство устройства;
  • Еще одна особенность, которой обладают электродные котлы отопления – это полное отсутствие так называемого «сухого хода». Это объясняется тем, что теплоноситель является полноценной составляющей электрической цепи. Важный момент при этом – в случае протекания, аварийная ситуация предотвращается сама по себе. Ведь благодаря своей конструкции, вода, которая по какой-то причине вышла из котла, попросту разомкнет электрическую цепь, становясь абсолютно безопасной;
  • Электродный котел – достаточно экономное устройство. Количество потребляемой энергии напрямую зависит от температуры в теплоносителе. Низкие температурные режимы приводят к минимальным затратам энергии. Лишь при температуре воды внутри системы в 75 градусов, уровень потребления электричества становится номинальным;
  • (См. также: Электрические котлы отопления для дачи)

  • Поскольку нагрев электродных котлов происходит довольно быстро, достичь необходимых температурных показателей можно за весьма короткое время. Это позволяет эффективно пользоваться автоматикой управления;
  • Интересно то, что электродный котел не остановится в случае перепадов электрического напряжения, лишь мощность котла подвергнется изменениям;
  • Возможно главная особенность электродного котла, определяющая выбор многих – его малые габариты. В сумме с небольшой ценой и простым устройством, это оборудование становится действительно одним из лучших приборов подобного назначения. Кроме того, упомянутое выше простое устройство, позволяет с легкостью сделать электродный котел своими руками.
  • (См. также: Электрический котел)

Важно помнить!

  • Рабочая температура теплоносителя не должна превышать 75 градусов. Несоблюдение этого правила приведет к тому, что мощность самого котла возрастет, и, как результат, нагрузка на электрическую сеть тоже;
  • При самостоятельной сборке важно помнить, что эффективность работы электродного котла в первую очередь зависит от качества теплоносителя примененного для него.

Хочу сам!

Как понятно из выше сказанного, создать электродный котел своими руками не так уж и сложно. Далее будет показано руководство по созданию одной из наиболее компактных и простых конструкций. Для этого достаточно ознакомиться с основными моментами производства и приобрести все необходимые составляющие. Перед описанием самой процедуры, необходимо запомнить следующие моменты, которые для максимальной безопасности обязательны к соблюдению: (См. также: Газогенераторная печь своими руками)

Обратите внимание:

  • Труба изделия должна быть обязательно заземлена;
  • На наружную трубу можно подавать из розетки исключительно нулевой провод;
  • Фаза должна подаваться на электрод.

Основа устройства, то есть его корпус, создается из трубы дюймового размера. Ее достаточная длина равна 250 мм. На каждом конце трубы должна находиться резьба по семь ниток. По центру следует приварить винт с резьбой М8. Длину необходимо подбирать самостоятельно, поскольку она полностью зависит от толщины клеммы для нулевого провода, который будет применяться в работе и от заземления. Не лишним будет приварить два винта – это даст дополнительную страховку. В результате получится электродный котел с внешней оболочкой, которая будет иметь несколько не презентабельный вид. Если вдруг декоративность устройства не на подходящем для вас уровне – никто не запрещает скрыть места сварки декоративными деталями.

Непосредственно в конструкции устройства применяют муфту из цветного металла (возможны варианты из стали или чугуна) и тройник. Для большего удобства в обслуживании электродные котлы отопления оснащают соединениями типа «американка».

Изолятор электрода может быть выполнен из любого подходящего под конструкцию и режим работы термостойкого пластмасса. Кроме того, эту деталь можно заказать в токарной мастерской. Важно ограничить свободный доступ к контакту, так как на его месте происходит подключение напряжения в 220 В. В целом, мощность электродного котла представляет достаточно высокую опасность, так что ограничение доступа ко всем опасным деталям – первостепенная задача «самоделкина». К сожалению, в тексте все моменты передать не возможно. Так или иначе, что-то может быть упущено. (См. также: Какие электрические котлы лучше предпочесть?)

Предназначение электродных котлов

  • В первую очередь данное устройство применяют при отоплении помещений любого типа (жилые, складские, производственные и т.д.). Кроме того, электродные котлы хорошо проявят себя на даче, в гараже, теплице, заправочной станции и во многих других местах;
  • Данные устройства эффективно работают в системах отопления, циркуляция в которых может быть как естественная, так и принудительная;
  • При помощи бойлера косвенного нагрева, электродные котлы могут подготавливать горячую воду;
  • Данная технология может являться составной частью конструкции тепловой завесы или «теплых полов». Кроме того, электродными котлами можно проводить сушку леса.

чертежи и характеристики разных типов

Самостоятельно изготовить отопительный котел не такое простое дело, как пишут об этом на многих сайтах. Человек решивший сделать котел своими руками должен обладать определенной квалификацией и навыками, иметь необходимые инструменты и материалы, а также уметь создавать на котлы отопления самодельные чертежи, по которым будет изготовляться изделие. Человеческими руками созданы сложнейшие технические конструкции на Земле, поэтому нет ничего удивительного в том, что котлы отопления самодельные по своим техническим данным значительно лучше заводских изделий.

Предприятие создается для того, чтобы получать прибыль, поэтому разрабатывается такая конструкция изделия, которая обладает минимальной себестоимостью при заданных технических параметрах. Но для самостоятельного изготовления чаще всего выбирается сталь более высокого качества и толщины. Обычно никто не экономит и приобретается высококачественная арматура, фитинги и насосы. И на создаваемый котел отопления своими руками чертежи используются либо уже испытанных моделей, либо разрабатываются свои уникальные.

Самодельные электрические котлы отопления

Обладая навыками работы с металлом, имея необходимый материал и инструмент легче всего изготовить самодельные электрокотлы – электродные или ТЭНовые. Если в качестве преобразователя электроэнергии применен ТЭН, то нужно изготовить или подобрать корпус из стали, в которые он будет установлен. Все остальные комплектующие – регуляторы, датчики, термостат, насос и расширительный бак приобретаются отдельно в специализированных магазинах. Электрические котлы можно использовать в закрытых или открытых системах отопления.

Что нужно и как сделать электрокотел отопления своими руками 220в эффективным и надежным?

Нужна емкость из стали, в которую помещаются один или несколько ТЭНов в соответствии с чертежами или эскизами на создаваемое изделие. Еще на этапе проекта на котлы отопления своими руками чертежи должны предусматривать возможность оперативной и легкой замены сгоревшего ТЭНа. Например, корпус можно изготовить из стальной трубы диаметром 220 мм с длиной корпуса около 0,5 м. К торцам трубы привариваются фланцы с патрубками подачи и «обратки» и посадочными местами, в которые устанавливаются ТЭНы. Циркуляционный насос, расширительный бак и датчик давления присоединяются к обратке.

Особенности электропитания электрических котлов

ТЭНы потребляют значительную мощность, обычно более 3 кВт. Поэтому для электрических котлов нужно создать отдельную линию электропитания. Для агрегатов мощностью до 6 кВт применяется однофазная сеть, а при больших значениях мощности необходима трехфазная сеть. Если снабдить самодельный котел отопления ТЭНом с терморегулятором и подключить его через защиту УЗО, то это идеальный вариант. При установке обычных ТЭНов термостат приобретается и устанавливается отдельно.

Электродные котлы отопления

Котлы этого типа подкупают чрезвычайной простотой. Он представляет собой емкость, в которой установлен электрод, вторым электродом служит корпус котла. В емкость вварены два патрубка – подачи и обратки, через которые электродный котел присоединяется к отопительной системе. КПД электродных котлов близок, как и у других типов электрокотлов, к 100% и его реальная величина – 98%. Известный электродный котел «Скорпион» объект жарких дискуссий. Мнения чрезвычайно разнообразные, от чрезмерного восхищения до полного отрицания применения для контуров отопления.

Считается, что электродные котлы были спроектированы для отопления подводных лодок. И действительно, изготовление котлов отопления требует минимума материалов, морская вода с растворенными солями – отличный теплоноситель, а корпус подводной лодки, с которым соединена система отопления, является идеальным заземлением. На первый взгляд – это отличный контур отопления, но можно ли его применить для отопления жилищ и как сделать электрокотел отопления своими руками, повторив устройство котла «Скорпион»?

Электродный котел Скорпион

В электродных котлах теплоноситель нагревает ток, проходящий между двумя электродами котла. Если в систему залить дистиллированную воду, то электродный котел работать не будет. В продаже имеется специальный солевой раствор для электродных котлов с удельной проводимостью порядка 150 ом/см. Конструкция агрегата настолько проста, что сделать электрокотел Скорпион своими руками, при наличии необходимых навыков, довольно просто.

Основой котла служит стальная труба диаметром до 100 мм и длиной до 300 мм.

К этой трубе привариваются два патрубка для подключения к системе отопления. Внутри прибора находится изолированный от корпуса электрод. Корпус котла играет роль второго электрода, к нему подключается нулевой провод и защитное заземление.

Недостатки электродных котлов

Основной недостаток электродных котлов – необходимость применения солевых растворов, которые неблагоприятно сказываются на батареях и трубопроводах отопления. Система отопления в течение нескольких лет может потребовать полной замены радиаторов, особенно алюминиевых (более подробную информацию о которых вы прочитаете здесь), и трубопроводов. Циркуляционные насосы, которые рассчитаны на работу с антифризом или чистой водой подвергаются большой опасности. Второй огромный недостаток – электродные котлы требуют идеального защитного заземления корпуса, иначе они представляют огромную опасность поражения электротоком. В зарубежных странах продавать и устанавливать подобное оборудование запрещено!

Самодельные твердотопливные котлы отопления

Спрос на твердотопливные котлы в связи с подорожанием газа и электроэнергии растет, соответственно растет и их цена. Альтернатива – самостоятельное изготовление котлов отопления, ведь они обойдутся дешевле, а работать будут не хуже заводских изделий.

В домашних условиях сделать чугунную топку невозможно, поэтому для изготовления применяют сталь.

Если есть возможность, то лучше применить жаропрочную легированную сталь (нержавейку) с толщиной не менее 5 мм. Экономить на металле не стоит, т. к. котел делается для себя, на долгие годы. Можно взять за основу готовые чертежи или сделать их самостоятельно.

Особенности изготовления газовых котлов

Теоретически сделать котел отопления газовый своими руками не представляет особой сложности для людей, которые умеют работать с металлом и имеют необходимые навыки и инструменты. Газовые котлы относятся к изделиям повышенной опасности, поэтому на
самодельные газовые котлы отопления нужно получить разрешение для установки в газовой службе, для которого необходим сертификат на изделие.

Следует учитывать, что получение сертификата дело довольно затратное и малейшее отклонение от установленных норм и правил ведет к отказу. Стоит ли рисковать? К тому же современными СНИиП изготовление своими руками котлов отопления работающих на газе запрещено!

Электродный котел своими руками — Электрокотлы — Котлы

Нашел в сети довольно компактную и простую конструкцию электродного котла. Принцип работы его основан за счет пробоя диэлектрика (воды) переменным напряжением 220 В.
1.Хочу обратить ваше внимание на то, что трубу нужно обязательно заземлять!
2. На наружную трубу из розетки подается только нулевой провод!
3. Фаза подается на электрод!
В общем система не совсем безопасная, но рабочая.
Теперь о конструкции:
http://derkachweb.ru/ne-interesnoe/chertezhi-elektrodnogo-kotla/
Ссылка не грузится. Прийдется переписать.
Конструкция одна из самых простых сделанная на колене из подручных материалов, которые можно без особого труда найти в сантехнических магазинах или на рынках.

Корпус электродного котла сделан из трубы дюймового размера, длинной 250 мм и с резьбой на каждом конце трубы по семь ниток. По центру трубы приварен винт резьба М8,

длину подбирайте в зависимости от толщины клеммы которую будете применять для нулевого провода и заземления или приварите два винта для страховки и надежности.

Так это выглядит в собранном виде, если внешний вид для Вас не важен то декоративную деталь, закрывающую место сварки делать не обязательно.

В конструкции электродного котла применяется тройник, и муфта из цветного металла, а также могут быть из стали или чугуна. Можно применить разборные соединения типа «американки» для удобства в техническом обслуживании котла.

Изолятор электрода его придется заказа в токарной мастерской, или подберите что-то подходящее из термостойкой пластмассы. Не забывайте, что здесь будут подключение напряжения 220В, поэтому контакт должен быть закрыт от свободного доступа.
Электрод также придется заказать, сделан он из прутка 18мм и длинной 200мм с одной стороны нарезана резьба М8 для крепления клеммы с управляющим напряжением в 220В.

Все детали электродного котла собранные в одно целое, будут работать сразу после подключения. Не забывайте, что все резьбовые соединения необходимо герметизировать.

Соблюдайте технику безопасности!

 

Электродный котел — что это и как установить своими руками

Экология потребления.Усадьба:Бытовые отопительные котлы пополнились новыми моделями – электродными котлами Галан, отличающиеся очевидным преимуществом. В отличие от иных отопительных приборов, электродный котел не нуждается в согласовании на установку по действующим «Правилам».

Бытовые отопительные котлы  пополнились новыми моделями – электродными котлами Галан, отличающиеся очевидным преимуществом. В отличие от иных отопительных приборов, электродный котел не нуждается в согласовании на установку по действующим «Правилам». Что представляет собой модели нового котла, и какие условия существуют для его собственноручного подключения?

Котлы Галан, принцип работы, технические характеристики и конструкция

Электродный котел отопления представляет собой ТЭНовую конструкцию, оснащенную материалами от европейского производителя. Напомним, что это сталь нержавеющая марки AISI 316L и нихромы с повышенной нагрузочной способностью, выдерживающие длительный рабочий цикл.

 

Принцип работы  электродного котла галан заключается в пропускании электрического тока (электролиз) через специальный незамерзающий теплоноситель.

 

Электролиз и перенос тепла  нагретого состояния электродов осуществляется при постоянном токе. Компактную конструкцию нагревательных блоков отличают небольшие габаритные размеры и вес котла в сборе. Теплоносителем отопительной электродной системы является антифриз.

 

технические характеристики электродных котлов

Основной технической характеристикой котла электродного является мощность.

Линейка электродных котлов представлена моделями Очаг, Гейзер и Вулкан.

Самым маленьким отопительным котлом является серия ОЧАГ, имеющая незначительную потребляемую мощность (от 2 до 6 кВт), предназначенную для  обогрева площади 120, 230 и 280 куб.м.

 

Например, электродный котел галан очаг 3 имеет такие характеристики:

  • габаритные размеры: длина 275 мм,  35 мм, вес прибора менее 1 кг.
  • мощность 3 кВт позволяет обогреть помещение площадью 120 м3.

Модели ГЕЙЗЕР средней производительности обладают повышенной мощностью – 9 и 15 кВт с возможностью обогрева помещения площадью 340 и 550 м3. Габаритные размеры равны 360 и 410 мм,  130 мм, вес 5 кг.

 

Самыми мощными являются модели ВУЛКАН, обладающие мощностью 25, 36 и 50 кВт и предназначены для обогрева помещений от 830 до 1650 м3.

