КУЛОНОМЕТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК G01N27/42 

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано в машиностроении для управления процессом нанесения гальванических покрытий, при электролизе, а также при работах, связанных с зарядкой и тренировкой аккумуляторных батарей, и в других электротехнологиях.

Известны различные типы электронных кулонометров и кулонометрических установок, предназначенных для измерения количества электричества, расходуемого в процессе электролиза, которые применяются в основном для проведения кулонометрического анализа при контролируемом потенциале в научно-исследовательских химических лабораториях. К таковым можно отнести кулонометры типа ЦЛА, К-1, прецизионную установку ПКУ-101, составными элементами которых обязательно являются электрохимическая ячейка с набором электродов, потенциостат, интегратор тока, электронные потенциометры, где подсчет результатов измерений осуществляется посредством интегрирования по времени тока электролиза [1] . Предложения по усовершенствованию подобных кулонометров с целью увеличения диапазонов измерений и уменьшения погрешностей отражены в авторских свидетельствах СССР [2-5]. Одним из типичных представителей этого ряда приборов, используемых для электрохимических исследований в заводских лабораториях химической и других отраслей промышленности является интегратор кулонометрический типа ИПТ-1 [6].

Принцип действия интегратора ИПТ-1 основан на "считывании" заданным током количества электричества из накопителя по мере его заполнения. Ток считывания задается высокостабильным генератором тока.

Работа кулонометра тактируется устройством управления, снабженным кварцевым генератором частоты. В течение промежутка времени, когда генератор тока подключен к накопителю, в блок индикаторов поступают тактовые импульсы, количество которых пропорционально заряду, "считанному" из накопителя генератором тока. На цифровом табло кулонометра фиксируется количество электричества, измеренное кулонометром.

Следует отметить, что ни в одном из перечисленных приборов не предусмотрено автоматическое отключение источника при получении нагрузкой заданной дозы количества электричества, расходуемого в электрохимическом процессе. Необходимость в этом возникает при электролизном производстве металлов, газов, при управлении процессами гальванического покрытия металлов, в особенности для учета расхода драгоценных металлов, в особенности для учета расхода драгоценных металлов, с целью обеспечения заданной толщины покрытий, а также для зарядки и тренировки аккумуляторов с исключением передозирования и в других электрохимических технологиях.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для кулонометрического анализа, содержащее электрохимическую ячейку, подключенную к генератору тока, преобразователь напряжение-частота, к входу которого подсоединен прецизионный резистор, включенный в цель электрической ячейки, счетчик импульсов, подсоединенный к выходу преобразователя напряжение-частота, и делитель частоты, включенный между выходом преобразователя напряжение-частота и счетчиком импульсов [7].

Рассмотренное устройство не позволяет осуществлять дозирование количества электричества.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение дозированной подачи в электрическую нагрузку, находящуюся в цепи постоянного тока, определенной, заранее заданной величины количества электричества, независимо от текущего значения тока нагрузки, который может изменяться в зависимости от технологических режимов (в гальванотехнике - "толчки" тока, реверсирование тока электролиза), а также под воздействием других факторов (нестабильность источников питания, текущие изменения нагрузки).

Поставленная задача достигается тем, что в состав схемы устройства для кулонометрического анализа, содержащего электрохимическую ячейку, подключенную к генератору тока, преобразователь напряжение-частота, к входу которого подсоединен прецизионный резистор (датчик тока), включенный в цепь электрохимической ячейки, счетчик импульсов, подсоединенный к выходу преобразователя напряжение-частота, и делитель частоты, включенный между выходом преобразователя напряжение-частота и счетчиком импульсов, дополнительно введены блок разрешения прохождения импульсов, кнопочный ключ запуска установки, блок задания дозы количества электричества с блоком цифровой индикации и управляемый ключ коммутации тока с блоком его управления, причем блок разрешения прохождения импульсов включен между выходом делителя частоты и вычитающим входом счетчика импульсов, блок задания дозы количества электричества представляет собой кнопочные ключи, которые одними концами подключены к полюсу источника питания, а другими - к суммирующим входам двоично-десятичных счетчиков, из которых состоит счетчик импульсов, количество которых равно количеству кнопочных ключей и количеству десятичных разрядов блока цифровой индикации, кнопочный ключ запуска установки одним концом соединен с полюсом источника питания, а другим - с блоком разрешения прохождения импульсов, а также с блоком управления ключа коммутации тока в цепи источника постоянного тока, выходы двоично-десятичных счетчиков подключены к блоку цифровой индикации и к блоку управления ключа коммутации тока, а управляемый ключ коммутации тока включен в цепь электрохимической ячейки и преобразователь напряжение-частота реализован на основе схемы импульсного интегратора, предназначенного для непрерывного интегрирования продолжительных сигналов с использованием КМОП-ключей в качестве переключателей тока заряда интегрирующей емкости.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой кулонометрической установки.

