Устройство измерения электрохимического потенциала ионов в растворах Советский патент 1983 года по МПК G01N27/56 

(5) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ИОНОВ В РАСТВОРАХ

Изобретение относится к измерениям электрохимического потенциала в ионометрии и постоянных напряжений от источников с высоким внутренним сопротивлением. Известно устройство измерения электрохимического потенциала в раст ворах (рН-метр), в котором в качестве входного усилителя с высоким вход ным сопротивлением для согласования с внутренним сопротивлением первичных преобразователей использован дифференциальный операционный усилитель (ДОУ) в неинвертирующем включении Ci Наиболее близким техническим реше i нием к предлагаемому является устройство измерения электрохимического потенциала ионов в растворах, содержа цее измерительную ячейку с (буферным раствором, электрод сравнения, подключенный к общей шине устройства, измерительный электрод и высокоомный согласователь, соединенный с регистрирующим устройством t2. Наряду с высокой надежностью, дешевизной и малыми габаритами известные устройства измерения электрохимического потенциала, выполненные на базе ДОУ в неинвертирующем включении, вносят в измеряемое значение электрохимического потенциала (ЭП) следующие существенные погрешности: вызванную временным и температурным дрейфами напряжения, на входе ДОУ, начальным смещением нуля на выходе устройства, обусловленную изменением во времени наклона калибровочной прямой (зависимости выходного напряжения ДОУ от . измеряемого ЭП), вызванную соизмеримостью входного сопротивления ДОУ в неинвертирующем включении.и внутреннего сопротивления первичных преобразователей и обусловленную разбалансом входных токов ДОУ при работе с источниками ЭДС, обладающими высоким внутренним сопротивлением.

Цель изобретения г повышение точности измереним:электрохимического потенциала ионов в растворе.

Поставленная цель достигается тем что устройство измерения электрохимического потенциала ионов в растворах, содержащее и змерительную ячей ку с буферным раствором, электрод сравнения, подключенный к общей шине устройства, измерительный электрод и высокоомный согласователь, соединенный с регистрирующим устройством, дополнительно содержит источник опорного калибровочного напряжения, коммутатор и резисторы, причем выход коммутатора соединен с входом высокоомного согласователя, а контакты коммутатора соединены первый с измерительным электродом, остальные - с общей шиной устройства второй - непосредственно, третий через резистор, четвертый - через источник опорного калибровочного напряжения, а пятый - через последовательно соединенные резистор и источник опорного калибровочного напряжения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства измерения электрохимического потенциала ионов в растворах; на фиг. 2 - эквивалентная схема;,на фиг. 3-5 графики, поясняющие работу предлагаемого устройства.

Устройство содержит измерительную ячейку с буферным раствором 1, электрод 2 сравнения, подключенный к общей шине устройства, иизмерительный (индикаторный) электрод 3 (имеющий внутреннее сопротивление Rg), подключенный к входу коммутатора k. Выход коммутатора k подсоединен к высокоомиому согласователю (ВС) 5 построенному по схеме ДОУ в неинвертирующем включении, выход которого соединен с регистрирующим устройством 6, источник 7 опорного калибровочного напряжения о

Внутреннее устройство коммутатора А выглядит таким образом. Через первый контакт 8 коммутатора индикаторный электрод подключается на выход коммутатора. С помощью второго контакта 9 коммутатора его выход подключается к общей шине устройства Через третий контакт 10 выход коммутатора подсоединяется к общей шине через сопротивление 11. При замыкании четвертого контакта 12 на

ВЫХОД коммутатора подключается источник 7 опорного калибровочного на пряжения, а при замыкании пятого контакта 13 - источник 7 опорного калибровочного напряжения через аналогичное указанному ранее сопротивление I.

Устройство работает следующим образом.

При измерении непосредственно

(контакт 8 замкнут, а контакты 9, Ю, 12, 13 разомкнуты) измеренный потенциал V (символ относится к потенциалам, полученным в результате непосредственного измерения выглядит

S так (для упрощения записи можно считать без ограничения общности рассуждения, что коэффициент передачи ВС по напряжению о.авен единице) :

)4,,,,v:A

41) реальное значение ЭП;

V-i

где

ytfT

значение ЭДС темпераАРтурного и временного дрейфа, медленно меняющееся во времени;

.см, начальное смещение нуля на выходе ВС; ЛУк(У) погрешность измерения ЭП, вызванная изменением наклона калибровочной прямой и зависящая от. величины

ДУ,

погрешность измерения

ЗП, вызванная соизмеримостью внутреннего сопротивления измерительного электрода R, и входного сопротивления ВС - R

заВС

висящая также от величины V, причем завитН

симость ее от V и Rg можно считать прямопропорциональной, что можно доказать из рассмотрения делителя напряжения, составленного из Ra и Rgj. (фиг, 2)

Rg + RgJ.

Ra

(V - изм) ъ -

&v.