Линейный КПД электродного котла может достигать 96-98 %. По отношению к традиционному ТЭНовому, экономичность электродного котла составляет до 50% за счет способа непосредственного нагрева теплоносителя.

 


Первое, что бросается в глаз при виде электродных котлов это необычная конструкция. Вместо пузатого и объемного котла длинные цилиндрические конструкции с двумя резьбовыми фланцами, обозначенные стрелочками разного цвета (входящей синей и выходящей красной). Металлический корпус котла может иметь диаметр от 40 до 100 мм длиной 310 – 350 мм.конструкция электродных котлов

 

В процессе электролиза и при разогреве теплоносителя в котле повышается внутреннее давление до 2Атм. Нагретая вода выталкивается вверх, обеспечивая функции циркуляционного насоса. Кроме того, галан электродные котлы отличает наличие отопительной автоматики с простой системой управления прибором.

Особое внимание заслуживают многофункциональные блоки управления, предназначенные для осуществления определенного алгоритма работы нагревателей электрических. Установку и монтаж электродного котла без определенных знаний произвести собственноручно будет сложно.

Процесс монтажа  сводится  к установке непосредственно котла Галан, навесного оборудования, обвязке, подключению электроники и закачки в отопительную систему теплоносителя.

 

Комплект поставки

В комплект поставки электродного котла от производителя входят:

  • электродный блок мощностью от 3-50 кВт
  • силовой блок, включающий автомат защиты, модульный контактор и цифровой терморегулятор воды
  • цифровой терморегулятор по воздуху блок «климат-контроль».

Навесное оборудование (расширительный бак и насос) в комплект поставки не входят, поэтому их параметры предварительно рассчитывают, а оборудование приобретают отдельно.

 

Требования к отопительной системе

Чтобы обеспечить нормальное функционирование отопительной системы необходимо соблюсти ряд требований:

  • предполагаемая система отопления должна быть двухтрубной закрытого типа с мембранным расширительным баком (характеристики по объему 1/10L)
  • котел монтируют вертикально, не превышая уровень радиаторов
  • при обвязке котла рекомендуется соблюдать соотношения диаметров блока котельного (Ø 32), стояка  Ø32 (1″/1/4), магистрали (Ø 25), выводов на радиатор (Ø 20).

 

Для подключения в отопительную систему рекомендованы чугунные, алюминиевые и биметаллические типы радиаторов, а также система регистров с соблюдением стандартной комплектации и литража теплоносителя.

Обвязка электродного котла

Обвязке котла электродного подлежат следующие компоненты отопительной системы:

  • расширительный бак
  • насос циркуляционный
  • группа безопасности
  • краны обратки и фильтр грубой очистки
  • кран залива теплоносителя
  • кран слива теплоносителя из системы
  • кран подачи.

 

Перед монтажом и установкой электродного котла галан необходимо произвести расчеты компонентов отопительной системы. Мощность котла  рассчитывают согласно площади помещения и высоты потолков, а также материала стен дома или квартиры. Затем определяют место будущей установки котла и разрабатывают схему и развязку магистралей, тип радиаторов.

Если планируется установить котел в существующую отопительную систему (в большинстве случаев), то расчет может быть ограничен правильной обвязкой и подключением силового блока и терморегулятора.

Производим монтаж котла Галан

Для монтажа котла Галан используют пластиковые трубы. В горизонтальной разводке необходимо создать уклон 3 градуса. Высота размещения вертикального стояка должна быть не менее 2 м над котлом. Электродный котел требует заземления с сопротивлением заземления 4 Ом.

 

После установки котла производят размещение расширительного бака и насоса циркуляционного. Запорные краны на магистрали трубопровода устанавливают после обратки и расширительного бака. Вентили устанавливают до и после радиаторной группы.

Как произвести монтаж котла и навесного стандартного оборудования, показано здесь.

Схемы подключения котла

Существует несколько схем подключения котла: базовая стандартная, параллельного подключения и подключения к системе теплый пол для номинального напряжения 220 и 380 В и множество других не менее интересных схем.

 

Самыми простыми считаются схемы подключения однофазного электродного котла  или трехфазного электродного котла с электроникой управления, циркуляционным насосом и фильтром. Но какую бы схему вы не предпочли внедрить в жизнь, обязательным условием является заземление установки.

 

Например, для электродного котла галан очаг 3 с номиналом потребляемой мощности 3 кВт, согласно базовой схеме подключения, необходимо напряжение с частотой 50 Гц и максимальным током котла по фазам 13,7 А и пусковым током 5 А.

 

При этом подключение осуществляют с применением токопроводящей медной жилы провода сечением 4 мм2 и к отопительной системе с помощью муфты ДУ 32 мм.

 

Но электродный котел остался обыкновенным котлом, если бы в отопительной системе не присутствовали элементы управления с блоком измерения и регулировки рабочих параметров КРОС.

Электронное управление котлом

Электронное управление  представляет собой прибор, оборудованный блоком датчиков, кабелем и интерфейсным штекером для подключения к стандартному интерфейсу RS232. Схематически электронное управление котлом (КРОС) состоит из контроллеров, регулятора мощности котла, электронного ключа управления циркуляционным насосом.

 

Различают контроллеры тока и контроллеры проводимости теплоносителя. Токовый контроллер ограничивает значение тока на рабочем уровне, заданном при запуске системы.

 

Контроллер проводимости выполняет функции определения состояния теплоносителя: отключает котел при достижении носителем тепла критического уровня проводимости или продолжает работу. Датчики проводимости и температуры носителя выносные.

Для монтажа кабелей блока управления используют провод сечением жил 0,12-2,5 мм2. Концы кабеля для управляющих цепей зачищают на 7-10 мм. Винты клемм ослабляют и устанавливают провода. Затягивать клеммы необходимо с усилием не более 2 Нм.

Произвести подключение блока управления  поможет видео.

После монтаж и подключения в отопительную систему закачивают электролит и производят регулировку параметров нагрева. Для контроля силы тока в системе используют навесные клещи.  опубликовано econet.ru 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтакте, Одноклассниках

Электродные котлы отопления — vodotopim.com

Электродные котлы отопления работают по иному принципу, чем ТЭН’овые, о которых шла речь в предыдущей статье. Рассмотрим, как они работают и за счёт чего более экономичны, а значит, более выгодны.

Чем отличаются электродные котлы отопления от ТЭН’овых?

Отличие электродных котлов от котлов с ТЭНами в способе нагрева теплоносителя, что, в свою очередь, достигается конструктивными особенностями.

Как нагревается теплоноситель в обычном электрокотле? Сперва нагреваются ТЭНы, а только потом от них нагревается теплоноситель:

В электродном котле теплоноситель нагревается сразу — за счет пропускания через него тока:

Поэтому-то электродный котёл экономичнее на 15…30% других котлов.

Разницу по времени нагрева тэновых и электродных котлов иллюстрирует следующий график:

Внутри котла находится блок электродов. Когда подаётся напряжение, ионы воды или специального антифриза, залитого в систему, начинают хаотичное движение от анода к катоду с частотой 50 ГЦ:

За счёт этого теплоноситель и нагревается. По сравнению с тэновыми котлами, у электродного котла малый стартовый ток, что хорошо для работы автоматики электросетей (не такая большая нагрузка).

Ну и электродные котлы компактнее: вот так для примера выглядит электродный котёл в системе (найдёте самостоятельно котёл?):

Электродные котлы безопасней в работе. Так, в котле с ТЭНом, если по какой-либо причине уйдёт теплоноситель, ТЭН перегреется и сгорит (хорошо, если только ТЭН). Электродный же котёл без теплоносителя не станет работать вообще, т. к. теплоноситель здесь является частью цепи, которая без него будет незамкнутой.

Электродные котлы отопления имеют такой же КПД, как у обычных электрических (с ТЭНом внутри). Но экономить электроэнергию помогает автоматизированная система управления от разработчиков. У электродного котла имеется двухканальный навигатор, на котором задаётся температура, и, когда система достигает этой заданной температуры, автомат отключается.

Специально для владельцев загородной недвижимости разработчики придумали блок управления со спутниковой связью: котлу можно позвонить по телефону и «попросить» прогреть помещение к приезду хозяина до нужной температуры.

Минусы электродных котлов

Несколько ложек дёгтя и здесь есть. Так, электроды подвержены отложению накипи, отчего снижается их мощность.

Второе: с чугунными радиаторами электродные котлы отопления работают, как обычные котлы, то есть экономия здесь не получается (экономии можно достичь другими способами: утеплением дома, правильным подбором управляющей автоматики).

Т. к. ток в таких котлах пропускается через теплоноситель, то имеется риск поражения током.

При пропускании тока через теплоноситель протекает явление, называемое электролизом, что приводит со временем к изменениям свойств теплоносителя. А также при этом выделются газы, завоздушивающие систему. Да и газы эти весьма ядовиты.

Следующий минус. Обычные тосолы, антифризы и дистиллированная вода не годятся в качестве теплоносителя в электродных котлах, а только антифризы, предназначенные для именно таких котлов. Да и цена таких антифризов пока ещё высока. Обычная же вода требует подготовки.

В электродном котле нельзя плавно регулировать мощность без значительного усложнения конструкции котла.

Монтаж электродного котла: как избежать ошибок?

Электродные котлы требуют строгого соблюдения правил монтажа системы отопления, поэтому поручить монтаж системы отопления лучше специалистам фирмы-разработчика. При несоблюдении правил монтажа котёл может быстро выйти из строя. Это, конечно, минус для тех, кто планирует сделать водяное отопление своими руками. Но, как оказалось, не всё так критично.

Основная ошибка в монтаже системы отопления, которую допускают люди, довольно банальна. Заключается она в следующем.

У котла есть выход диаметром дюйм с четвертью. Так вот, стояк нужно делать трубой такого же диаметра, не пытаясь сузить с помощью каких-либо переходников.

Где купить электродные котлы отопления?

На просторах Сети мне встречались разные отзывы об электродных котлах, как положительные, так и отрицательные. Насколько я понял, долговечность котла зависит от материала электродов, ну и, надо полагать, отсюда следует, что качество котла зависит от производителя.

Известным представителем таких котлов является электродный котёл Галан.

Электродные котлы отопления производятся на территории России. Сами котлы делают в Пскове и Северодвинске. А автоматику собирают в Зеленограде.

Полагаю, что полную информацию (в т. ч., где и как купить электродный котёл отопления) можно найти на сайте производителя:

В общем, если от твердотопливного котла вы решительно отказались, а устанавливать газовый по какой-то причине не можете или не хотите, то, возможно, электродные котлы отопления – это то, что вам нужно. Однако впереди ещё одна статья об электрических котлах, так что окончательные выводы пока что делать рано.

электродные котлы отопления

EEG Hacker: самодельные пассивные электроды

После проблемы с приобретением приличной электроники для ЭЭГ, следующей самой сложной задачей является приобретение приличных электродов для ЭЭГ. Конечно, есть много того, что можно купить, но некоторые люди не заинтересованы в том, чтобы платить 8-20 долларов за электрод (плюс доставка), потому что они знают, что им нужно купить 6-10 таких электродов и, ну, что становится много денег. Итак, я решил попробовать сделать свои собственные самодельные электроды для ЭЭГ. Вот моя история…(и для вас, нетерпеливые люди… да, есть довольно счастливый конец)
Ношение моих самодельных пассивных электродов ЭЭГ.
(Остерегайтесь дешевых камер и люминесцентных ламп)

Идея: используйте дешевые биты из ящика для оборудования

Когда я смотрю на пассивные электроды ЭЭГ, я вижу просто кусок плоского металла с прикрепленным проводом. Конечно, я вижу использование причудливых металлов (золото, серебро/хлорид серебра), но действительно ли это необходимо? Для исследования ЭЭГ или ЭЭГ-медицины необходимы качество и повторяемость, обеспечиваемые причудливыми металлами.Для взлома ЭЭГ? Я не уверен. Итак, если электрод — это просто кусок плоского металла с прикрепленной к нему проволокой, похоже, я смогу сделать его сам.

Я начал с того, что порылся в своем ящике с оборудованием в поисках подходящего куска металла, маленького и плоского. Я нашел несколько стопорных шайб с язычком под пайку (см. рисунок внизу слева). Это очень простой и недорогой компонент. Я почти уверен, что мои от Mouser и стоят 0,24 доллара за штуку. Вы, вероятно, можете получить их дешевле.


Затем я взял кусок провода, зачистил конец и вставил его в язычок на шайбе.Похоже, это будет хорошо (см. рисунок вверху справа). Чтобы припаять провод к шайбе, я просто поместил его в тиски с пластиковым захватом, нагрел и припой (фото ниже). Если у вас нет тисков, сгодится и традиционное паяльное приспособление «третья рука». Это не модная работа, которой мы здесь занимаемся.
Как только провод был припаян к шайбе, я понял, что должен был надеть на провод кусок термоусадочной трубки, чтобы закрыть место пайки. Но после того, как он был спаян, было слишком поздно добавлять термоусадочную трубку (на другом конце моего провода уже был разъем).Дэн! Когда я сделал второй электрод, я не забыл добавить к нему термоусадочную трубку. Как вы можете видеть ниже, благодаря черной термоусадочной трубке второй электрод выглядит намного лучше, чем первый.
Мои первый и второй самодельные пассивные электроды. На втором я не забыл добавить кусок термоусадочной трубки, чтобы закрыть место пайки. Это выглядит намного лучше.
С рабочим концом электрода я мог рассмотреть другой конец провода…конец, который обычно включен, добавляет разъем для подключения к электронике ЭЭГ. Поскольку я украл свой провод из старого провода отведения ЭКГ, у меня есть «защищенные от прикосновения» разъемы на концах моих электродов. Но вам не нужно ничего такого необычного, если вы хотите потратить меньше денег.

Наименее затратным подходом к «разъемам» будет припайка штырькового или гнездового разъема, что стоит всего около 0,04 доллара США за соединение. Этот тип подключения идеально подходит для подключения к OpenBCI, построенному на традиционном 0.Штыревые разъемы с интервалом 1 дюйм. Таким образом, если вы поместите ответную часть контактного разъема на свои самодельные электроды, они могут подключаться прямо к плате OpenBCI. Отлично! 3,5 мм стереофонический штекер. На этом построен OpenEEG. Эти детали примерно по 0,50 доллара США каждая.

Таким образом, общая стоимость каждого из этих электродов составляет: многожильный провод (он более гибкий, чем сплошной провод) и 0 долларов США.50 для разъема 3,5 мм. Это 1,10 доллара за детали, что является хорошим снижением по сравнению с имеющимися в продаже электродами, ссылка на которые приведена в верхней части этого поста.

Но работают ли мои самодельные электроды?

Самодельные электроды для ЭКГ

Как обсуждалось в моем предыдущем посте, я всегда предпочитаю начинать тестирование с измерения ЭКГ. Поскольку сигналы сердца очень сильны, это простой способ убедиться, что ваша система ЭЭГ (и электроды ЭЭГ) в какой-то степени работает.Итак, я достал свой тюбик с проводящей пастой Ten20 и прикрепил электрод к запястью. Я прикрепил один электрод к левому запястью, а другой к правому запястью.