Кулонометрическая установка содержит источник постоянного тока 1, подсоединенный к электрохимической ячейке 2, в цепи которой находятся ключ коммутации тока 3 и прецизионный измерительный датчик тока 4, подключенный к входу дифференциального усилителя 5, выход которого соединен со входом преобразователя напряжение-частота 6. В состав преобразователя 6 входят инвертор 7, два аналоговых ключа 8 на КМОП-транзисторах, электронный интегратор 9 и компаратор 10. Ко входам аналоговых ключей (K_A1, K_A2) подсоединены соответственно выходы дифференциального усилителя 5 и инвертора 7, а выходы ключей объединены и подключены ко входу электронного RC-интегратора 9, реализованного на операционном усилителе. Последовательно с интегратором 9 включен компаратор 10, выполненный на основе схемы триггера Шмитта, выход которого соединен с управляющим входом двух аналоговых ключей 8 и с делителем частоты импульсов 11, выход которого подключен к одному из входов блока разрешения прохождения импульсов 12. К его второму, управляющему входу подсоединен кнопочный ключ (K_п) запуска установки 13, который вторым концом подключен к положительному полюсу источника питания (+U_ИП), а выход блока разрешения прохождения импульсов соединен с вычитающим входом счетчика импульсов 14. К суммирующим входам двоично-десятичных счетчиков, входящих в состав счетчика импульсов 14, подсоединены одними концами кнопочные ключи (K₁, K_I, K_N) блока задания дозы количества электричества 15, другими концами они подключены к положительному полюсу источника питания (+U_ИП). Выходы десятичных счетчиков поразрядно соединены с индикаторами блока цифровой индикации 16 и блоком управления 17 ключом коммутации тока 3.

В зависимости от области использования установки (в сильноточных или слаботочных цепях постоянного тока) в приведенной схеме кулонометрической установки в качестве электрохимической ячейки могут применяться электролитическая ванна, электролитический аккумулятор, а в качестве измерительного датчика тока - прецизионный резистор, трансформатор постоянного тока, электрический компенсатор.

Работает кулонометрическая установка следующим образом. С помощью кнопочных ключей блока задания дозы количества электричества 15 через суммирующие входы в каждый двоично-десятичный счетчик десятичного разряда счетчика импульсов 14 заносится двоичный код цифры, которая отображается на соответствующем каждому счетчику десятичном индикаторе блока цифровой индикации 16, имеющему N-ное количество десятичных разрядов. Набранное число определяет значение количества электричества, которое необходимо для проведения электролиза. Процесс электролиза и отсчета импульсов начинается с момента нажатия кнопочного ключа запуска установки 13, в результате чего замыкается управляемый ключ коммутации тока 3 в цепи источника постоянного тока и блок разрешения прохождения импульсов 12 позволяет импульсам с преобразователя напряжение-частота 6 поступать на вычитающий вход счетчика импульсов 14. Ток в цепи электрохимической ячейки 2 протекает через последовательно соединенный прецизионный измерительный датчик тока 4, в качестве которого, как правило, используется прецизионный резистор, и вызывает на нем падение напряжения, пропорциональное электролизному току, которое подается на вход дифференциального усилителя 5 с высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Совместное включение датчика тока 4 и дифференциального усилителя 5 представляют собой преобразователь ток-напряжение. Усиленный сигнал с его выхода инвертируется. Прямой и инверсный сигналы поступают на входы двух аналоговых ключей 8, которые управляются компаратором напряжения 10 и включаются поочередно. Выходы ключей объединены. В результате происходит изменение направления тока заряда конденсатора C интегратора 9 и поочередный перезаряд его до одинаковых по величине, разнополярных пороговых уровней напряжений, определяемых параметрами элементов схемы компаратора 10, т.е. напряжение на выходе интегратора 9 после очередного срабатывания компаратора начинает нарастать в противоположном по сравнению с предыдущим циклом направлении, пока не достигнет другого порога срабатывания компаратора. При этом на выходе компаратора возникают прямоугольные импульсы напряжения, число которых пропорционально числу квантов количества электричества. Предлагаемая схема включения преобразователя напряжение-частота совместно с преобразователем ток-напряжение функционально реализует операцию интегрирования тока нагрузки в цепи электролиза:

где
Q_(t) - текущее значение количества электричества (Кл);
in - текущее значение силы тока в цепи электролиза (A);
t - время интегрирования (c);
R_дт - сопротивление датчика тока (Ом);
U_дт - падение напряжения на датчике тока (B);
и преобразует текущее интегрирование в последовательность импульсов.

Путем изменения параметров элементов R или C интегратора 9 можно настроить преобразователь напряжение-частота таким образом, чтобы за время одного цикла заряда интегрирующей емкости C в процессе электролиза расходовалась единица количества электричества (1 Кулон) или кратная ей величина.

