УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАВНОВЕСНОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ПОТЕНЦИАЛА Российский патент 1997 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к технике электрических измерений в области электрохимии и может найти применение в измерителях жесткости воды, pH-метрии и других иономерах, действие которых основано на потенциометрическом принципе.

Известно устройство для измерения равновесного электродного потенциала, содержащее операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с одним из выводов электрохимического датчика экранированным проводом, и цепь отрицательной обратной связи в виде делителя напряжения, вход которого включен между выходом усилителя и общей шиной, а выход соединен с инвертирующим входом усилителя [1]
В рассматриваемом устройстве экран также соединен с инвертирующим входом усилителя и, так как в результате действия отрицательной обратной связи напряжение между входами ОУ оказывается очень малым, сопротивление изоляции кабеля и дифференциальное входное сопротивление ОУ практически не влияют на результат измерения. Однако существенное влияние на него может оказать входное сопротивление между неинвертирующим входом ОУ и общей шиной, а также сопротивление утечки между контактами монтажной платы, которые при повышенной температуре и влажности воздуха могут оказаться значительными. Следовательно, успех дела в предложенном устройстве зависит от типа используемого ОУ, качества монтажа, совершенства герметизации и от климатических условий, в которых действует устройство.

Поэтому наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является устройство для измерения напряжения источника с неизвестным и изменяющимся внутренним сопротивлением, в котором ни это внутреннее сопротивление, ни входное сопротивление усилителя, ни утечки в монтажной плате не влияют на результат измерения. Такое устройство содержит усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к одному из выводов датчика, два делителя напряжения, включенные параллельно между выходом усилителя и другим выводом датчика, который может быть соединен с общей шиной, первый коммутатор, выход которого соединен с инвертирующим входом усилителя, а входы с выходами делителей напряжения, так что первый коммутатор и делитель напряжения образуют блок варьирования глубины отрицательной обратной связи усилителя. Устройство содержит также второй коммутатор, вход которого соединен с выходом усилителя, блок управления коммутаторами, выполненный в виде генератора импульсов, а также выделитель огибающей и вычислительный блок [2]
В рассматриваемом устройстве первый коммутатор осуществляет варьирование глубины отрицательной обратной связи усилителя, подключая его инвертирующий вход поочередно к выходам делителей с различным коэффициентом деления. С помощью вычислительного блока, а также выделителя огибающей в устройстве осуществляется ряд вычислительных операций над выходными напряжениями усилителя, соответствующими разным глубинам отрицательной обратной связи, благодаря чему исчезает влияние выходного сопротивления датчика, входного сопротивления усилителя и нестабильности его коэффициента усиления на результат измерения напряжения датчика.

Данное устройство представляется привлекательным для использования в потенциометрии, имеющей дело с электродными датчиками, внутреннее сопротивление которых велико и весьма нестабильно. Однако, если иметь в виду потенциометрию, то перечисленные полезные свойства рассматриваемого устройства не снимают, тем не менее, жестких требований ни к используемому усилителю, ни к качеству монтажа. Действительно, результат измерения напряжения датчика в известном устройстве хотя и не зависит от дестабилизирующих факторов, но при отсутствии достаточно большого входного сопротивления и при несовершенстве монтажа ток, текущий через электрохимический датчик может оказаться не настолько малым, чтобы можно было считать режим измерения электродных потенциалов достаточно близким к равновесному. Электродный же потенциал сам зависит от величины протекающего тока, и, чем сильнее этот ток отличается от нуля, тем больше погрешность измерения равновесного потенциала и тем быстрее электроды могут потерять свои селективные свойства ввиду поляризации.

Задача изобретения повышение точности измерения равновесного электродного потенциала и расширение номенклатуры используемых усилителей и других элементов конструкции измерителя.