Прикрепляю самодельные электроды к запястьям для измерения ЭКГ.
Блестящая штука на моей коже — проводящая паста Ten20

Насколько хорошо они приклеились? Ну, не так хорошо, как самоклеящиеся одноразовые электроды ЭКГ. Но площадь поверхности этих липких электродов ЭКГ ОГРОМНА, поэтому, конечно, мои маленькие электроды тоже не будут прилипать.Однако, учитывая, насколько маленькими были мои электроды, я думаю, что они достаточно хорошо держались. Я думаю, что большая дыра в середине стиралки не поможет. Если бы она была твердой, я думаю, что эти электроды держались бы лучше. Я вспомню об этом, когда пойду делать свой следующий набор самодельных электродов.

Как только я прикрепил электроды к своим запястьям, я подключил их к своей плате OpenBCI и, как обычно, заставил Arduino передать данные на мой компьютер. Пример данных ЭКГ с этих электродов показан ниже.Я показываю 6 ударов сердца. Как видите, и острые зубцы R, и широкие зубцы T очень четкие. Амплитуда ЭКГ аналогична той, что я показал вчера в своем посте, когда использовал настоящие электроды ЭКГ. Итак, хотя моя трассировка сигнала выглядит немного более шумной, чем вчера, я бы сказал, что это успешный тест!

Моя ЭКГ, записанная через OpenBCI с использованием моих самодельных электродов Поскольку мне удалось снять ЭКГ, я сделал следующий шаг и использовал самодельные электроды для получения некоторых сигналов ЭЭГ.Я все еще довольно зациклен на своих мю-волнах, поэтому я решил использовать свои электроды, чтобы посмотреть, смогу ли я уловить свои мю-волны.

Следуя упрощенной версии моей предыдущей процедуры, я поместил один электрод на макушку возле Cz и один на левую сторону головы возле C3. Как видно на фото, точно разместить электроды на собственной голове очень сложно. Оглядываясь назад, кажется, что тот, что на моей макушке, был слишком далеко вперед для Cz, а тот, что на моей голове, был слишком далеко назад и слишком низко для C3.В любом случае, они должны быть достаточно хороши, чтобы записать *что-то*, так что давайте посмотрим, что у меня получилось.


Размещение моих самодельных электродов около
Cz (макушка головы) и около C3 (боковая часть головы).

Используя свою электронику OpenBCI, я начал записывать данные из своего мозга. Я провел некоторое время с закрытыми глазами, чтобы генерировать альфа-волны (задний доминантный ритм), я провел некоторое время с открытыми глазами и расслабленной правой рукой и кистью (надеюсь, чтобы генерировать Мю-волны), и я провел некоторое время с открытыми глазами. и моя правая рука сжимается и разжимается.Результаты представлены ниже в виде спектрограммы. К сожалению, не очень ясно, где проходят границы между этими разными действиями, поэтому неясно, что мы *должны* видеть. Мы ясно видим альфа-волны, вызванные тем, что мои глаза закрыты. В середине графика мы также можем увидеть некоторые волны Мю, но они очень слабые. Я бы сказал, что эти результаты хороши для Альфы и плохи для Мю.
Чтобы добиться лучших результатов, я передвинул самодельный электрод, который был сбоку от моей головы.Я переместил его немного выше, чтобы быть ближе к тому месту, где должен быть C3. Затем я повторил свои записи. На этот раз я нажал кнопку на своем компьютере, чтобы отметить границу между каждым действием, чтобы упростить анализ после тестирования. Выяснилось, что простое нажатие кнопки вызвало дрожание проводов ЭЭГ, что проявляется в виде артефактов в данных. Это дает понять, когда я изменил свою деятельность. См. результаты ниже.
Как и раньше, альфа-волны достаточно четкие. Однако на этот раз я действительно думаю, что вижу волны Му в те периоды, когда мои глаза были открыты, а кисть и рука расслаблены.Затем, когда я двигал рукой, мне кажется, что я вижу, что Мю-волны уходят. Это именно то, что должно произойти! В конце, когда я снова расслабляюсь, я думаю, что интересно, что моим волнам Мю требуется некоторое время, чтобы вернуться. Очевидно, я не очень хорошо умею расслабляться. Меня это не сильно удивляет. Я могу быть очень возбудимым… особенно когда я ВЗЛОМАЮ ЭЭГ!

Самодельные электроды кажутся хорошими!

Итак, во втором тесте я очень доволен своими самодельными электродами.Сигналы, которые я записал, были довольно хорошими. Было много шума 60 Гц (не показано на этих графиках), но это могло быть связано с тем, что я не использовал традиционное подключение третьего электрода (по-разному называемое «смещением», «ведомой землей» или «ведомой правой ногой») для этих записи. Я также чувствовал, что эти электроды не так надежно прилегают к моей голове, как золотые электроды, которые я использовал ранее. Я думаю, что липкость можно улучшить, используя кусок металла с большей площадью поверхности… может быть, обычную плоскую шайбу вместо тонкой стопорной шайбы.Тем не менее, примерно по доллару за электрод, я думаю, что результаты чертовски хороши. Я рад.

Как насчет вас… вы делали свои собственные электроды раньше? Как ты сделал это? Они работали?


Последующие действия: дополнительные графики и обсуждение данных приведены в этом посте.
Последующие действия: Хотите увидеть мои данные из этого эксперимента? Загляните на мой гитхаб!

Самодельный сварочный стержень — Марка:

В эфире производителя есть куча статей и практических советов по сварке своими руками, начиная от суперпростых, тупых и невероятно эффективных (три автомобильных аккумулятора, соединенных последовательно) до высокотехнологичных и причудливых (сварочные аппараты TIG). из микроволновых битов, кислородно-водородных горелок из разделенной воды и сантехнических принадлежностей). Имея всю доступную информацию, можно с уверенностью сказать, что опытные производители будут умело сплавлять металл, даже если на сварочную промышленность обрушится какая-то странная, исключительно жестокая катастрофа. Если цивилизация и цепочки поставок рухнут, заборы против зомби все равно будут построены, а Громовой купол будет прочным и сделанным из стали.

Однако все сварщики-самоучки, которых я видел, предполагают, что у вас есть доступ к сварочному электроду. Для менее осведомленных о сварке (видите, что я там делал?) хороший прочный сварной шов включает в себя больше, чем плавление и плавление металлов — зона сварки должна быть свободна от кислорода, иначе произойдет нормальное окисление металлов, что приведет к ржавчине, патине, и обесцвечивание происходит с головокружительной скоростью, ускоряясь, как и многие химические реакции, под действием высокой температуры.Это не только эстетический вопрос — окисление происходит внутри сварного шва, поэтому вместо сплошной металлической связки получается хрупкая пенопластовая заливка. Удаление кислорода обычно достигается за счет заполнения зоны сварки инертным газом — регулируемым сжатым газом из отдельного резервуара в случае сварки MIG и TIG, газом, образующимся из испаряющегося флюса при кислородно-топливной сварке, дуговой сварке и сварке с флюсом. Стандартный электрод для дуговой сварки с покрытием является общепринятой валютой сварки, используемой для сплочения мира. Они вездесущи.Вы можете получить их везде. Пока не можешь.

Даже самый лучший самодельный сварщик бесполезен без сварочной проволоки. Я провел кучу исследований, погуглил и углубился во все более и более схематичные форумы, начиная от мейнстрима «сделай сам» и заканчивая супер схематичным выживанием. Тонны интересной информации по всем вообразимым темам, но, насколько я могу судить, кажется, что никто никогда не делал свой собственный сварочный электрод и не документировал его в Интернете. Здесь устранен небольшой, но потенциально важный пробел в мире DIY.

Моим первым шагом, как это часто бывает, стал поиск патентов. Патенты излагают ключевое ядро ​​технологии, то, что делает конкретное изобретение уникальным, новым, патентоспособным. Часто процесс, связанный с изготовлением вещи, также излагается, защищая права изобретателя на средства, а также на цели. Это удерживает патентных поверенных на работе, а авторам MAKE предоставляется хорошая пошаговая инструкция, позволяющая им грабить.

После недолгих поисков я откопал патент «Электрод для дуговой сварки», поданный Рубеном Стэнли Смитом, жителем Милуоки, штат Висконсин, в 1918 году.(Г-н Смит был плодовитым изобретателем, выпустившим 45 патентов на насосы, производственные процессы и сварочное оборудование. Дополнительную информацию о нем можно найти здесь.)

По сути, стальной стержень обернут целлюлозой (бумагой), пропитанной силикат натрия. Обертка обжата, чтобы поддерживать тесный контакт со стержнем. Затем электроды высушиваются (я использовал тостерную печь — стержневую печь или некоторое время на солнце должно помочь).

Стержень является электродом и наполнителем, оболочка из бумаги/силиката натрия выделяет защитный газ при сгорании и обеспечивает путь плазмы для направления дуги. Стержень не образует защитный керамический шлак, как современные сварочные электроды, но, как утверждает г-н Смит в патенте: «Я также обнаружил, что покрытие из шлака, полученное при использовании известных покрытых электродов, не является существенным для сварки. производство в высшей степени удовлетворительной работы». Я немного подправил патентную процедуру, чтобы использовать общедоступные материалы, которые можно найти в доме.

Электробезопасность: Ответы по охране труда

Поражение электрическим током

Человеческое тело проводит электричество.Даже слабые токи могут вызвать серьезные последствия для здоровья. Судороги, ожоги, мышечный паралич или смерть могут возникнуть в зависимости от силы тока, протекающего через тело, его пути и продолжительности воздействия.

Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) сообщает, что стандартные рабочие напряжения создают токи, проходящие через тело человека, в миллиамперном (мА) диапазоне (1000 мА = 1 ампер). Расчетное воздействие переменного тока частотой 60 Гц, проходящего через грудную клетку, показано в таблице 1.

1 мА

100 мА


60

1 м

16 MA

Максимальный ток среднего человека GRAP и «Пусть Go»

2 AMPS

Cardiac остановка и повреждение внутренних органов

15/20 А

Общий предохранитель или прерыватель размыкает цепь*

Для сравнения, обычный бытовой автоматический выключатель может быть рассчитан на 15, 20 или 30 ампер.

Завершение цепи через тело

  • Если человек коснется проводника под напряжением, ток может протечь через тело на землю и вызвать удар током.
  • Человек может подвергнуться опасности поражения электрическим током, если случайно руками или другой частью тела возникнет перемычка между источником сварочного тока (например, сварочным электродом под напряжением) и обратным контуром (например, заготовкой) сварочной цепи/оборудования.
  • Повышенный электрический контакт с землей увеличивает риск поражения электрическим током.
  • Небольшие толчки могут вас удивить и привести к тому, что вы поскользнетесь и упадете, возможно, с высоты.

Как сваривать алюминий: руководство для начинающих

1) УТИ является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату.

2) Для получения информации о результатах программы и другой информации посетите сайт www.uti.edu/disclosures.

3) Приблизительно 8000 из 8400 выпускников UTI в 2019 году были готовы к работе. На момент составления отчета около 6700 человек были трудоустроены в течение одного года после выпуска, что в общей сложности составляет 84%. Эта ставка не включает выпускников, недоступных для трудоустройства в связи с продолжением образования, военной службой, состоянием здоровья, лишением свободы, смертью или статусом иностранного студента. В рейтинг входят выпускники, прошедшие программы повышения квалификации для производителей, и лица, занятые на должностях которые были получены до или во время обучения в области ИМП, при этом основные должностные обязанности после его окончания совпадают с образовательными и учебными целями программы.UTI является образовательным учреждением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату.

5) Программы UTI готовят выпускников к карьере в отраслях, использующих предоставляемое обучение, в первую очередь в качестве техников для автомобилей, дизельных двигателей, ремонта после столкновений, мотоциклов и морских техников. Некоторые выпускники UTI устраиваются на работу в своей области обучения на должности, отличные от в качестве техника, например: помощник по запчастям, автор услуг, производитель, покраска и подготовка к покраске, а также владелец / оператор магазина. UTI является образовательным учреждением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату.

6) Достижения выпускников УТИ могут различаться. Индивидуальные обстоятельства и заработная плата зависят от личных данных и экономических факторов. Опыт работы, отраслевые сертификаты, местонахождение работодателя и их компенсационные программы влияют на заработную плату. ИМП это учебное заведение и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату.

7) Для прохождения некоторых программ может потребоваться более одного года.

10) Финансовая помощь, стипендии и гранты доступны тем, кто соответствует требованиям.Награды различаются в зависимости от конкретных условий, критериев и штата.

11) См. сведения о программе, чтобы узнать о требованиях и условиях, которые могут применяться.

12) На основе данных, составленных Бюро статистики труда США, Прогнозы занятости (2016–2026), www.bls.gov, просмотрено 24 октября 2017 г. вакансии по классификации должностей: Техники и механики по обслуживанию автомобилей, 75 900; Специалисты по механике автобусов и грузовиков и дизельным двигателям, 28 300 человек; Кузовные и смежные ремонтные мастерские, 17 200.Вакансии включают вакансии в связи с ростом и чистые замены.

14) Программы поощрения и права сотрудников определяются работодателем и доступны в определенных местах. Могут действовать особые условия. Поговорите с потенциальными работодателями, чтобы узнать больше о программах, доступных в вашем регионе.

15) Оплачиваемые производителем программы повышения квалификации проводятся UTI от имени производителей, которые определяют критерии и условия приемки. Эти программы не являются частью аккредитации UTI.Программы доступны в некоторых местах.

16) Не все программы аккредитованы ASE Education Foundation.

20) Пособия по программе VA могут быть доступны не во всех кампусах.

21) GI Bill® является зарегистрированным товарным знаком Министерства по делам ветеранов США (VA). Более подробная информация о льготах на образование, предлагаемых VA, доступна на официальном веб-сайте правительства США.

22) Грант Salute to Service предоставляется всем имеющим право на участие ветеранам во всех кампусах.Программа Yellow Ribbon утверждена в наших кампусах в Эйвондейле, Далласе/Форт-Уэрте, Лонг-Бич, Орландо, Ранчо Кукамонга и Сакраменто.

24) Технический институт NASCAR готовит выпускников для работы в качестве автомехаников начального уровня. Выпускники, изучающие факультативы, посвященные NASCAR, также могут иметь возможность трудоустройства в отраслях, связанных с гонками. Из выпускников 2019 года, сдавших факультативы, примерно 20% нашли возможности, связанные с гонками. Общий уровень занятости в NASCAR Tech в 2019 году составил 84%.