Рассмотренный способ построения преобразователей напряжение-частота подробно описан в технической литературе, например в [8]. Отличительной особенностью предлагаемой схемы является дополнительное включение на входе интегратора двух аналоговых ключей на КМОП-транзисторах, обладающих двусторонней проводимостью. Такое включение позволяет при работе данной схемы учитывать в процессе интегрирования количественное воздействие (производить вычитание) кратковременных отрицательных выбросов тока, возникающих во время электролиза, или при питании силовых установок от нестабильных источников. Вследствие этого выбор постоянной интегрирования RC-цепи интегратора 9 необходимо производить с учетом длительности возможных отрицательных воздействий, чтобы за время каждого цикла интегрирования, соответствующего определенному значению ампер-секундной площади (кванту) входного сигнала, знак среднего значения входного сигнала не изменялся. Для увеличения числа циклов перезарядов, приходящихся на единицу количества электричества и удобства настройки, в схему введен делитель частоты импульсов 11. Импульсы, проходящие на вычитающий вход счетчика импульсов 14, уменьшают его содержимое, а динамика изменений в счетчике импульсов отображается на блоке цифровой индикации 16. Информация в двоичном коде с выхода счетчика импульсов поступает и анализируется на наличие нулевого значения в блоке управления ключом коммутации тока 17 и, когда вследствие вычитания содержимое счетчика импульсов 14 станет равным нулю, в блоке управления 17 сформируется сигнал на отключение ключа коммутации тока 3. Процесс электролиза прекратится.

Реализация представленной структурой схемы обеспечивает автоматическое отключение источника тока от нагрузки после протекания через нее заданной дозы количества электричества. Схема преобразователя напряжение-частота представляет собой импульсный интегратор, предназначенный для интегрирования продолжительных униполярных сигналов с наличием кратковременных выбросов обратной полярности.

Источники информации:
1. П. К. Агасян, Т.К.Хамракулов. Кулонометрический метод анализа. - М.: Химия, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР N 646242.

3. Авторское свидетельство СССР N 769422.

4. Авторское свидетельство СССР N 800859.

5. Авторское свидетельство СССР N 1017998.

6. Каталог. Приборы и средства автоматизации. N 7. M. 1989.

7. Авторское свидетельство СССР N 1022033.

8. Е. А.Коломбет. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. -М.: Радио и связь, 1991.

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано в машиностроении для управления процессом нанесения гальванических покрытий при электролизе, а также при работах, связанных с зарядкой и тренировкой аккумуляторных батарей и в других электротехнологиях. Задачей настоящего изобретения является обеспечение дозированной подачи в электрическую нагрузку, находящуюся в цепи постоянного тока, определенной, заранее заданной величины количества электричества, независимо от текущего значения изменяющегося во времени тока нагрузки. В состав схемы устройства для кулонометрического анализа, содержащего электрохимическую ячейку, подключенную к источнику постоянного тока, дифференциальный усилитель, к входу которого подсоединен прецизионный резистор (датчик тока), включенный в цепь электрохимической ячейки, преобразователь напряжение-частота (импульсный интегратор аналогового сигнала), подсоединенный к выходу дифференциального усилителя, и делитель частоты, включенный между выходом преобразователя напряжение-частота и счетчиком импульсов, дополнительно введены блок разрешения прохождения импульсов, кнопочный ключ запуска установки, блок задания дозы количества электричества в виде кнопочных ключей с блоком цифровой индикации и управляемый ключ коммутации тока с блоком его управления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кулонометрическая установка, содержащая последовательно в цепи источника постоянного тока и электрохимической ячейки прецизионный измерительный датчик тока, подключенный ко входу дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-частота, последовательно с которым включен делитель частоты импульсов с выходом на счетчик импульсов, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок разрешения прохождения импульсов, кнопочный ключ запуска установки, блок задания дозы количества электричества с блоком цифровой индикации и управляемый ключ коммутации тока с блоком его управления, причем блок разрешения прохождения импульсов включен между выходом делителя частоты и вычитающим входом счетчика импульсов, блок задания дозы количества электричества представляет собой кнопочные ключи, которые одними концами подключены к полюсу источника питания, а другими - к суммирующим входам двоично-десятичных счетчиков, из которых состоит счетчик импульсов, количество которых равно количеству кнопочных ключей и количеству десятичных разрядов блока цифровой индикации, кнопочный ключ запуска установки одним концом соединен с полюсом источника питания, а другим - с блоком разрешения прохождения импульсов, а также с блоком управления ключа коммутации тока в цепи источника постоянного тока, выходы двоично-десятичных счетчиков подключены к блоку цифровой индикации и к блоку управления ключа коммутации тока, а управляемый ключ коммутации тока включен в цепь электрохимической ячейки. 2. Кулонометрическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что в ней преобразователь напряжение-частота реализован в виде схемы импульсного интегратора продолжительных сигналов с использованием КМОП-ключей в качестве переключателей тока заряда интегрирующей емкости.