Для решения поставленной задачи в устройстве для измерения равновесного электродного потенциала, содержащем усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к первому выводу датчика, два резисторных делителя напряжения, включенных параллельно между выходом усилителя и другим выводом датчика, соединенным с общей шиной, первый коммутатор, выход которого соединен с одним из входов усилителя, второй коммутатор, вход которого соединен с выходом усилителя, блок управления коммутаторами, а также блок варьирования глубины отрицательной обратной связи усилителя, согласно изобретению выход первого делителя напряжения соединен непосредственно с инвертирующим входом усилителя, а выход второго делителя, как и выход первого коммутатора, с неинвертирующим входом усилителя, блок варьирования глубины отрицательной обратной связи выполнен в виде управляемого напряжением линейного резистора, который может представлять собой управляемую напряжением резисторную матрицу и включен в плечо первого делителя напряжения, примыкающее к общей шине, и, кроме того, в устройство введено запоминающее устройство (ЗУ), вход которого соединен с первым выходом второго коммутатора, а выход с управляющим входом управляемого линейного резистора, а также второй усилитель, входные зажимы которого включены между неинвертирующим входом первого усилителя и общей шиной, при этом первый вывод датчика подключен к неинвертирующему входу первого усилителя через второй вход первого коммутатора.

На чертеже приведена схема предложенного устройства.

Устройство содержит первый усилитель 1, образованный дифференциальным усилителем 2, дополненным выходным транзистором 3, первый делитель напряжения, образованный резистором 4 и управляемым резистором 5, второй делитель напряжения, образованный резисторами 6 и 7. Делители включены параллельно между выходом усилителя 1, совпадающим с эмиттером транзистора 3, и общей шиной, с которой соединен и один из выводов датчика 8. Выход первого делителя напряжения (средняя точка резисторов 4 и 5) соединен с инвертирующим входом "-" усилителя 1, а выход второго делителя (точка соединения резисторов 6 и 7) с неинвертирующим входом "+" усилителя 1. Устройство содержит также первый коммутатор 9, выход которого соединен со входом "+" усилителя 1, а через второй вход (в "верхнем" положении) ко входу "+" усилителя может быть подключен и первый вывод датчика 8, второй коммутатор 10, вход которого соединен с выходом усилителя 1, блок управления 11 коммутаторами.

Кроме того, в состав устройства входит запоминающее устройство (ЗУ) 12, вход которого соединен с первым выходом второго коммутатора 10, а выход с управляющим входом управляемого резистора 5, а также второй усилитель 13, изображенный на чертеже в виде повторителя напряжения, входные зажимы которого 14 и 15 соединены соответственно со входом "+" усилителя 1 и общей шиной.

На чертеже изображена также эквивалентная схема потенциометрического датчика 8, содержащая источник измеряемого напряжения 16 и внутреннее сопротивление 17, и, кроме того, изображен экран 18 провода, соединяющего выход коммутатора 9 со входом "+" усилителя 1, а также резистор 19, символизирующий сопротивление утечки между входом "+" усилителей 1 и 13 и общей шиной, и резистор 20, напоминающий о возможности утечки и между входом "+" усилителя 1 и его выходом.

Резисторы 6 и 7 введены для того, чтобы нестабильность сопротивлений утечек не могла бы изменить соотношение сопротивлений плеч делителя чрезмерно. С другой стороны, сопротивления указанных резисторов должны быть достаточно большими, хотя бы соизмеримыми с внутренним сопротивлением датчика. Что касается резисторов 4 и 5 первого делителя, то сопротивления их могут быть выбраны настолько малыми, что влияние утечек становится незначительным, и только поэтому сопротивления этих утечек не изображены на чертеже.

Будем считать, что напряжение, подаваемое с датчика на вход коммутатора 9, имеет положительную полярность относительно общей шины. Это условие может быть удовлетворено при любой полярности электронного потенциала посредством соответствующего включения последовательно с датчиком источника опорного напряжения, величина которого превосходит по модулю максимально возможное значение отрицательного электродного потенциала. В этом случае электродный потенциал найдется как разность измеренного напряжения и опорного напряжения.