25) Ориентировочная медианная годовая заработная плата техников и механиков автомобильного обслуживания по данным Бюро статистики труда США по занятости и заработной плате, май 2020 г. UTI является образовательным учреждением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Достижения выпускников UTI могут различаться. Индивидуальные обстоятельства и заработная плата зависят от личных данных и экономических факторов. Опыт работы, отраслевые сертификаты, местонахождение работодателя и их компенсационные программы влияют на заработную плату.Зарплата начального уровня ниже. Программы UTI готовят выпускников к карьере в отраслях, использующих предоставляемое обучение, в первую очередь в качестве автомобильных техников. Некоторые выпускники UTI получают работу в рамках своей области обучения на должностях, отличных от техников, таких как сервисный писатель, инспектор смога и менеджер по запчастям. Информация о заработной плате для Содружества Массачусетс: средний годовой диапазон заработной платы начального уровня для лиц, работающих в качестве техников и механиков по обслуживанию автомобилей в Содружестве Массачусетс (49-3023), составляет от 32 140 до 53 430 долларов США (Развитие труда и рабочей силы штата Массачусетс, данные за май 2020 г. , просмотрено 19 января 2022 г., https://lmi.dua.eol.mass.gov/lmi/OccupationalEmploymentAndWageSpecificOccupations#). Информация о заработной плате в Северной Каролине: оценка Министерства труда США почасовой оплаты средних 50% квалифицированных автомобильных техников в Северной Каролине, опубликованная в мае 2021 года, составляет 20,59 долларов США. Бюро статистики труда не публикует данные о заработной плате начального уровня. Однако 25-й и 10-й процентили почасового заработка в Северной Каролине составляют 14,55 и 11,27 долларов соответственно. (Бюро статистики труда, Министерство труда США, профессиональная занятость и заработная плата, май 2020 г.Техники и механики автомобильного обслуживания, просмотрено 2 июня 2021 г.)

26) Ориентировочная средняя годовая заработная плата сварщиков, резчиков, паяльников и сварщиков по данным Бюро статистики труда США, профессиональная занятость и заработная плата, май 2020 г. UTI является образовательным учреждения и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Достижения выпускников UTI могут различаться. Индивидуальные обстоятельства и заработная плата зависят от личных данных и экономических факторов. Опыт работы, отраслевые сертификаты, местонахождение работодателя и их компенсационные программы влияют на заработную плату.Зарплата начального уровня ниже. Программы UTI готовят выпускников к карьере в отраслях, использующих предоставленное обучение, в первую очередь в качестве техников-сварщиков. Некоторые выпускники UTI получают работу в рамках своей области обучения на должностях, отличных от технических, таких как инспекторы и специалисты по контролю качества. Информация о заработной плате для Содружества Массачусетс: средний годовой диапазон заработной платы начального уровня для лиц, работающих сварщиками, резчиками, паяльниками и сварщиками в Содружестве Массачусетса (51-4121), составляет от 36 160 до 50 810 долларов США (Развитие труда и рабочей силы штата Массачусетс, май Данные за 2020 г., просмотрено 19 января 2022 г., https://lmi. dua.eol.mass.gov/lmi/OccupationalEmploymentAndWageSpecificOccupations#). Информация о заработной плате в Северной Каролине: оценка Министерства труда США почасового заработка средних 50% квалифицированных сварщиков в Северной Каролине, опубликованная в мае 2021 года, составляет 20,28 доллара США. Бюро статистики труда не публикует данные о заработной плате начального уровня. Однако 25-й и 10-й процентили почасового заработка в Северной Каролине составляют 16,97 и 14,24 доллара соответственно. (Бюро статистики труда, Министерство труда США, профессиональная занятость и заработная плата, май 2020 г.Сварщики, резчики, припоищики и паяльщики, просмотрено 2 июня 2021 г.)

27) Не включает время, необходимое для завершения квалификационной предварительной программы продолжительностью 18 недель плюс дополнительные 12 или 24 недели специального обучения производителя, в зависимости от производитель.

28) Ориентировочная средняя годовая заработная плата специалистов по ремонту автомобильных кузовов и связанных с ними ремонтных мастерских согласно данным Бюро статистики труда США о занятости и заработной плате, май 2020 г. UTI является образовательным учреждением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату.Достижения выпускников UTI могут различаться. Индивидуальные обстоятельства и заработная плата зависят от личных данных и экономических факторов. Опыт работы, отраслевые сертификаты, местонахождение работодателя и их компенсационные программы влияют на заработную плату. Зарплата начального уровня ниже. Программы UTI готовят выпускников к карьере в отраслях с использованием предоставленного обучения, в первую очередь в качестве техников по ремонту после столкновений. Некоторые выпускники UTI получают работу в рамках своей области обучения на должностях, отличных от технических, например, оценщик, оценщик и инспектор.Информация о заработной плате для Содружества Массачусетс: средний годовой диапазон заработной платы начального уровня для лиц, работающих в качестве ремонтников автомобильных кузовов и связанных с ними автомобилей (49-3021) в Содружестве Массачусетса, составляет от 30 400 до 34 240 долларов США (Развитие труда и рабочей силы Массачусетса, данные за май 2020 г. , просмотрено 19 января 2022 г., https://lmi.dua.eol.mass.gov/lmi/OccupationalEmploymentAndWageSpecificOccupations#). Информация о заработной плате в Северной Каролине: оценка Министерства труда США почасового заработка средних 50% квалифицированных техников по ДТП в Северной Каролине, опубликованная в мае 2021 года, составляет 23 доллара.40. Бюро статистики труда не публикует данные о заработной плате начального уровня. Однако 25-й и 10-й процентили почасового заработка в Северной Каролине составляют 17,94 и 13,99 долларов соответственно. (Бюро статистики труда, Министерство труда США, Профессиональная занятость и заработная плата, май 2020 г. Автокузовные и связанные с ними ремонтные мастерские, просмотрено 2 июня 2021 г.) Статистика занятости и заработной платы Бюро статистики труда США, май 2020 г.UTI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Достижения выпускников UTI могут различаться. Индивидуальные обстоятельства и заработная плата зависят от личных данных и экономических факторов. Опыт работы, отраслевые сертификаты, местонахождение работодателя и их компенсационные программы влияют на заработную плату. Зарплата начального уровня ниже. Программы UTI готовят выпускников к карьере в отраслях, использующих предоставляемое обучение, в первую очередь в качестве техников-дизелистов. Некоторые выпускники UTI устраиваются на работу в рамках своей области обучения на должности, отличные от должности техника по дизельным грузовикам, например, техник по техническому обслуживанию, техник по локомотивам и техник по морским дизельным двигателям.Информация о заработной плате для штата Массачусетс: средний годовой диапазон заработной платы начального уровня для лиц, работающих в качестве механиков автобусов и грузовиков и специалистов по дизельным двигателям (49-3031) в штате Массачусетс, составляет от 32 360 до 94 400 долларов США (Massachusetts Labor and Workforce Development, Данные за 2020 г., просмотрено 19 января 2022 г., https://lmi.dua.eol.mass.gov/lmi/OccupationalEmploymentAndWageSpecificOccupations#). Информация о зарплате в Северной Каролине: оценка Министерства труда США почасовой оплаты средних 50% квалифицированных дизельных техников в Северной Каролине, опубликованная в мае 2021 года, составляет 23 доллара.20. Бюро статистики труда не публикует данные о заработной плате начального уровня. Однако 25-й и 10-й процентили почасового заработка в Северной Каролине составляют 19,41 и 16,18 долларов соответственно. (Бюро статистики труда, Министерство труда США, профессиональная занятость и заработная плата, май 2020 г. Механики автобусов и грузовиков и специалисты по дизельным двигателям, просмотрено 2 июня 2021 г.)

30) Ориентировочная средняя годовая заработная плата механиков мотоциклов в Бюро США Статистики труда, занятости и заработной платы, май 2020 г.MMI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Достижения выпускников ММИ могут различаться. Индивидуальные обстоятельства и заработная плата зависят от личных данных и экономических факторов. Опыт работы, отраслевые сертификаты, местонахождение работодателя и их компенсационные программы влияют на заработную плату. Зарплата начального уровня ниже. Программы MMI готовят выпускников к карьере в отраслях, использующих предоставленное обучение, в первую очередь в качестве техников мотоциклов. Некоторые выпускники MMI устраиваются на работу в рамках своей области обучения на должности, отличные от технических, например, автор услуг, техническое обслуживание оборудования и помощник по запчастям.Информация о заработной плате для Содружества Массачусетс: средняя годовая заработная плата начального уровня для лиц, работающих в качестве механиков мотоциклов (49-3052) в Содружестве Массачусетс, составляет 30 660 долларов США (Развитие труда и рабочей силы штата Массачусетс, данные за май 2020 г., просмотрено 19 января 2022 г., https://lmi.dua.eol.mass.gov/lmi/OccupationalEmploymentAndWageSpecificOccupations#). Информация о заработной плате в Северной Каролине: оценка Министерства труда США почасового заработка средних 50% квалифицированных специалистов по ремонту мотоциклов в Северной Каролине, опубликованная в мае 2021 года, составляет 15 долларов. 94. Бюро статистики труда не публикует данные о заработной плате начального уровня. Однако 25-й и 10-й процентили почасового заработка в Северной Каролине составляют 12,31 и 10,56 долларов соответственно. (Бюро статистики труда, Министерство труда США, профессиональная занятость и заработная плата, май 2020 г. Мотоциклетная механика, просмотрено 2 июня 2021 г.)

31) Ориентировочная средняя годовая заработная плата механиков моторных лодок и техников по обслуживанию в Бюро статистики труда США. «Профессиональная занятость и заработная плата», май 2020 г.MMI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Достижения выпускников ММИ могут различаться. Индивидуальные обстоятельства и заработная плата зависят от личных данных и экономических факторов. Опыт работы, отраслевые сертификаты, местонахождение работодателя и их компенсационные программы влияют на заработную плату. Зарплата начального уровня ниже. Программы MMI готовят выпускников к карьере в отраслях с использованием предоставляемого обучения, в первую очередь в качестве морских техников. Некоторые выпускники MMI устраиваются на работу в рамках своей области обучения на должности, отличные от техников, например, по обслуживанию оборудования, инспектору и помощнику по запчастям.Информация о заработной плате для Содружества Массачусетс: средний годовой диапазон заработной платы начального уровня для лиц, работающих в качестве механиков моторных лодок и техников по обслуживанию (49-3051) в Содружестве Массачусетс, составляет от 32 760 до 42 570 долларов США (Развитие труда и рабочей силы Массачусетса, данные за май 2020 г., просмотрено 19 января 2022 г., https://lmi.dua.eol.mass.gov/lmi/OccupationalEmploymentAndWageSpecificOccupations#). Информация о заработной плате в Северной Каролине: оценка Министерства труда США почасовой оплаты средних 50% квалифицированного морского техника в Северной Каролине, опубликованная в мае 2021 года, составляет 18 долларов.61. Бюро статистики труда не публикует данные о заработной плате начального уровня. Однако 25-й и 10-й процентили почасового заработка в Северной Каролине составляют 15,18 и 12,87 долларов соответственно. (Бюро статистики труда, Министерство труда, занятости и заработной платы США, май 2020 г. Механики моторных лодок и техники по обслуживанию, просмотрено 2 июня 2021 г.)

33) Курсы различаются в зависимости от кампуса. Для получения подробной информации свяжитесь с представителем программы в кампусе, в котором вы заинтересованы.

34) Ориентировочная средняя годовая заработная плата операторов станков с числовым программным управлением в США.S. Профессиональная занятость и заработная плата Бюро статистики труда, май 2020 г. UTI является образовательным учреждением и не может гарантировать занятость или заработную плату. Достижения выпускников UTI могут различаться. Индивидуальные обстоятельства и заработная плата зависят от личных данных и экономических факторов. Опыт работы, отраслевые сертификаты, местонахождение работодателя и их компенсационные программы влияют на заработную плату. Зарплата начального уровня ниже. Программы UTI готовят выпускников к карьере в отраслях с использованием предоставляемого обучения, в первую очередь в качестве техников по обработке с ЧПУ. Некоторые выпускники UTI получают работу в рамках своей области обучения на должностях, отличных от техников, таких как оператор станков с ЧПУ, ученик машиниста и инспектор по обработанным деталям. Информация о заработной плате для Содружества Массачусетс: средняя годовая заработная плата начального уровня для лиц, работающих в качестве операторов станков с компьютерным управлением по металлу и пластмассе (51-4011) в Содружестве Массачусетса, составляет 35 140 долларов США (Развитие труда и рабочей силы штата Массачусетс, май 2020 г.). данные, просмотрено 19 января 2022 г., https://lmi.dua.eol.mass.gov/lmi/OccupationalEmploymentAndWageSpecificOccupations#). Информация о заработной плате в Северной Каролине: оценка Министерства труда США почасовой оплаты средних 50% квалифицированных станков с ЧПУ в Северной Каролине, опубликованная в мае 2021 года, составляет 20,24 доллара США. Бюро статистики труда не публикует данные о заработной плате начального уровня. Однако 25-й и 10-й процентили почасового заработка в Северной Каролине составляют 16,56 и 13,97 долларов соответственно. (Бюро статистики труда, Министерство труда США, профессиональная занятость и заработная плата, май 2020 г.Операторы станков с числовым программным управлением, просмотрено 2 июня 2021 г.)

36) Учащиеся, зачисленные на отдельные программы UTI, имеют право подать заявку на участие в программе раннего трудоустройства. Участвующие работодатели свяжутся с отобранными кандидатами для проведения собеседований. Решения о найме, удержании сотрудников и компенсации принимаются исключительно потенциальным работодателем. Участие работодателей и детали программы могут быть изменены. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с Career Services. UTI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату.

37) Курсы Power & Performance не предлагаются в Техническом институте NASCAR. UTI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Для получения информации о результатах программы и другой раскрытой информации посетите сайт www. uti.edu/disclosures.

38) Бюро статистики труда США прогнозирует, что общая занятость в стране по каждой из следующих профессий к 2030 году составит: Техники и механики автомобильного обслуживания, 705 900; Сварщики, резчики, паяльщики и паяльщики — 452 400 человек; Автобус и грузовик Специалисты по механике и дизельным двигателям — 296 800 человек; Кузовные и связанные с ними ремонтные мастерские — 161 800; и операторы станков с числовым программным управлением, 154 500 человек.См. Таблицу 1.2. Занятость по роду занятий, 2020 г. и прогноз на 2030 г., Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

39) Повышение квалификации доступно для выпускников, только если курс еще доступен и есть места. Студенты несут ответственность за любые другие расходы, такие как плата за лабораторные работы, связанные с курсом.

