СПОСОБ КУЛОНОМЕТРИИ И КУЛОНОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к способам электрических измерений, а именно к способам измерения электрического заряда, электрического тока, протекающего в цепи.

Известен способ кулонометрии измерения количества электричества, основанный на преобразовании носителей тока, протекающих в цепи, электронов за счет электрохимических процессов в носители информации ионы, а сама информация заключается в увеличении массы катода (уменьшении массы анода), возникающем за счет переноса ионов через раствор электролита. В соответствии с первым законом Фарадея перенесенная масса равна произведению количества электричества, прошедшего в цепи, на электрохимический эквивалент используемого электролита.

При реализации такого способа в разрыв цепи включают электрохимическую ячейку, состоящую из анода, катода, разделенных слоем электролита [1] При протекании электрического тока в цепи происходит за счет движения ионов перенос массы с анода на катод. Электрический заряд, прошедший по цепи, определяется отношением изменения массы катода и электрохимического эквивалента используемого металла.

Основным недостатком такого способа кулонометрии измерения электрического заряда является его низкая чувствительность вследствие того, что для получения результата измерений необходимо определить изменение массы катода, которое весьма незначительно. Из-за большой величины числа Фарадея 96484,56 Кл/моль электрохимический эквивалент даже для такого тяжелого металла, как ртуть, равен 2,0789 мг/Кл. Таким образом, при прохождении 1 Кл масса катода изменяется только на 2 мг. В связи с этим измерение малых количеств электричества в милли- и микрокулоны представляется практически невозможным. Так, например, при использовании капилляра с отверстием радиусом 0,1 мм длина катода (перемещение слоя электролита, разделяющего электроды кулонометра) изменяется на 0,1 мм при прохождении через такой кулонометр 0,02 Кл. Кроме того, известные способ и устройство не позволяют проводить количественные измерения с получением цифрового отсчета непосредственно в момент измерения.

Для преодоления вышеуказанных недостатков известного способа кулонометрии предлагается осуществить преобразование числа носителей тока, протекающих в проводнике, в число квантов света с их последующим счетом. В качестве преобразователя количества носителей тока, протекающих в электрической цепи, в кванты света используют источник света, включенный в измеряемую цепь, генерирующий кванты света под действием протекающих через него электронов, причем используют источник света, для которого число испускаемых квантов света прямо пропорционально числу носителей тока электронов, протекающих через него. В качестве такого источника света может быть использован полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод.

В полупроводниковых инжекционных светоизлучающих диодах (светодиодах) при рекомбинации носителей тока электронов и дырок в районе смещенного в прямом направлении p-n-перехода генерируются кванты света по одному на каждый акт рекомбинации. Таким образом, количество квантов света равно количеству носителей тока электронов, прошедших через p-n-переход [2] В связи с возможностью безызлучательной рекомбинации и с тем, что не все кванты света выходят за пределы светодиода, количество квантов света на выходе светодиода не равно, а прямо пропорционально количеству носителей тока, прошедших в цепи.

Для цепей регистрации квантов света, испущенных светодиодом, может быть использован фотоэлектронный умножитель, работающий в одноэлектронном режиме [3] На выходе фотоэлектронного умножителя при регистрации кванта света возникают электрические импульсы, число которых может быть подсчитано с использованием обычных электронных счетчиков. Таким образом, число импульсов, сосчитанных на выходе фотоэлектронного умножителя, пропорционально количеству носителей тока, прошедших в цепи, а сам результат измерения получен в цифровом виде.

Погрешность такого способа измерений определяется статистикой отсчетов. Исходя из закона Пуассона среднеквадратичная погрешность равна корню квадратному из подсчитанного числа отсчетов.

Динамический диапазон такого способа измерений зависит от динамического диапазона используемого счетчика квантов, т.е. при большом увеличении потока квантов счетчик перестает различать их по отдельности и устройство перестает работать. В этом случае для увеличения динамического диапазона измерений ослабляют поток квантов, испускаемый источником света, например, за счет размещения между источником квантов света и счетчиком квантов нейтрально-серого или молочно-белого фильтра. При этом результат измерений умножает на коэффициент ослабления используемого фильтра.

Предложенный способ может быть реализован с использованием кулонометра. Блок-схема предлагаемого кулонометра приведена на чертеже.

В разрыв измеряемой цепи включен источник 1 света, который под действием протекающих в цепи электронов испускает кванты 2 света, количество которых пропорционально количеству протекающих носителей тока, например светодиода. Источник света оптически соединен со счетчиком 3 квантов света, например фотоэлектронным умножителем, работающим в одноэлектронном режиме. Выход счетчика квантов соединен с входом электронного счетчика 4 импульсов, на индикаторном устройстве которого и считывают результат измерения. Между источником света и счетчиком квантов света может быть расположен фильтр 5, например, нейтрально-серый, ослабляющий поток квантов, испускаемых источником света. Может быть использовано несколько сменных фильтров с разными коэффициентами ослабления, что необходимо для расширения динамического диапазона работы предлагаемого кулонометра.

Кулонометр работает следующим образом.

При прохождении электрона через p-n-переход светодиода он рекомбинирует с дыркой с испусканием кванта света. Этот квант регистрируется счетчиком квантов и вызывает появление электрического импульса на его выходе. Импульс поступает на вход счетчика импульсов и сосчитывается им. В результате измерения за какое-либо время показания счетчика соответствуют числу электронов, прошедших в измеряемой цепи за это время, и соответственно электрическому заряду, прошедшему в цепи.

Для увеличения динамического диапазона измерений между источником света и счетчиком квантов размещают фильтр, поглощающий или рассеивающий кванты света и тем самым уменьшающий количество квантов света, попадающих на вход счетчика квантов, причем используют несколько сменных фильтров с разными коэффициентами ослабления. В этом случае результат измерений умножают на известный коэффициент ослабления фильтра.

Способ кулонометрии и колунометр предназначены для измерения количества электричества. Сущность изобретения: способ кулонометрии заключается в том, что поток носителей тока преобразуют в кванты света, по числу которых судят об электрическом заряде. Введение светофильтра или набора светофильтров позволяет расширить диапазон измерения заряда. Кулонометр содержит преобразователь носителей тока, включенный в измерительную цепь поточник света, для которого число испускаемых квантов света пропорционально числу носителей тока, фотоэлектронный преобразователь и счетчик электрических импульсов, причем источник света оптически связан с фотоэлектронным преобразователем, выход которого подключен к входу счетчика. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ кулонометрии, включающий преобразование количества носителей тока, отличающийся тем, что носители тока преобразуют в кванты света, по числу которых судят об электрическом заряде. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток квантов света ослабляют в известное количество раз, а результат подсчета квантов света умножают в это количество раз. 3. Кулонометр, содержащий преобразователь носителей тока, включенный в измерительную цепь, отличающийся тем, что в него введены источник света, для которого число испускаемых квантов света пропорционально числу носителей тока, фотоэлектронный преобразователь и счетчик электрических импульсов, причем источник света оптически связан с фотоэлектронным преобразователем, выход которого подключен к счетчику электрических импульсов. 4. Кулонометр по п. 3, отличающийся тем, что в него введен ослабитель потока квантов света, расположенный между источником света и фотоэлектронным преобразователем. 5. Кулонометр по п.4, отличающийся тем, что в него введен набор сменных светофильтров с различными коэффициентами пропускания.