Запоминающее устройство (ЗУ) 12 должно работать как устройство выборки-хранения. Имеется в виду, что в стадии выборки выходное напряжение ЗУ повторяет напряжение, поступающее на его вход или пропорционально ему, а в режиме хранения оно удерживает на своем выходе то напряжение, которое действовало в момент отключения входа от источника напряжения.

Усилитель 2 считается для определенности операционным усилителем, хотя это и не обязательно, и делается это лишь для того, чтобы формулы, приведенные ниже, имели максимально простой вид. Этот операционный усилитель, как и усилитель 13, может и не обладать слишком большим входным сопротивлением.

Сопротивление управляемого резистора 5, будучи зависимым от напряжения на управляющем входе, должно как можно меньше зависеть от напряжения, выделяемого на его рабочем участке, включенном в плечо первого делителя, т.е. должно быть линейным. При малых измеряемых напряжениях в качестве такого линейного управляемого резистора может быть использован, например, полевой транзистор, работающий на начальных лучеобразных участках семейства своих вольт-амперных характеристик, т. е. при малых напряжениях между истоком и стоком. Для лучшего обеспечения такого режима последовательно с полевым транзистором может быть включен дополнительный резистор. Но управляемый линейный резистор может представлять собой, например, управляемую напряжением резистивную матрицу, сопротивление которой дискретно меняется под действием изменяющегося напряжения, преобразованного в числовой код. И это может быть обеспечено с применением, например, микропроцессорной техники.

Работает устройство следующим образом.

Рассмотрим узел, образованный операционным усилителем (ОУ) 1 и резисторами 4,5 и 6,7. Он представляет собой неинвертирующий усилитель, куда входит ОУ 1 с масштабными резисторами 4 и 5, охваченный положительной обратной связью посредством делителя, образованного резисторами 6 и 7. Если провести условный разрыв цепи петлевого усиления между точками "а" и "б", как показано на чертеже символом "X", то коэффициент передачи цепи от точки "б" к точке "а" запишется в виде
K K₁•K₂, (1)
где
К коэффициент передачи по напряжению цепи петлевого усиления рассматриваемого узла;
К₁ коэффициент передачи делителя, образованного резисторами 6 и 7;
К₂ коэффициент передачи неинвертирующего усилителя, образованного операционным усилителем 1 и резисторами 4 и 5.

Очевидно

где R₆, R₇, R₄, R₅ результирующие сопротивления, образованные соответственно резисторами 6,7,4,5 и сопротивлениями параллельных им утечек.

Поэтому

В исходном состоянии "якорь" коммутатора 9 находится в "нижнем" положении, а "якорь" коммутатора 10 в "верхнем".

Если в момент включения устройства в цепь питания сопротивление R₅ достаточно мало, то коэффициент передачи К цепи петлевого усиления оказывается большим единицы и напряжение на выходе усилителя начинает спонтанно увеличиваться, и тем быстрее, чем сильнее значение величины К превосходит единицу. При этом полярность растущего напряжения могла бы оказаться с равной вероятностью как положительной, так и отрицательной. С помощью некоторых специальных мер, однако, можно добиться того, чтобы преобладала тенденция возникновения напряжения положительной полярности. Именно главным образом ради этого в состав ОУ 1 включен транзистор 3 n-p-n- типа.

По мере спонтанного роста выходного напряжения усилителя увеличивается напряжение на управляющем входе управляемого резистора 5, которое поступает с выхода запоминающего устройства (ЗУ) 12, работающего в режиме выборки. При этом сопротивление резистора 5 увеличивается, и коэффициент передачи K уменьшается, а вместе с ним уменьшается и скорость роста напряжения. Таким образом, скорость увеличения напряжения за счет продолжающегося его увеличения все уменьшается. Коэффициент передачи K продолжает при этом уменьшаться вплоть до того момента, когда его значение вплотную приблизится к единице. При этом возникает установившееся состояние, в котором величина R₅ принимает вполне определенное значение в соответствии с уравнением

из которого следует соотношение

где R°5

значение величины R₅, которое она принимает в установившемся состоянии.