41) Для техников и механиков автомобильной службы: U. S. Бюро статистики труда прогнозирует в среднем 69 000 вакансий в год в период с 2020 по 2030 год. Вакансии включают вакансии в связи с чистыми изменениями занятости и чистыми заменами. См. таблицу 1.10 Профессиональные увольнения и вакансии, прогноз на 2020–2030 годы, Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI — это образовательное учреждение. и не может гарантировать занятость или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

42) Для сварщиков, резчиков, паяльщиков и паяльщиков U.S. Бюро статистики труда прогнозирует в среднем 49 200 вакансий в год в период с 2020 по 2030 год. Вакансии включают вакансии в связи с чистыми изменениями занятости и чистыми заменами. См. таблицу 1.10 Профессиональные увольнения и вакансии, прогноз на 2020–2030 годы, Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI — это образовательное учреждение. и не может гарантировать занятость или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

43) Для механиков автобусов и грузовиков и специалистов по дизельным двигателям: U.S. Бюро статистики труда прогнозирует в среднем 28 100 вакансий в год в период с 2020 по 2030 год. Вакансии включают вакансии в связи с чистыми изменениями занятости и чистыми заменами. См. Таблицу 1.10. Увольнения по профессиям и вакансии, прогноз на 2020–2030 годы, Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. учреждения и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

44) Для кузовных мастерских и связанных с ними ремонтных мастерских U.S. Бюро статистики труда прогнозирует в среднем 15 200 вакансий в год в период с 2020 по 2030 год. Вакансии включают вакансии в связи с чистыми изменениями занятости и чистыми заменами. См. Таблицу 1.10. Профессиональные увольнения и вакансии, прогноз на 2020–2030 годы, Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI — это образовательное учреждение. и не может гарантировать занятость или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

45) Для операторов станков с числовым программным управлением код U.S. Бюро статистики труда прогнозирует в среднем 16 500 вакансий в год в период с 2020 по 2030 год. Вакансии включают вакансии в связи с чистыми изменениями занятости и чистыми заменами. Видеть Таблица 1.10. Увольнения по профессиям и вакансии, прогноз на 2020–2030 годы, Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. учреждения и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

46) Учащиеся должны поддерживать минимальный средний балл 3,5 и посещаемость 95%.

47) Бюро статистики труда США прогнозирует, что к 2030 году общая занятость техников и механиков автомобильного обслуживания в стране составит 705 900 человек. gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

48) Бюро статистики труда США прогнозирует, что к 2030 году общая занятость в стране для механиков автобусов и грузовиков и специалистов по дизельным двигателям составит 296 800 человек.См. Таблицу 1.2. Занятость по роду занятий, 2020 г. и прогноз на 2030 г., Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

49) Бюро статистики труда США прогнозирует, что к 2030 г. общая занятость в автомобильных кузовных и смежных ремонтных мастерских составит 161 800 человек. Бюро трудовой статистики США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI является образовательным учреждением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Обновлено в ноябре 18, 2021.

50) Бюро статистики труда США прогнозирует, что к 2030 году общая занятость сварщиков, резчиков, паяльщиков и сварщиков в стране составит 452 400 человек. Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI является образовательным учреждением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату.Обновлено в ноябре 18, 2021.

51) Бюро статистики труда США прогнозирует, что к 2030 году общая занятость операторов станков с числовым программным управлением в стране составит 154 500 человек. www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

52) Бюро статистики труда США прогнозирует среднегодовое количество вакансий по стране в каждой из следующих профессий в период с 2020 по 2030 год: техников и механиков по обслуживанию автомобилей, 69 000; Механика автобусов и грузовиков и дизельный двигатель Специалисты — 28 100 человек; и сварщики, резчики, паяльщики и паяльщики — 49 200 человек.Вакансии включают вакансии в связи с чистыми изменениями занятости и чистыми заменами. См. Таблицу 1.10 Увольнения и вакансии, прогнозируемые на 2020–2030 годы, Бюро США. of Labor Statistics, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 года. UTI – это образовательное учреждение, которое не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Утверждено 18 ноября 2021 г.

53) Бюро статистики труда США прогнозирует, что общая занятость в стране по каждой из следующих профессий к 2030 г. составит: Техники и механики по обслуживанию автомобилей — 705 900 человек; Сварщики, резчики, паяльщики и паяльщики — 452 400 человек; Автобус и грузовик Специалисты по механике и дизельным двигателям, 296 800 человек.См. Таблицу 1.2. Занятость по специальностям, 2020 г. и прогноз на 2030 г., Бюро статистики труда США, www.bls.gov, просмотрено 18 ноября 2021 г. UTI является учебным заведением и не может гарантировать трудоустройство или заработную плату. Обновлено 18 ноября 2021 г.

Универсальный технический институт штата Иллинойс, Inc. одобрен Отделом частного бизнеса и профессиональных школ Совета высшего образования штата Иллинойс.

Потенциостат с открытым исходным кодом «Сделай сам» для аналитических и образовательных приложений

Abstract

Хотя потенциостаты являются основой современных электрохимических исследований, они нашли относительно небольшое применение в условиях ограниченных ресурсов, например, в студенческих лабораторных курсах и в развивающихся странах.Одной из причин низкого распространения потенциостатов является их стоимость, так как даже самые дешевые коммерчески доступные лабораторные потенциостаты продаются более чем за тысячу долларов. Таким образом, недорогая электрохимическая рабочая станция может оказаться полезной в образовательных лабораториях и расширить доступ к основанным на электрохимии аналитическим методам для мониторинга продуктов питания, лекарств и окружающей среды. Имея в виду эти мотивы, мы описываем здесь CheapStat, недорогой (менее 80 долларов США) ручной потенциостат с открытым исходным кодом (программное и аппаратное обеспечение), который может быть сконструирован любым, кто имеет опыт сборки схем. Это устройство поддерживает ряд форм сигналов потенциала, необходимых для выполнения циклической, прямоугольной волны, линейной развертки и анодной вольтамперометрии. Как мы показываем, он подходит для широкого спектра применений, начиная от проверки качества пищевых продуктов и лекарств и заканчивая мониторингом окружающей среды, быстрым обнаружением ДНК и образовательными упражнениями. Схемы устройства, списки деталей, файлы компоновки печатной платы, примеры экспериментов и подробные инструкции по сборке доступны в сопутствующей информации и распространяются под открытой лицензией на оборудование.

Образец цитирования: Роу А.А., Бонэм А.Дж., Уайт Р.Дж., Циммер М.П., ​​Ядгар Р.Дж., Хобза Т.М. и др. (2011) CheapStat: Потенциостат с открытым исходным кодом «Сделай сам» для аналитических и образовательных приложений. ПЛОС ОДИН 6(9): е23783. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023783

Редактор: Мени Вануну, Пенсильванский университет, Соединенные Штаты Америки

Получено: 6 мая 2011 г . ; Принято: 24 июля 2011 г .; Опубликовано: 13 сентября 2011 г.

Авторские права: © 2011 Rowe et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

Финансирование: Этот проект финансировался за счет гранта (OPP1015402) Фонда Билла и Мелинды Гейтс в рамках инициативы Grand Challenges Explorations Initiative, а также Национальных институтов здравоохранения за счет грантов GM062958-01 и 2R01EB002046.Эта работа была выполнена частично под эгидой Министерства энергетики США Ливерморской национальной лабораторией им. Лоуренса по контракту DE-AC52-07NA27344. Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Потенциостаты, являющиеся краеугольным камнем электрохимических исследований, практически не применяются в средах с ограниченными ресурсами, таких как развивающиеся страны и учебные лаборатории.Важным фактором в этом является стоимость: академические лаборатории и промышленные группы обычно платят более 10 000 долларов США за рабочую станцию ​​общего назначения исследовательского качества. Действительно, даже самые дешевые коммерчески доступные лабораторные потенциостаты (, например, , Dagan Chem-Clamp, DropSens µSTAT 200) продаются по цене более тысячи долларов и имеют лишь ограниченную функциональность. Таким образом, недорогой прибор, достаточно универсальный для генерации сигналов стандартной формы, мог бы значительно расширить применение электрохимии в средах с ограниченными ресурсами.Такое устройство позволит, например, проводить количественные измерения при контроле качества продуктов питания и лекарств [1], анализе микроэлементов [2], мониторинге окружающей среды [3] и конструировании простых биосенсоров [4], [5], [6],[7],[8].

Хотя самодельное устройство не может соперничать по качеству и возможностям с потенциостатами исследовательского класса, многие функции первоклассных коммерческих инструментов не нужны для приложений, связанных с охраной окружающей среды или здравоохранением. Подтверждая этот аргумент, простые потенциостаты, такие как домашний глюкометр, могут выполнять достаточно точные электрохимические измерения по цене менее 100 долларов США.Однако программные и аппаратные решения, лежащие в основе этих устройств, являются собственностью компании и поэтому не могут быть легко модифицированы для поддержки других приложений. Учитывая эти аргументы, возможно, неудивительно, что ряд потенциостатов с открытым исходным кодом был описан в научной литературе за последние четыре десятилетия [9], [10], [11], [12]. Например, в 1980 году Бонд и Норрис опубликовали описание генератора сигналов, в котором использовались недорогие интегральные схемы [13], а затем Браун в 1982 году описал более сложный прибор с компьютерным управлением [14]. Недавняя разработка потенциостатов с открытым исходным кодом была сосредоточена в основном на миниатюрных потенциостатах, часто с учетом имплантации [15], [16], [17], [18], [19], [20]. Однако эти устройства, как правило, не предлагают широкий спектр сигналов и не используют современные компьютерные интерфейсы. Другие недавно описанные потенциостаты с открытым исходным кодом используют изготовленную на заказ микроэлектронику, что делает их плохо подходящими для использования в приложениях с ограниченными ресурсами [21], [22], [23]. Таким образом, несмотря на значительный литературный прецедент, остается неудовлетворенная потребность в недорогом, легко собираемом потенциостате, поддерживающем обычно используемые электрохимические формы волны.Действительно, потребность в недорогом потенциостате общего назначения с открытым исходным кодом подчеркивается недавней академической попыткой «перепрофилировать» готовые глюкометры для поддержки новых аналитических приложений [24].

В ответ на явную потребность в действительно недорогом, полностью программируемом потенциостате мы представляем здесь CheapStat ( Рисунок 1 ), потенциостат с открытым исходным кодом, который может легко собрать любой специалист по сборке схем. Мы считаем, что это устройство может оказаться полезным в химических лабораториях бакалавриата, в развивающихся странах и других средах с ограниченными ресурсами.В поддержку этого мы продемонстрировали полезность устройства в приложениях, включая тестирование продуктов питания и лекарств, мониторинг окружающей среды, образование и биосенсоры.

Рис. 1. CheapStat, недорогой потенциостат «сделай сам», который можно собрать менее чем за 80 долларов.

Прибор поддерживает циклическую, прямоугольную, линейную развертку и инверсионную вольтамперометрию в диапазоне потенциалов от -990 до +990 мВ и на частотах от 1 до 1000 Гц. Устройство поддерживает ряд приложений для контроля окружающей среды, продуктов питания и лекарств, а также образовательных приложений.На обратной стороне печатной платы расположен трехстрочный ЖК-дисплей и джойстик, который используется для выбора протокола эксперимента, изменения его параметров (частоты, начального напряжения, конечного напряжения, скорости сканирования) и начала эксперимента.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023783.g001

Материалы и методы

За исключением печатных плат, которые были заказаны по индивидуальному заказу в компании PCBex (Хьюстон, Техас, ~30 каждая), все компоненты, необходимые для сборки CheapStat, были получены от Mouser Electronics (Мэнсфилд, Техас) по адресу общая стоимость ~ 80 долларов за устройство в небольшом количестве.Схемы этого устройства (макет S1, макет S2, макет S3, макет S4, макет S5, макет S6, макет S7), а также инструкции по его сборке (приложение S1) доступны в сопроводительной информации и выпущены под открытым аппаратным обеспечением. лицензия. Необходимое программное обеспечение (среда выполнения и исходный код), а также другие обновления можно найти на нашем веб-сайте (http://www.chem.ucsb.edu/~kwp/cheapstat/).

Измерения аскорбиновой кислоты в апельсиновом соке

В качестве простой демонстрации образовательных приложений CheapStat мы использовали его для измерения концентрации аскорбата в апельсиновом соке. Поскольку аскорбиновая кислота является окислительно-восстановительной, ее уровень в апельсиновом соке можно измерить методом циклической вольтамперометрии [1] методом стандартных добавок. Это представляет собой безопасный и простой эксперимент, подходящий для общего курса химии или даже лабораторного курса средней школы.

В этом эксперименте были приготовлены четыре образца апельсинового сока, один из которых был немодифицированным, а остальные три были модифицированы путем добавления экзогенной аскорбиновой кислоты в концентрации 0,1, 0,2 или 0,3 М. Для повышения проводимости к каждому из них добавляли хлорид калия. из них до 1 млн.В качестве рабочего электрода использовался графитовый «грифель», взятый из механического карандаша. Использовали стандартный электрод сравнения Ag/AgCl и платиновый противоэлектрод. Измерения проводились в 5 мл различных образцов апельсинового сока (Minute Maid Original, Атланта, Джорджия). Измерения циклической вольтамперометрии проводились от 200 до 900 мВ, а ток при 550 мВ использовался для количественного определения апельсинового сока. Следует отметить, что хотя аскорбат является наиболее распространенным окислительно-восстановительным активным соединением в апельсиновом соке, он не является единственным присутствующим окислительно-восстановительным активным соединением.В частности, другие вещества мешают этим измерениям при потенциалах выше 600 мВ, поэтому аскорбат не следует определять с использованием показаний, полученных выше 600 мВ.

Для определения исходного аскорбата мы построили линейный график зависимости тока при 550 мВ от добавленного аскорбата (, рис. 2, ). Экстраполяция этой линии до 0,39 мМ для разведенного образца показывает, что наш образец апельсинового сока содержал 1,95 ± 0,11 мМ аскорбиновой кислоты, что является убедительным показателем, учитывая концентрацию (2 мМ), указанную на веб-сайте производителя.

Рис. 2. Устройство CheapStat поддерживает циклическую вольтамперометрию.

Показано измерение аскорбиновой кислоты (витамина С) в апельсиновом соке на основе CV с использованием метода стандартных добавок. (Слева) Для этого 0, 5, 10 и 15 мл стандартного раствора аскорбиновой кислоты (0, 0,1, 0,2 и 0,3 М в апельсиновом соке) добавляли к 25 мл образца апельсинового сока известной марки. и опрос с помощью циклической вольтамперометрии с использованием недорогого карандашного «грифеля» в качестве рабочего электрода. (Справа) Линейная экстраполяция тока окисления, наблюдаемая при 600 мВ, использовалась для определения начальной концентрации аскорбата, которая при 1.95 ± 0,11 мМ довольно близко к «60 мг на порцию» (2 мМ), указанному на веб-сайте производителя.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023783.g002

Мониторинг окислительно-восстановительного потенциала феррицианида с помощью циклической вольтамперометрии

Вольтамперометрический отклик и окислительно-восстановительный цикл обратимой пары феррицианид-ферроцианид является широко используемым учебным пособием для введения в электрохимию, и здесь мы демонстрируем эту реакцию с помощью CheapStat. Помимо своей педагогической роли, феррицианид является распространенным окислителем в органической химии и использовался в качестве пробы для различных органических и биологических реакций, поскольку восстановление феррицианида до ферроцианида легко контролировать.

В этом эксперименте мы растворили феррицианид калия в 50 мл 1 М нитрата калия до конечных концентраций 1 и 2 мМ. В качестве рабочего электрода мы использовали простой платиновый дисковый электрод. Чтобы еще больше подчеркнуть низкую стоимость и возможность самостоятельной сборки прибора CheapStat, эти эксперименты проводились независимо либо со стандартным коммерческим электродом Ag/AgCl, либо с изготовленным вручную электродом Ag/AgCl на основе стеклянной пипетки (подготовленным, как в [25]). ). В качестве противоэлектрода использовался отрезок платиновой проволоки, хотя мы отмечаем, что многие проводящие материалы одинаково хорошо служили бы в качестве простых противоэлектродов.С помощью этих электродов проводили циклическую вольтамперометрию в диапазоне потенциалов от 0 до 650 мВ со скоростью 10 мВ/сек по параметрам, установленным Боттом и Джексоном [26].