Ov

Так как в реальных условиях измерения ЭП Rj« RBC 4i3M рассмотренного частного случая с точностью до равно V для нашего общего рассмотрения, то AV / -И--ЛУр f ВСЭ во Это справедливо при V AVp , а при их соизмеримости uVp, Rm. « т.е. практически равна ну лю, дур - погрешность, вызванная разбалансом входных токов ДОУ при работе с высокоомным источником сиг нала, т.е. в нашем случае от R UVRj Л -Rj(3 где Л - постоянная величина, определяемая параметрами непосредственно ДОУ. . Затем проводятся четыре дополнительных измерения, причем непосредственно за исходным измерением во времени, чтобы можно было считать значения временного и температурног дрейфов и начального смещения одинаковыми для всех пяти измерений, так как все три эти величины во вре мени практически не меняются, если время проведения всех пяти измерений незначительно. При замкнутом контакте 9 и остальных разомкнутых контактах получаем на выходу ВС напряжение V , так как в этом случае все остальные типы погрешностей,указанных в (1) превращаются в нуль.; При замкнутом контакте 10 и остальных разомкнутых контактах получаем на выходе ВС напряжение V см +V.. 4ДУ так как R R в данном случае. При проведении измерения для зам нутого контакта 12 при разомкнутых остальных контактах получаем значение напряжения /4 (Чн, считая внутреннее сопротивление источника калибровочного напряжения RH j нулевым, так как практически Rg RH (реальные значения сопротивлений R j( 1 составляют единицы Ом, значения же сопротивлений Rj лежат в пределах от единиц мегаом до гигаома). Для последнего дополнительного и меоения при замкнутом контакте 13 (2 24 и при разомкнутых остальных контактах имеем .VKJ.V (11 После прдведеьия измерений производится расчет погрешностей. . Из величи 1Ы V вычитаем величину V (k) и (5) и получаем значение AVjj, Учитывая линейную зависимость погpeшнoctи от значения R (3), строим график дУр A.J.- Rj (фиг. 3), где А имеет постоянное для данного ВС значение и может быть обоих знаков. Зная паспортное значение R, из графика легко определяется погрешность для конкретного измерительного электрода. Затем проводим следующую математическую операцию V - V - juVp (6) и (7) и находим ДУя,иц,уц„ Учитывая линейную зависимость погрешности от Rj. (2), определяем величину uVR,Rgj,,VKH -Зная, что значение погрешности зависит линейно от V (2) и используя найденное значение Рои график зависимости Кз,, А2 V (фиг. ), где А,. - постоянная величина, зависящая от Rg и RBJV. По измеренному У из графика определяется соответственное значение ЛУр R V. Для определения значения погрешности ДУц(У) проводим следующую математическую операцию yj - и находим значение 4Уц(У« f), Строим график ДУц(У) (фиг. 5) в линейном приблих ении, что оправдано тем, что зависимость УВЫХ (в;с) линейна для современных ДОУ с высокой точностью. Значение ДУ(У) может быть как положительным, так и отрицательным. Затем из графика по значению У находим ДУ(У) . , Для определения непосредственного реального значения ЭП У рассмотрим выражение (1). Отсюда .)-.,.. Используя выражение С), а таюче найденные из графиков значения остальных погрешностей, определяем У. Предлагаемое устройство позволяет учесть все основные типы погрешностей при данном измерении, т.е. повысить точность измерения ЭП, и, кроме того, дает возможность облег,чить требования к входным согласующим устройствам, выполненным на базе ;ДОУ, по таким важным параметрам, как входное сопротивление, разбаланс входных токов, приведенные йк входу температурный и временной дрейфы ДОУ по напряжению. Поскольку погрешности рассчитываются для любого паспортного значения R«, то устройство обеспечивает повышение точности показаний для любого типа измерительно го электрода. Предлагаемое устройство легко автоматизировать, добавив вычислительную машину, позволяющую рассчитывать погрешности, оперативно управлять коммутатором и порядком проведения измерений. Поэтому применение ЭВМ по зволит дать качественно лучший резул

тат при учете погрешностей устройства, вызванных температурным и временным дрейфами выходного напряжения предлагаемого устройства.

Формула изобретения

Устройство измерения электрохимического потенциала ионов в растворах.

пряжения, а пятый - через последовательно соединенные резистр и источник опорного калибровочного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Патент Франции № 222751 8, кл. G 01 N 27/56, опублик. Э7.

гЧ

КЗ

фс/зЛ содержащее измерительную ячейку с буферным раствором, электрод сравнения, подключенный к общей шине устройства, измерительный э тектрод и высокоомный согласователь, соединенный с регистрирующим устройством, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно дополнительно содержит источник опорного калибровочного напряжения, коммутатор и резисторы, причем выход коммутатора соединен с входом высокоомного согласователя, а контакты коммутатора соединены первый с. измерительным электродом, остальные - с общей шиной устройства, второй - непосредственно, третий через резистор, четвертый - через источник опорного калибровочного наГ

Ууум

фие.З

фиг.г

fff.sc.y

фиг. (У)

)

AyHfVff.v.} VfffV,)

фцг.5