Этому значению сопротивления управляемого резистора 5 будет соответствовать и вполне определенное значение напряжения на выходе усилителя 1, ибо R₅ и значение указанного напряжения связаны между собой взаимнооднозначной функциональной зависимостью:
R₅ f(U_вых),
где U_вых напряжение на выходе усилителя 1, а вид функции f(U_вых) определен передаточной характеристикой ЗУ 12 и функцией преобразования напряжения в сопротивление управляемого резистора 5.

При этом, если значению соответствует значение U°вых

то на неинвертирующем входе усилителя 1 и на входе измерительного усилителя 13 действует напряжение

где U°+ и U°вых соответственно напряжения на неинвертирующем входе и выходе усилителя 1 в установившемся состоянии.

Указанное состояние является устойчивым. Действительно, пусть по какой-либо причине соотношение (5) изменилось и коэффициент K оказался, например, меньшим единицы. Сразу же возникает спонтанный процесс уменьшения выходного напряжения усилителя 1, что приводит к уменьшению сопротивления управляемого резистора 5 и поэтому к возрастанию коэффициента передачи К, который вновь устремляется к единице, и соотношение (5) восстанавливается, что дает основание говорить об устойчивости соотношения (5), которое при любых изменениях соотношения плеч делителей, обусловленных, например, нестабильностью утечек, воспроизводится автоматически снова и снова. Напряжение же U°+

как и сопротивление R°5 в разных установившихся состояниях принимает вообще говоря разные значения.

После подачи команды с блока управления 11 коммутаторами "якорь" коммутатора 10 принимает "нижнее" положение и цепь автоматического управления резистором 5 разрывается. При этом запомненное напряжение, снимаемое с выхода ЗУ 12, которое соответствует значению сохраняет свое значение. "Держится" в этот момент и напряжение U°+

ибо не сразу "узнает" о разрыве цепи управления. Но соотношение (5) теряет свою устойчивость и при изменении соотношения между сопротивлениями плеч делителей напряжения U₊ начнет либо возрастать, либо спадать до нуля. Дело "усугубляется" тем, что почти одновременно со срабатыванием коммутатора 10, но с очень небольшой задержкой, по команде с блока управления 11 коммутаторами срабатывает и коммутатор 9 и подсоединяет ко входу "+" усилителя 1 датчик 8. И если напряжение U°+ превышает измеряемое напряжение U_д источника 16, то через внутреннее сопротивление 17 (R_вн) датчика проходит ток, совпадающий по направлению (от узла) с током, текущим по резистору 7, что эквивалентно включению какого-то сопротивления параллельно резистору 7 и равносильно уменьшению сопротивления R₇. При этом коэффициент передачи К становится меньшим единицы и напряжение на входе "+" усилителя 1, которое было равно U°+ начинает "катастрофически" падать. Но теперь уже сам датчик 8 принимает на себя роль зависимого от напряжения сопротивления, и действие его приводит к достижению нового установившегося состояния. Действительно, по мере спада напряжения U₊ уменьшается доля тока, ответвляемая в датчик 8. И это равносильно тому, что сопротивление плеча делителя, в которое включен резистор 7, начинает расти. При этом коэффициент K цепи петлевого усиления увеличивается, продолжая оставаться меньшим единицы, а это означает, что спад U₊ продолжается, а значит, продолжается и увеличение эквивалентного сопротивления указанного плеча делителя. Ничто при этом не мешает напряжение U₊ достигнуть значения, равного напряжению U_д источника 16, при котором ток через R_вн прекращается, а вместе с тем и шунтирующее действие датчика. Но при этом коэффициент K вновь оказывается равным единице, ибо соотношение (5) восстанавливается, что соответствует установившемуся состоянию, в котором U₊ равно U_д и фиксируется измерителем, подключенным к выходу усилителя 13. Состояние это является устойчивым. В самом деле, пусть напряжение U₊ окажется несколько меньшим U_д тогда по внутреннему сопротивлению R_вн датчика потечет ток, направление которого будет противоположно направлению тока, текущего через резистор 7. Это эквивалентно шунтированию резистора 7 отрицательным сопротивлением. При этом, если разность U_д U₊ невелика, то это отрицательное сопротивление окажется большим, так что результирующее сопротивление плеча делителя, в которое включен резистор 7, остается положительным, но уже большим R₇. Коэффициент K становится большим единицы, что приводит к спонтанному росту U₊ и приближению его к значению U_д, при котором ток через датчик и шунтирующее действие датчика прекращается, и соотношение (5), соответствующее K 1, а значит, и установившееся состояние, восстанавливаются. При каждом акте измерения необходимо вернуть коммутаторы в исходное положение, отключив датчик от усилителя и замкнув цепь управления резистором 5, а затем подать команду на размыкание цепи управления и подключение к усилителю датчика, после чего произвести отсчет напряжения, снимаемого с повторителя 13.