Окислительно-восстановительный отклик феррицианида формирует характерную форму «утки» полностью обратимой реакции на циклической вольтамперограмме ( рис. 3 ). Как имеющийся в продаже эталон Ag/AgCl, так и самодельный эталон демонстрируют близкое соответствие результатов при наблюдении за феррицианидной реакцией при испытанных концентрациях.

Рисунок 3. CheapStat совместим с обычными образовательными экспериментами.

Показан мониторинг феррицианида калия в 1 М растворе нитрата калия на основе циклической вольтамперометрии с использованием как коммерческих (закрашенные символы), так и изготовленных вручную (открытые символы) электродов сравнения Ag/AgCl. Концентрации феррицианида 1 мМ (черные квадраты) и 2 мМ (синие кружки) были исследованы с помощью циклической вольтамперометрии и показывают характерный вольтамперометрический отклик полностью обратимой реакции.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023783.g003

Анализ содержания ацетаминофена в безрецептурных обезболивающих препаратах с использованием линейной развертки вольтамперометрии

В качестве последней демонстрации образовательных приложений CheapStat мы использовали его для измерения содержания ацетаминофена в таблетке обезболивающего. Ацетаминофен является окислительно-восстановительным [27] противовоспалительным препаратом, который можно количественно определить с помощью вольтамперометрии с линейной разверткой. Здесь мы проанализировали содержание ацетаминофена в безрецептурном болеутоляющем средстве, используя метод стандартных добавок.

В этом эксперименте мы растворили коммерческое болеутоляющее средство (указано, что оно содержит 500 мг ацетаминофена) в 250 мл 2 М серной кислоты до конечной теоретической концентрации 13,33 мМ. Разделив его на четыре образца, мы фальсифицировали три увеличивающимся количеством экзогенного чистого ацетаминофена в концентрациях 0,002, 0,005 и 0,01 М. В качестве рабочего электрода мы использовали золотую проволоку диаметром 0,08 мм с тефлоновым покрытием, длина которой составляла 1 см. обнажила голую золотую поверхность. Стандартный электрод Ag/AgCl и отрезок платиновой проволоки использовали в качестве электрода сравнения и противоэлектрода соответственно.На этих образцах была проведена вольтамперометрия с линейной разверткой в ​​диапазоне потенциалов от 500 до 1000 мВ со скоростью 10 мВ/с.

Чтобы рассчитать концентрацию ацетаминофена в нашем чистом образце, мы линейно экстраполировали ток, наблюдаемый при 850 мВ (, рис. 4, ). Экстраполяция и преобразование в общее количество показывают, что каждая таблетка содержала 472 ± 63 мг ацетаминофена, что близко соответствует количеству ацетаминофена, указанному на этикетке коммерческого продукта, который мы использовали.

Рис. 4. Анализ содержания ацетаминофена в безрецептурном болеутоляющем средстве с помощью вольтамперометрии с линейной разверткой.

Таблетку ацетаминофена измельчили и растворили в серной кислоте. Стандарты были добавлены к трем растворам, а один остался нетронутым. (Слева) Вольтамперометрия с линейной разверткой, выполненная с рабочим электродом из золотой проволоки, использовалась для измерения концентрации ацетаминофена методом стандартных добавок. (Справа) Линейная экстраполяция тока окисления, наблюдаемая при 850 мВ, использовалась для определения исходной концентрации ацетаминофена в 250 мл раствора, содержащего одну измельченную таблетку, которая при 12. 6±1,7 мМ (472±63 мг на таблетку) близко к 500 мг на таблетку, заявленной производителем.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023783.g004

Измерение мышьяка с помощью анодной инверсионной вольтамперометрии с прямоугольной волной

В некоторых сельских районах Индии и Бангладеш мышьяк в питьевой воде является серьезной проблемой для здоровья. Мы использовали CheapStat для измерения уровня мышьяка [2] в озерной воде. Во всех регионах мира рекомендуемый максимальный уровень мышьяка в питьевой воде составляет 10 частей на миллиард.

Пробы озерной воды были взяты из озера Качума (Санта-Барбара, Калифорния) и хранились в полиэтиленовых бутылях Nalgene. Озерную воду подкисляли, смешивая ее с концентрированной соляной кислотой в соотношении 11 к 1. Золотые дисковые электроды (CH Instruments, Остин, Техас) полировали в суспензии 0,5-микронного оксида алюминия на полировочной ткани, а затем тщательно промывали деионизированной водой. Запечатанную ампулу с оксидом мышьяка (Fluka Product #38150, через Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури) разбавляли в 1000 раз подкисленной озерной водой. Аликвоты разбавленного стандарта добавляли к образцам подкисленной озерной воды объемом 5 мл. Концентрация добавленного мышьяка в образцах составляла 5 ppb и 20 ppb.

В каждую пробу озерной воды были погружены золотой диск, платиновый счетчик и электрод сравнения из серебра/хлорида серебра. Ток на рабочем электроде поддерживался на уровне -0,500 мВ в течение 120 секунд, пока раствор перемешивался пипеткой. Затем было выполнено измерение прямоугольной волны с частотой 40 Гц от -270 мВ до 600 мВ. С помощью прибора CheapStat можно было легко проводить измерения при пиковых концентрациях мышьяка 5 и 20 частей на миллиард (, рис. 5, ).В пробах воды озера мышьяк не обнаружен.

Рисунок 5. Анализ содержания мышьяка в трех подкисленных растворах озерной воды.

Образцы были взяты из озера Качума (Санта-Барбара, Калифорния) и смешаны в соотношении 11:1 с концентрированной HCl. Стандарт арсената был добавлен в два образца (верхние 20 частей на миллиард, средние 5 частей на миллиард), а один остался пустым (нижний). Растворенный арсенат в каждом растворе восстанавливали при -0,5 В, а затем анализировали с помощью прямоугольной вольтамперометрии при 40 Гц.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023783.g005

Конструирование простого биосенсора Е-ДНК и его опрос с помощью прямоугольной вольтамперометрии

Электрохимические ДНК-биосенсоры

(Э-ДНК) — это недорогие многоразовые детекторы ДНК [4]. Они могут проводить количественные измерения в сложных смесях, таких как кровь, моча, слюна и продукты реакции ПЦР. В этом эксперименте мы использовали датчик E-ДНК для обнаружения синтетического олигонуклеотида ДНК с последовательностью, обнаруженной в геноме сальмонеллы .

Чувствительный элемент в этих устройствах представляет собой синтетический олигонуклеотид из 17 оснований, полученный коммерческим путем, с тиолом на 5′-конце и репортером метиленового синего на противоположном конце. Тиол легко прикрепляет олигонуклеотид к золотому электроду (через очень простую химию самосборки монослоя), оставляя другой конец свободным для приближения к электроду и переноса электронов (, рис. 6, ). Если молекула-мишень гибридизуется с этой системой, эффективность, с которой метиленовая синь приближается и, таким образом, переносит электроны на поверхность электрода, снижается, уменьшая наблюдаемую скорость переноса электронов [28].Поскольку прямоугольная вольтамперометрия очень чувствительна к изменениям кинетики переноса электронов, она идеально подходит для мониторинга биосенсоров этого класса [5].

Рис. 6. Электрохимическое обнаружение определенной последовательности ДНК непосредственно в смеси для ПЦР.

Датчик Е-ДНК (слева) был опрошен с помощью прямоугольной вольтамперометрии. Сканирование биосенсора E-ДНК с частотой 100 Гц до и после добавления комплементарной мишени (20, 60 и 200 нМ в смеси для ПЦР) четко указывает на присутствие ДНК-мишени: в течение часа гибридизация с аналитом ( при 200 нМ) вызывал снижение пикового тока на 61%.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023783.g006

ДНК-зонд, используемый в этом датчике, был синтезирован компанией Biosearch Technologies (Novato, CA), а мишень — компанией Sigma Genosys, подразделением Sigma Aldrich ( Сент-Луис, Миссури). Последовательности олигонуклеотидов были:

  1. LinearSensor 5′-HS-(CH 2 ) 6 -TGGATCGGCGTTTTATT-(CH 2 ) 7 -NH-MB-3′ и
  2. ДНК-мишень 5′-TTGAATATCTGAACAAGAATAAAACGCCGATCCA-3′.

Для изготовления датчика мы отполировали золотые дисковые электроды с использованием оксида алюминия 0,05 мкм перед их электрохимической очисткой в ​​0,5 МН 2 SO 4 и 0,5 МН 2 SO 4 с 0,01 М KCl с серией 0,01 М KCl. . Затем каждый электрод промывали в деионизированной воде перед погружением в 200 нМ раствор соответствующего ДНК-зонда в фосфатно-солевом буфере с рН 7,4. Через час электроды промывали деионизированной водой и затем оставляли на ночь в 2 мМ меркаптогексаноле (для завершения образования самоорганизующегося монослоя).Перед использованием датчики промывали в деионизированной воде.

Датчики были погружены в 5 мл фосфатно-солевого буфера. Начальное прямоугольное вольтамперометрическое сканирование было выполнено в диапазоне от 0 до -0,5 В при 100 Гц. Затем мы проверили датчик, добавив 100 мкл 10 мкМ исходной ДНК аналита из 34 оснований. Через 30 и 60 минут после смешивания мы записали новые сканы прямоугольных волн, наблюдая ожидаемое снижение сигнала на 60% через 1 час. Эти результаты хорошо согласуются с нашей более ранней работой, в которой использовался потенциостат CH Instruments 630B (Остин, Техас) [5].

Результаты и обсуждение

Сердцем прибора CheapStat является аналоговая схема управления с замкнутым контуром, способная регулировать напряжение электрода с точностью до милливольта при измерении тока электрода с точностью до наноампер. Эта схема управления управляется микроконтроллером Atmel XMEGA, содержащим цифро-аналоговый преобразователь и аналого-цифровой преобразователь с достаточной точностью, чтобы поддерживать соответствующую генерацию формы сигнала напряжения и количественное определение тока. В сочетании с этим микроконтроллером микросхема универсального асинхронного приемника-передатчика для универсальной последовательной шины (USB) обеспечивает удобный интерфейс между этим микроконтроллером и компьютером для анализа данных через порт USB. Система обратной связи с операционным усилителем устанавливает напряжение на электрохимической ячейке и подает ток, необходимый для запуска электрохимической реакции. Мы использовали операционные усилители Texas Instruments TLC2262CP (Mouser Electronics) в CheapStat, потому что они маломощны и требуют небольшого входного тока. В частности, эти усилители имеют входной ток смещения всего 1 пА, что позволяет надежно определять малые токи в наноамперах.

Описанным выше вариантам конкретных устройств присуща общая тема дизайна CheapStat: простота изготовления, модификации и использования.Например, используя описанные выше компоненты и недорогую, изготовленную на заказ (и легко доступную) печатную плату, мы вручную изготовили несколько устройств CheapStats без использования печи оплавления, пайки волной припоя или других сложных инструментов для сборки схем. Прошивка CheapStat также легко обновляется с помощью простого комплекта для программирования микроконтроллера. Наконец, проекты CheapStat доступны по лицензии Creative Commons, а прилагаемая документация достаточно подробна, чтобы поддерживать усилия по созданию CheapStat или расширению его дизайна.

В текущей реализации CheapStat поддерживает прямоугольную, линейную развертку, зачистку и циклическую вольтамперометрию при потенциалах от -990 мВ до 990 мВ, частотах от 1 до 1000 Гц и токах от ∼100 нА до 50 мкА. Эти рабочие диапазоны могут быть расширены с помощью простых аппаратных настроек. В случае, если данный эксперимент производит токи, например, более 50 мкА, простой резистор может быть добавлен последовательно с рабочим электродом, чтобы вернуть ток в полезный диапазон устройства.CheapStat прост в использовании: он включает в себя трехстрочный ЖК-дисплей и джойстик, с помощью которого оператор выбирает конкретный протокол, определяет его параметры (частоту, начальное напряжение, конечное напряжение, скорость сканирования) и инициирует эксперимент. Копирование данных из CheapStat на компьютер так же просто, для этого требуется всего один щелчок мышью. Наконец, CheapStat портативный, весит всего 115 грамм, питается через USB-порт, им можно управлять с помощью простого ноутбука или нетбука, что делает устройство портативным и готовым к работе.

Чтобы продемонстрировать полезность CheapStat, мы провели ряд простых экспериментов, охватывающих ряд репрезентативных приложений. К ним относятся использование циклической вольтамперометрии и недорогого карандашного рабочего электрода «свинец» для измерения содержания витамина С (аскорбиновой кислоты) в апельсиновом соке (, рис. 2, ), циклической вольтамперометрии для наблюдения за обратимой феррицианидной/ферроцианидной реакцией (, рис. 3, ). ) и вольтамперометрия с линейной разверткой для определения содержания ацетаминофена (парацетамола) в безрецептурном болеутоляющем средстве ( Рисунок 4 ) – эксперименты, типичные для тех, которые проводятся на лабораторных курсах бакалавриата.Чтобы проиллюстрировать способность CheapStat поддерживать более сложные аналитические приложения, мы также продемонстрировали использование анодной вольтамперометрии прямоугольной формы для анализа содержания мышьяка в нескольких растворах озерной воды с добавками ( рис. 5 ) и вольтамперометрии прямоугольной формы для измерения концентрация определенной последовательности ДНК непосредственно в смеси для ПЦР с использованием простого биосенсора электрохимической ДНК (Э-ДНК) (, рис. 6, ).

CheapStat может оказаться особенно полезным в качестве образовательного инструмента.В каждом из вышеперечисленных экспериментов, например, мы получили результаты достаточного качества и воспроизводимости для легкой интерпретации людьми, не имеющими большого опыта работы с химическими лабораториями. Более того, с образовательной точки зрения сложность использования CheapStat довольно низка, что делает его вполне подходящим для первокурсников колледжей или даже для старшеклассников. По мере того, как электрохимия играет все более важную роль в альтернативных энергетических и аналитических технологиях, важность доступного доступа к электрохимии продолжает расти.Электрохимия также предоставляет мощный инструмент для обучения студентов широкому кругу тем в области химии, включая термодинамику, окислительно-восстановительные реакции, кинетику реакций и титрование. Учитывая эти наблюдения, мы считаем, что доступность недорогого потенциостата, такого как описанный здесь, может оказать положительное влияние на химическое образование.

Помимо использования в образовательных целях, CheapStat также может оказаться полезным для аналитических приложений в развивающихся странах. Как мы показали, например, CheapStat поддерживает определение мышьяка в озерной воде 2 , слишком распространенного загрязнителя окружающей среды на обширных территориях Южной Азии, где загрязнение грунтовых вод является насущной проблемой [29], [30]. [31].Действительно, в то время как разработка недорогих подходов к удалению мышьяка из питьевой воды хорошо известна, количественные анализы для определения эффективности такой обработки громоздки и требуют громоздких инструментов, которые нельзя использовать в полевых условиях [32]. CheapStat может анализировать мышьяк за считанные минуты при концентрациях значительно ниже предела в 10 частей на миллиард, установленного Агентством по охране окружающей среды США и Всемирной организацией здравоохранения.

Выводы

The CheapStat представляет собой один из примеров растущей тенденции к использованию недорогих и простых в изготовлении аналитических устройств.В последние годы, например, были разработаны недорогие микрожидкостные устройства, изготовленные из листов полистирола [32], [33], [34], [35], статьи [24], [36], [37], [38]. ,[39],[40] и даже желатин [41]. Агравал и Угаз [42], [43], [44] даже разработали чрезвычайно недорогую и портативную машину ПЦР, которая заменяет дорогой чип Пельтье реакционным сосудом в форме кольца и тремя зонами нагрева, установленными на фиксированные температуры. Наконец, в недавней литературе сообщалось о недорогих подложках для рамановской спектроскопии [45], [46], оборудовании для центрифугирования [47] и спектрометрах [48], [49].Двигаясь вперед, легко представить, что такие технологии можно интегрировать с CheapStat, чтобы повысить их полезность в передовых аналитических приложениях, включая медицинскую диагностику.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Джозефа Джексона, Келли Чу, Эрин Миллер и Боба Макенена за их поддержку и поддержку в ходе этого проекта.

Вклад авторов

Задумал и разработал эксперименты: AAR AJB. Проведены эксперименты: AAR AJB.Проанализированы данные: AAR AJB. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: MPZ. Написал статью: AAR AJB KWP. Участвовал в разработке прибора: RJW RJY TMH JMH IB-Y. Проведены работы по устранению неполадок с прототипом: RJW RJY TMH JMH IB-Y.

Каталожные номера

  1. 1. Кинг Д., Френд Дж., Кариуки Дж. (2010) Измерение содержания витамина С в коммерческом апельсиновом соке с помощью карандашного электрода. Журнал химического образования 87: 507–509.
  2. 2. Forsberg G, O’Laughlin JW, Megargle RG, Koirtyihann SR (1975) Определение мышьяка с помощью анодной вольтамперометрии и дифференциальной импульсной анодной вольтамперометрии.Аналитическая химия 47: 1586–1592.
  3. 3. Lee SW, Meranger JC (1981) Определение общего содержания соединений мышьяка с помощью анодной вольтамперометрии. Аналитическая химия 53: 130–131.
  4. 4. Xiao Y, Lai RY, Plaxco KW (2007)Подготовка иммобилизованных на электродах окислительно-восстановительных олигонуклеотидов для электрохимического зондирования ДНК и аптамеров. Нацпротоколы 2: 2875–2880.
  5. 5. Любин А.А., Вандер Стоуп Хант Б., Уайт Р.Дж., Пласко К.В. (2009) Влияние длины зонда, геометрии зонда и размещения окислительно-восстановительной метки на производительность электрохимического датчика электронной ДНК.Аналитическая химия 81: 2150–2158.
  6. 6. Fan C (2003)Электрохимический анализ конформационных изменений как безреагентный метод для специфичного для последовательности обнаружения ДНК. Труды Национальной академии наук 100: 9134–9137.
  7. 7. Ricci F, Lai RY, Plaxco KW (2007)Линейные окислительно-восстановительные ДНК-зонды в качестве электрохимических сенсоров ДНК. Химическая коммуна 3768.
  8. 8. Ricci F, Plaxco KW (2008) Сенсоры E-DNA для удобного электрохимического обнаружения гибридизации без меток. Микрохим Акта 163: 149–155.
  9. 9. Stock JT (1968) Простой кулонометрический анализ на слаботочном потенциостате. Журнал химического образования 45: 736.
  10. 10. Goldsworthy WW, Clem RG (1971) Цифровой потенциостат. Аналитическая химия 43: 1718–1720.
  11. 11. ван Сваай М. (1978) XCVI. Практичный потенциостат-кулонометр для студенческой лаборатории и рутинных исследований. Журнал химического образования 55: A7.
  12. 12. Вассос Б.Х., Мартинес Г. (1978) Потенциостат с компьютерным интерфейсом.Аналитическая химия 50: 665–668.
  13. 13. Бонд А.М., Норрис А. (1980) Недорогие генераторы программируемых функций с микропроцессорным управлением для использования в электрохимии. Аналитическая химия 52: 367–371.
  14. 14. Браун О.Р. (1982) Управление электрохимическими экспериментами с помощью недорогого персонального микрокомпьютера. Электрохимика Acta 27: 33–46.
  15. 15. Виттал А. , Рассел Д. (2005) Недорогой портативный программируемый потенциостат.Преподаватель химии 11: 23–28.
  16. 16. Kakerow R, Kappert H, Spiegel E, Manoli Y (1995) Маломощный однокристальный CMOS-потенциостат.
  17. 17. Кумин В.К., Флейшауэр М.Д., Хэтчард Т.Д., Дан Дж.Р. (2003) Проектирование и тестирование недорогого многоканального псевдопотенциостата для количественных комбинаторных электрохимических измерений на больших массивах электродов. Electrochem Solid-State Lett 6: E15–E18.
  18. 18. Steinberg MD, Lowe CR (2004) Микромощный амперометрический потенциостат.Датчики и приводы B: Chemical 97: 284–289.
  19. 19. Ли Хуацин, Луо Сяньбо, Лю Чуньсю, Цзян Лиин, Цуй Дафу и др. (2004) Многоканальная система электрохимического обнаружения на основе labVIEW. Международная конференция по сбору информации, 2004 г., стр. 224–227. Доступно: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=1373356&tag=1. По состоянию на 8 ноября 2010 г.
  20. 20. Хуанг С-И, Ли М-Х, Ву З-Х, Ценг Х-Ю, Хуан Ю-С и др. (2009) Портативный потенциостат с полимерным электродом с молекулярным отпечатком для определения дофамина.Тестирование и диагностика, 2009. С. 1–4. https://doi.org/10.1109/CAS-ICTD.2009.4960767
  21. 21. Кимура М., Фукусима Х., Сагава Ю., Сецу К., Хара Х. и др. (2009) Встроенный потенциостат с электрохимической ячейкой на тонкопленочных транзисторах. Электронные устройства, транзакции IEEE на 56: 2114–2119.
  22. 22. Sungkil Hwang, Sonkusale S (2010) Потенциостат CMOS VLSI для портативных приложений для измерения окружающей среды. Журнал датчиков, IEEE 10: 820–821.
  23. 23.Айерс С., Гиллис К.Д., Линдау М., Минч Б.А. (2007) Проект схемы потенциостата КМОП для массивов электрохимических детекторов. Схемы и системы I: обычные статьи, IEEE Transactions on 54: 736–744.
  24. 24. Nie Z, Nijhuis CA, Gong J, Chen X, Kumachev A, et al. (2010) Электрохимическое зондирование в бумажных микрожидкостных устройствах. Лабораторный чип 10: 477.
  25. 25. East GA, del Valle MA (2000) Простой в изготовлении электрод сравнения Ag/AgCl. Журнал химического образования 77: 97.
  26. 26. Ботт А.В., Джексон Б.П. (1996) Исследование феррицианида методом циклической вольтамперометрии с использованием CV-50W. Текущие разлуки 15: 25–30.
  27. 27. Van Benschoten JJ, Lewis JY, Heineman WR, Roston DA, Kissinger PT (1983) Эксперимент по циклической вольтамперометрии. Журнал химического образования 60: 772.
  28. 28. Узава Т., Ченг Р.Р., Уайт Р.Дж., Макаров Д.Е., Пласко К.В. (2010)Механистическое исследование переноса электронов с дистальных концов одноцепочечных ДНК, связанных электродами.Журнал Американского химического общества 132: 16120–16126.
  29. 29. Lubin JH, Beane Freeman LE, Cantor KP (2007) Неорганический мышьяк в питьевой воде: развивающаяся проблема общественного здравоохранения. Журнал Национального института рака 99: 906–907.
  30. 30. Chen Y, Ahsan H (2004)Раковое бремя из-за мышьяка в питьевой воде в Бангладеш. Am J Public Health 94: 741–744.
  31. 31. Оно К., Янасэ Т., Мацуо Ю., Кимура Т., Рахман Хамидур М. и др.(2007) Потребление мышьяка через воду и пищу населением, проживающим в районе Бангладеш, пораженном мышьяком. Наука об окружающей среде 381: 68–76.
  32. 32. Бехари Дж. Р., Пракаш Р. (2006) Определение общего содержания мышьяка в воде с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС) с использованием установки для генерации пара (VGA). Хемосфера 63: 17–21.
  33. 33. Граймс А., Бреслауер Д.Н., Лонг М., Пеган Дж., Ли Л.П. и др. (2008) Микрофлюидика Шринки-Динка: быстрое создание глубоких и округлых узоров.Лабораторный чип 8: 170.
  34. 34. Нгуен Д., Тейлор Д., Цянь К., Норузи Н., Расмуссен Дж. и др. (2010) Усадка лучше, чем у Шринки-Динкса. Лабораторный чип 10: 1623–1626.
  35. 35. Чен К.С., Бреслауер Д. Н., Луна Дж.И., Граймс А., Чин В.К. и др. (2008) Микрофлюидика Шринки-Динка: трехмерные полистироловые чипы. Лабораторный чип 8: 622–624.
  36. 36. Nie Z, Deiss F, Liu X, Akbulut O, Whitesides GM (2010)Интеграция бумажных микрожидкостных устройств с коммерческими электрохимическими считывателями.Лабораторный чип 10: 3163.
  37. 37. Дунгчай В., Чайлапакул О., Генри К.С. (2009)Электрохимическое обнаружение для бумажной микрофлюидики. Аналитическая химия 81: 5821–5826.
  38. 38. Каррильо Э., Мартинес А.В., Уайтсайдс Г.М. (2009) Понимание восковой печати: простой процесс микрорисунка для бумажной микрофлюидики. Аналитическая химия 81: 7091–7095.
  39. 39. Siegel AC, Phillips ST, Wiley BJ, Whitesides GM (2009) Тонкие, легкие, складные термохромные дисплеи на бумаге.Лабораторный чип 9: 2775.
  40. 40. Эллерби А.К., Филлипс С.Т., Сигел А.С., Мирика К.А., Мартинес А.В. и соавт. (2009) Количественная оценка колориметрических анализов в бумажных микрожидкостных устройствах путем измерения пропускания света через бумагу. Аналитическая химия 81: 8447–8452.
  41. 41. Yang CWT, Ouellet E, Lagally ET (2010) Использование недорогих чипсов Jell-O для практического обучения микрофлюидике. Аналитическая химия 82: 5408–5414.
  42. 42. Агравал Н., Хассан Ю.А., Угаз В.М. (2007) Карманный термоциклер для конвективной ПЦР.Angew Chem 119: 4394–4397.
  43. 43. Агравал Н., Угаз В. (2007) Компактный термоциклер с плавучестью для быстрой ПЦР. Клиники лабораторной медицины 27: 215–223.
  44. 44. Мудду Р., Хассан Ю.А., Угаз В.М. (2011)Быстрое термоциклирование ПЦР с использованием микромасштабной тепловой конвекции. Юпитер. Доступно: http://www.jove.com/Details.stp?ID=2366. По состоянию на 29 марта 2011 г.
  45. 45. Gutés A, Carraro C, Maboudian R (2010)Серебряные дендриты от гальванического смещения на коммерческой алюминиевой фольге как эффективная подложка SERS.Журнал Американского химического общества 132: 1476–1477.
  46. 46. Ю В. В., Уайт И.М. (2010) Матрица рамановской спектроскопии с улучшенной поверхностью для струйной печати на целлюлозной бумаге. Аналитическая химия 82: 9626–9630.
  47. 47. Вонг А.П., Гупта М., Шевкопляс С.С., Уайтсайдс Г.М. (2008)Вилка для яиц как центрифуга: выделение плазмы крови человека из цельной крови в условиях ограниченных ресурсов. Лабораторный чип 8: 2032.
  48. 48. Мор С., Спенсер С.Л., Хипплер М. (2010) Недорогой рамановский спектрометр для экспериментов и исследований студентов и аспирантов.Журнал химического образования 87: 326–330.
  49. 49. Safford HW, Westneat DF (1953) Недорогой, простой в конструкции спектрофотометр. Журнал химического образования 30: 343.

Электрод ЭКГ — обзор

2.2 Интерфейс электрод-пациент

Токи и заряды, генерируемые электрической активностью сердца, распространяются внутри тела пациента к туловищу с помощью ионов, где необходимы устройства для преобразования в электронную ЭКГ. Это преобразование ионов в электроны происходит на границе раздела электрод-пациент с помощью основного механизма, известного как перенос заряда. Характеристики интерфейса электрод-пациент и кожи под электродом напрямую связаны с механизмом переноса заряда, влияя на преобразование результирующих электронных токов сердца и, следовательно, на ЭКГ (Webster, 2006b).

В электродах ЭКГ высокие электрические характеристики, как правило, могут быть получены с использованием неблагородных материалов, например хлорида серебра (Ag-AgCl), наиболее часто используемого материала для электродов ЭКГ.Когда этот металлический электрод находится в контакте с электролитом (кожей или электродным гелем), происходит электрохимическая реакция путем ионного обмена (уравнение (2.1)), основанная на тенденции атомов металла (М) терять электроны, и ионы металлов (M+n) перемещаются в электролит, задействуя электрод, который заряжен отрицательно по сравнению с электролитом (реакция окисления). Точно так же в электролите ионы металла (M+n) принимают n электронов с образованием атомов металла (M), которые осаждаются на электроде, что подразумевает электрод, который положительно заряжен по отношению к электролиту (реакция восстановления). (Вебстер, 2006b):

(2.1)M⇔M+n+ne−

Скорости ионного обмена в обоих направлениях сбалансированы в условиях равновесия, что приводит к результирующему току, равному нулю (токи, текущие в противоположных направлениях, равны). Однако результирующая разность потенциалов на границе раздела электрод-электролит, называемая потенциалом полуэлемента, отлична от нуля и зависит от концентрации как ионов, так и металлического электрода, и может быть получена с помощью уравнения Нерста (уравнение (2.2)) (Вебстер, 2006b).

(2.2)Eполуячейка=E0+RTnF×log⁡Концентрация формы окисленияКонцентрация восстановленной формы.

Параметр Ehalf-cell – потенциал полуэлемента, E0 – стандартный потенциал полуэлемента, измеренный относительно стандартного водородного электрода, R – универсальная газовая постоянная, n – число электронов, участвующих в реакции T — абсолютная температура в Кельвинах. Здесь используется концентрация, предполагая, что раствор бесконечно разбавлен (Webster, 2006b).

Поскольку сигнал ЭКГ получается при размещении на туловище двух одинаковых электродов, можно предположить, что поверхность раздела электролит/электрод имеет одинаковые свойства, что приводит к равным потенциалам полуэлементов, где его эквивалентность представляет собой смещение нулевого напряжения при вход дифференциального усилителя, не влияющего на сигнал ЭКГ.На практике возникают небольшие различия, связанные со смещением напряжения, которое иногда может меняться со временем, влияя на измеренную ЭКГ.