Процессы установления проходят достаточно быстро. Их можно даже несколько замедлить, придав им большую четкость путем включения между входом "+" усилителя 1 и общей шиной конденсатора небольшой емкости, роль которого, впрочем, может играть и емкость экранируемого кабеля.

Таким образом, предложенное устройство позволяет измерять напряжение U_д датчика в режиме отсутствия тока, текущего через датчик или при пренебрежимо малом значении его величины, т.е. позволяет измерять равновесный электродный потенциал. При этом сопротивления утечек и их нестабильность не сказываются на результате измерения, так как при каждом новом акте измерения восстанавливается соотношение (5), что и дает возможность измерять напряжение датчика в режиме отсутствия текущего через него тока и позволяет расширить номенклатуру используемых элементов конструкции измерителя.

Источники информации
1. Камман. Работа с ионоселективными электродами. М. Мир, 1980, с. 230,231, рис.6.4.

Авт. свид. СССР N 789777, кл. G 01 R 19/00, 1980.

Использование: измерительная техника и может найти применение в измерителях жесткости воды, pH-метрии. Сущность: для повышения точности измерений и расширения номенклатуры используемых элементов конструкции выход первого делителя напряжения соединен с инвертирующим входом усилителя, а выход второго делителя - с неинвертирующим входом усилителя, блок варьирования глубины отрицательной обратной связи выполнен в виде управляемого напряжением линейного резистора, который может представлять собой управляемую напряжением резистивную матрицу и включен в плечо первого делителя напряжения, примыкающее к общей шине, в устройство введены блок памяти и второй усилитель, входные зажимы которого включены между неинвертирующим входом первого усилителя и общей шиной, при этом первый вывод датчика подключен к неинвертирующему входу первого усилителя через второй вход первого коммутатора. 1 ил.

Устройство для измерения равновесного электродного потенциала, содержащее усилитель, выход которого через первый и второй резисторные делители напряжения соединен с общей шиной, к которой подключен один вывод датчика, первый коммутатор и второй коммутатор, вход которого подключен к выходу усилителя, а также блок управления коммутаторами, отличающееся тем, что другой вывод датчика через первый коммутатор соединен с выходом второго резисторного делителя напряжения и неинвертирующим входом усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом первого резисторного делителя напряжения, соединенное с общей шиной плечо которого выполнено в виде линейного резистора, управляемого напряжением, управляющий вход которого соединен с выходом введенного запоминающего блока, вход которого подключен к выходу второго коммутатора, а также введен дополнительный усилитель, входы которого подключены соответственно к неинвертирующему входу первого усилителя и общей шине, а выход является выходом устройства.