На границе раздела электрод-электролит положительные ионы притягиваются к электроду (отрицательно заряженные из-за реакции окисления), а отрицательные ионы к электролиту (положительно заряженные из-за реакции восстановления), создавая емкость двойного слоя на границе раздела (Cdl). Эта емкость подключена параллельно сопротивлению переноса заряда (RCT), где происходит перенос заряженных на туловище ионов, поступающих от электрической активности сердца, на электроны для системы регистрации ЭКГ. При емкости двойного слоя обменные токи через его параллельные пластины в обоих направлениях сталкиваются с сопротивлением переноса заряда, которое способствует конверсии электронов. Упрощенная эквивалентная модель электрической цепи на границе электрод-электролит представлена ​​на рис. 2.1.

Рисунок 2.1. Эквивалентная схема интерфейса электрод-электролит. C dl представляет емкость двойного слоя; R CT , сопротивление переносу заряда; R TOTAL , сопротивления свинца и электродов, и E rev , равновесный потенциал.

На границе раздела через двойной слой может протекать некоторый постоянный (или фарадеев) ток из-за протекающих на границе электрохимических реакций (уравнение (2.2) и Cdl). Эти реакции испытывают сопротивление переносу заряда, и их можно рассматривать как шунтирование нефарадеевской емкости двойного слоя. Уравнение сопротивления переносу заряда показано в уравнении. (2. 3), где i0 — ток, протекающий через интерфейс в обоих направлениях (нет потоков в состоянии равновесия):

(2.3)RCT=RTnF×1i0.

Таким образом, хорошая электродная система будет характеризоваться большим значением тока обмена или низким значением RCT, что приводит к беспрепятственному переносу заряда и, следовательно, к небольшому падению напряжения на границе раздела (Webster, 2006b).

Как построить топливный элемент

Первым шагом в создании топливного элемента является определение требований к мощности, необходимой для питания конкретного устройства или приложения. Топливные элементы можно использовать для питания чего угодно, включая телефоны, ноутбуки, автомобили, автобусы, дома, предприятия и даже космические челноки! Одиночный топливный элемент может быть спроектирован для получения любого тока, необходимого для конкретного применения, путем простого увеличения или уменьшения размера площади активного электрода. Выходное напряжение одного элемента составляет менее 1 В в реальных условиях эксплуатации, но большинство разработчиков топливных элементов используют напряжение от 0,6 до 0,7 В при номинальной мощности. Однако системы топливных элементов могут быть рассчитаны на номинальное напряжение 0,8 В на элемент или выше, если выбраны правильные конструкция, материалы, условия эксплуатации, баланс установки и электроника. Для большинства приложений используется пакет топливных элементов, состоящий из множества отдельных элементов, соединенных последовательно. Количество элементов в стеке определяется максимальным требованием напряжения и желаемым рабочим напряжением.Некоторые требования к мощности и напряжению для обычных топливных элементов приведены в таблице 1.

Заявка Максимальная мощность
Требование (Вт)
Максимальное напряжение
Требование (V)
Средняя мощность
Поставка
Сотовый телефон 3 4. 2 1,7
Ноутбук 20 12,6 15
Скутер 7,7 51 1,2 кВт
Автомобиль 120 кВт 284 72 кВт
Резервный источник питания 5 кВт 30 1.26 кВт
Стационарная мощность 500 кВт 480 5 кВт

Таблица 1. Пример требований к напряжению и мощности для топливных элементов

Выходная мощность батареи топливных элементов может быть рассчитана путем расчета максимально возможного скачка мощности и напряжения, которые могут возникнуть во время работы устройства (в зависимости от нагрузки), а затем путем включения коэффициента безопасности в расчет мощности.После оценки первоначальных требований к мощности мы можем приступить к подготовке деталей и материалов для топливных элементов. Основными частями топливного элемента, как показано на рисунках 1 и 2, являются:

1. Мембрана протонного обмена , которая способствует протеканию химической реакции внутри топливного элемента, пропуская протоны водорода через мембрану.
2. Защитные слои электродов , которые позволяют топливу и окислителю перемещаться к катализатору, собирая электроны.
3. Катализатор , расщепляющий топливо на протоны и электроны.
4. Пластины Flowfield распределяют газы и жидкости по топливному элементу.
5. Прокладки , предотвращающие утечку топлива и помогающие распределять давление в дымовой трубе.
6. Токосъемники , собирающие электроны с пластин поля потока.
7. Торцевые пластины обеспечивают поддержку и сжатие компонентов.
8. Зажимной механизм , который скрепляет стопку.

Рис. 1. Иллюстрация топливного элемента с одним элементом

Конечно, есть много вспомогательных компонентов, которые добавляются к коммерческим батареям топливных элементов для оптимизации и контроля производительности батареи топливных элементов. Отдельные системы увлажнения и системы охлаждения необходимы для больших размеров стеков, чтобы гарантировать, что температура системы остается достаточно низкой для того, чтобы перфторированная мембрана Nafion® оставалась гидратированной для эффективного проведения протонов.При рассмотрении подходящей конструкции топливного элемента следует учитывать несколько основных соображений:

• Топливо и окислитель должны быть равномерно распределены по площади поверхности каждой ячейки и равномерно распределены по дымовой трубе. Это обеспечит равномерную выработку электроэнергии и воды в стеке.

• Температура должна быть одинаковой по всему блоку топливных элементов. Это становится сложной задачей по мере увеличения количества ячеек, а нагрузка потребляет высокий уровень мощности. Равномерная температура обеспечивает равномерную скорость распределения мощности, поскольку с повышением температуры становится труднее управлять водой.

• При проектировании топливного элемента с полимерным электролитом мембрана не должна пересыхать или заливаться водой. Проблемы с управлением водой значительно снижают производительность топливного элемента.

• Резистивные потери должны быть сведены к минимуму. Один из способов уменьшить эти потери — обеспечить хороший контакт между проводящими компонентами, чтобы позволить электронам течь с минимальным сопротивлением.

• Стопка должна быть надлежащим образом герметизирована, чтобы исключить утечку газа. Прокладки должны быть соответствующего размера, чтобы надлежащим образом герметизировать стопку.

• Стек должен быть прочным и выдерживать необходимые условия окружающей среды.

Рис. 2. Детали блока одиночных топливных элементов

Материалы для топливного элемента

Для изготовления низкотемпературного топливного элемента с протонной обменной мембраной (PEMFC) необходимы следующие основные материалы для сборки первого блока топливных элементов:

.

1. Протонообменная мембрана, такая как Nafion® 117
2. Раствор Nafion®
3. Углеродная ткань или бумага
4. Катализатор, обычно платина
5. Графитовые или другие пластины поля потока
6. Уплотнительный материал для герметизации газов в зоне потока
7. Металл для создания токоприемников
8. Торцевые пластины
9. Зажимной механизм типа гаек и болтов
10. Источник водорода
11. Контрольно-измерительные приборы, такие как мультиметр и осциллограф
. 12.Метод прессования MEA вместе

После того, как вы собрали эти материалы, первым шагом будет подготовка мембраны из полимерного электролита.

Подготовка полимерно-электролитной мембраны

Мембрана из полимерного электролита, наиболее часто используемая в низкотемпературных топливных элементах, представляет собой Nafion® (см. рис. 3), представляющую собой тонкую прозрачную пленку, которую необходимо разрезать до размера, соответствующего конструкции вашего топливного элемента. Его готовят путем погружения в несколько нагретых растворов деионизированной воды, перекиси водорода и разбавленной серной кислоты для активации сульфокислотных групп в мембране.Типичная последовательность обработки мембраны включает погружение в растворы, нагретые до 80°С, в стеклянных стаканах. Каждый химический стакан содержит пленку PEM в течение одного часа в следующем порядке:

1. Дистиллированная (ДИ) вода для гидратации мембраны и растворения поверхностных загрязнений.
2. Раствор перекиси водорода для удаления органических загрязнений с поверхности ПЭМ.
3. Разбавьте серную кислоту, чтобы удалить загрязнения ионами металлов с поверхности ПОМ, и сульфируйте поверхность ПОМ.
4.Деионизированная вода для смывания серной кислоты с поверхности и гидратации ПОМ.
5. Деионизированная вода для повторного ополаскивания и гидратации ПОМ
6. Деионизированная вода для окончательного ополаскивания и гидратации

При обработке пленки убедитесь, что она все время погружена в воду, чтобы она была равномерно увлажнена. Температуру раствора следует контролировать, чтобы убедиться, что температура остается на уровне 80 °C. После погружения мембраны из полимерного электролита в каждый раствор ее следует высушить в чистом месте.

Рис. 3. Химическая структура мембраны Nafion®

Подготовка электродного слоя

Электродный слой состоит из комбинации смеси платины и углеродного порошка , связанных с газодиффузионным слоем (GDL), который представляет собой проводящую ткань или бумагу из углеродного волокна. Платина — это компонент, который расщепляет топливо (например, водород) на протоны и электроны.Протоны проходят через мембрану, а затем рекомбинируют с окислителем (часто воздухом или кислородом) с образованием побочного продукта химической реакции — воды. Электроны проходят через проводящий слой катализатора к GDL, пластинам поля потока, а затем к токосъемникам для питания нагрузки.

Для каждого MEA топливного элемента требуется два куска материала катализатора/электрода – один для анода, а другой для катода. GDL, такой как ткань из углеродного волокна, является подложкой для удержания катализатора и часто покрывается тефлоном с одной стороны, чтобы помочь с управлением водой в блоке топливных элементов.Слой катализатора часто наносят с использованием одного из нескольких методов, таких как окраска, трафаретная печать, диффузионное распыление, электрохимическое осаждение, осаждение химическим способом или механическое осаждение. Самый простой и недорогой метод создания вашего первого стека топливных элементов — это трафаретная печать.

Сборка узла мембранного электрода (MEA)

Два электродных слоя и мембрану из полимерного электролита (PEM) необходимо сплавить вместе с использованием температуры и давления для обеспечения надлежащего потока электронов и протонов в топливном элементе после химической реакции. Электродный слой сначала покрывают жидким раствором Nafion®, который наносят только на ту сторону катализатора, которая будет связана с полимерной мембраной. Покрытие можно наносить кистью, а затем сушить при комнатной температуре.

Затем три слоя (электрод-ПЭМ-электрод) помещают между набором нагревательных пластин и затем нагревают до 90 °C под давлением в течение одного часа для испарения растворителей из жидкого покрытия Nafion®. Затем температуру повышают до 130°C в течение следующих тридцати минут.Как только нагревательные пластины и «сэндвич» с PEM-электродом достигают 130 °C, к трем слоям следует приложить дополнительное давление. Через две минуты при такой температуре и давлении температуру выключают, а пластины и МЭА охлаждают до комнатной температуры. После горячего прессования электроды и мембрана должны быть сплавлены вместе.

Газовые прокладки и прокладки

Когда батарея топливных элементов собрана, не должно быть зазоров или трещин, через которые могло бы выйти топливо. Утечка топлива или окислителя вызовет несоответствие скоростей потока через топливный элемент. Герметизация топливного элемента осуществляется с помощью прокладок и распорок. Можно использовать множество различных материалов для прокладок, включая резину, силикон и тефлон®. Материал прокладки должен иметь достаточную эластичность, чтобы компенсировать дефекты поверхности пластин поля потока, и достаточную толщину, чтобы соответствовать толщине других компонентов и выдерживать сжатие. Прокладки часто размещают вокруг схемы поля потока, чтобы создать уплотнение для предотвращения утечки газа, и часто формируют вокруг токосъемников и вокруг ячеек, чтобы герметизировать газы в ячейке.

Сборка стека

Перед сборкой стопки МЭБ следует закрепить в центре куска майлара , чтобы обеспечить способ удержания его в стопке. Металлические электроды могут быть изготовлены из любого проводящего металла, обладающего хорошей коррозионной стойкостью и достаточной толщины, чтобы соответствовать конструкции батареи. Также торцевые пластины должны быть изготовлены с соответствующими отверстиями для зажима пакета. Торцевые пластины могут быть изготовлены из металла, полимера или множества других материалов в зависимости от пакета.Непроводящие торцевые пластины изолируют и защищают штабель от внешней среды. Также можно использовать токопроводящие торцевые пластины, которые могут дублироваться в качестве токосъемников, если пакет не будет контактировать с другими токопроводящими компонентами и будет установлен в непроводящем корпусе. Торцевые пластины помогают удерживать стопку вместе с гайками и болтами или каким-либо другим зажимным механизмом. Стек топливных элементов можно собрать, последовательно добавляя следующие слои:

1. Торцевая пластина
2.Токоприемник и прокладки
3. Пластина поля потока
4. МЭА и прокладки
5. Пластина поля потока
6. Токоприемник и прокладки
7. Торцевая пластина

Количество слоев пластин МЭУ и поля потока будет зависеть от расчетных требований к напряжению и мощности для конкретного приложения. Первый стек топливных элементов, который вы создадите, скорее всего, будет состоять только из одного элемента, но сложные стеки для автомобилей и приложений резервного питания обычно имеют сотни элементов.

Испытание топливных элементов

Если у вас ограниченный доступ к испытательному оборудованию, вы можете начать проверку топливного элемента с помощью мультиметра и осциллографа. Эти приборы предоставят лишь ограниченную информацию о системе топливных элементов (напряжении и токе), но этого будет достаточно, чтобы сначала увидеть, сколько энергии вырабатывает ваш топливный элемент. После того, как вы изучите исходное напряжение и ток, у вас сразу же появятся идеи, как улучшить выходную мощность.Хорошая тестовая установка с несколькими методами мониторинга различных топливных элементов и свойств топлива позволяет вам контролировать и анализировать, как можно улучшить топливный элемент. Некоторые из параметров, которые контролируются в коммерческих блоках топливных элементов, включают температуру топлива, давление, скорость потока, температуру блока, уровни влажности, а также многие другие параметры.

Заключение

Создание стеков топливных элементов — это увлекательный и познавательный способ узнать о нескольких различных инженерных и научных дисциплинах.При проектировании и изготовлении топливных элементов необходимо учитывать многие материалы и параметры. Некоторые из наиболее фундаментальных соображений проектирования включают требуемую мощность, размер, материалы, компоненты и условия эксплуатации. Построив свой первый блок топливных элементов, вы легко сможете оптимизировать свой блок топливных элементов с помощью подробных требований к конструкции, таких как выбор материалов и компонентов, поле потока, диффузия газа, прокладка и конструкция токосъемника.

Автор: Др.Коллин Шпигель

Доктор Коллин Шпигель — консультант по математическому моделированию и техническому письму (президент SEMSCIO) и профессор, имеющий докторскую степень. и степень магистра инженерных наук. Она имеет семнадцатилетний опыт работы в области инженерии, статистики, науки о данных, исследований и написания технических текстов для многих компаний в качестве консультанта, сотрудника и независимого владельца бизнеса.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.