Измеритель импеданса электрохимических систем Советский патент 1984 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к электрои мерительной технике и может быть ис пользовано преимущественно для изучения свойств электрохимических сис .том по результатам измерений импеданса этих систем в широком диапазо не частот при их поляризации заданным током или потенциалом. Известны мостовые измерители импеданса объектов, поляризуемых постоянным напряжением l Однако эти устройства непригодны для измерения импеданса современных наиболее совершенных электрохимических систем, представляющих собой яче ку с разделенными анодным и катодным пространствами. Наиболее близким техническим реш нием к изобретению является измеритель, содержащий электрохимическую ячейку с электродом сравнения, рабо чим, вспомогательным и поляризующим электродами, источник гармонических сигналов, соединенный с сигнальным входом регулятора гармонической ссэс;тавляющей тока ячейки, к выходу кото рогр подключены сигнальный вход блок фазочувствителъных детекторов и вспо могательный электрод,потенциостат, вход которого соединен с электродом сравнения 2 . Однако известный измеритель при значениях измеряемого импеданса больших 10 Ом и заданной погрешности измерения имеет сравнительно низкую рабочую частоту, вследствие шунтирования измеряемого импеданса паразитными проводимостями соединительных кабелей и проводимостями: , входов потенциостата и блока фазочувствительных детекторов,выходов ре гуляторов гармонической и постоянной составляющей тока ячейки. Это з чительно сужает класс изучаемьк эле рохимических объектов. Цель изобретения - расширение об ласти рабочих частот и класса изучаемлх объектов. Поставленная цель достигается тем что в измеритель импеданса электрохи мических систем, содержащий электрохимическую ячейку с электродом сравнения, рабочим, вспомогательным и поляризующим электродами, источник гармонических сигналов, соединенный с сигнальным входом регулятора гармонической составляющей тока ячейки, к выходу которого подключены сигнальный вход блока фаэочувствительных детекторов и вспомогательный электрод, потенциостат, вход которого соединен с электродом сравнения/ дополнительно введены измерительный преобразователь тока в напряжение и трансформатор тока, первичная обмот.ка которого включена между рабочим электродом и обшей точкой, а вторичная подключена к входу измерительного преобразователя тока в напряжение, к выходу которого подключены опорный вход блока фазочувствительных детекторов и управляющий вход регулятора гармонической составляющей тока ячейки, выход потенциостата подключен к поляризующему электроду. На чертеже представлена электрическая функциональная схема предлагаемого измерителя. Измеритель содержит электрохимическую ячейку . 1, рабочий электрод 2, который через первичную обмотку трансформатора 3 тока И экранную оплетку кабеля 4 подключен к общей точке. Центральная жила этого кабеля подключена между вспомогательным электродом 5 и выходом регулятора 6 гармойичес-;; кой составляющей тока ячейки,состоящей из выходного узла, которым является аттенюатор 7, сигнальный и управляющий входы которого соединены соответственно с выходами источника 8 гармонических колебаний и блока 9 сравнения, подключенного одним входом к источнику 10 постоянного напряжения, а вторым - через амплитудный детектор 11, измерительный преобразователь 12 тока в напряжение и соединительный кабель 13 к вторичной обмотке трансформатора 3 тока. Блок 14 фаэочувствительных детекторов соеринен своими сигнальным и опорным входами соответственно с выходами аттенюатора 7 и преобразователя 12 тока в напряжение; Блок 15 регулирования тока и потенциала (потенциостат) подключен своим входом к элект роду 16 сравнения, а выходом - к поляризующему электроду 17, отделенному от основного объема ячейки пористой диафрагмой 18, препятствующей прохождению продуктов реакции, образующихся на поляризующем электроде, в основной объем ячейки. Измеритель работает следующим образом. Напряжение источника 8 гармонических сигналов через аттенюатор 7 прикладывается к последовательно соединенным участку электрохимической ячей ки между вспомогательным 5 и рабочим 2 электродами и первичной обмотке трансформатора 3 тока. Протекающий при этом через рабочий электрод 2 ток ±р передается во вторичную обмотку трансформатора 3 тОка, а затем воспринимается и преобразуется в наряжение 0,j измерительным преобразователем Д2 тока в напряжение. Напряжение и IP ,2 f где Кз и 2 - коэффициенты передачи узлов трансформатора 3 и преобразователя 12, детектируется амплитудным детекором 11 и сравнивается в блоке 9 по уровню с постоянным опорным напряжением источника 10. Полученная и усиленная в блоке 9 разность напряже ний управляет коэффициентом передачи аттенюатора 7 так, что ток I , пренебрегая погрешностью статизма цепи автоматического регулирования, остается неизменным по модулю и равнымltpl ,O/IK, 11 12 , - коэффициент передачи ампли тудного детектора 11; V,Q - значение напряжения источника 10. Из (1) видно, что при неизменных и известных значениях Kj , К, и К модуль тока 1р однозначно определяет ся значением напряжения . Следова тельно ИрГ V,, / |k.K,,., ( где jkl - постоянная величина. Ток IP, протекающий на участке ячейки Meininy рабочим 2 и вспомогательным 5 электродами с измеряемым импедансом 7, , создает падение напр жения ц |к12н, равное вых Jf аттенюатора 7, ному напряжению т.е. Мц V 1р2„ (3) Из уравнений (2) и (3) видно, чт импеданс Z может быть непосредстве но отсчитан по выходному напряжению -j относительно вектора то.ка I принятого за начало фазового отсчет Напряжение V7 поступает на сигнальный вход блока 14 фазочувствитель«ых детекторов. На опорный вход это го блока подается напряжение 0 с .выхода измерительного преобразовате fOKa в напряжение 12, .равное - .1рКдК, синфазное вектору тока К и К.2 / В Ътом случае выходные напряжения блока фазочувствительных детекторов прямо пропорциональны искомым составляющим импеданса iin и равны ,.j к1Кд 1 Z lcoscf, ,.. llm(NlMt7 К1К„ lZH|sin((), V где (J - угол сдвига фаз между током fft и напряжением (выражение (3)); К, - коэффициент передачи блока фазочувствительных детекто В системе уравнений (4) вектор Vij принят за начало фазового отсчета. Искомые значения компонентов измеря мого импеданса Z .непосредственно отсчитывают по выходным напряжениям (4) блока 14 фазочувствительных дет торов . Поляризация рабочего электрода 2 заданным потенциалом производится с помощью потенциостата (регулятора по тенциала) 15. Для этого входная разность потенциалов между.рабочим электродом 2 и электродом 16 сравнения сопоставляется по уровню с напряжением,, задаваемым потенциостатом 15. При этом на выходе потенциостата 15, подключенном к поляризующему электроду 17 и общей точке, устанавливается такое напряжение, что отклонение его входной разности потенциалов от задаваемого значе-ния напряжения не превышает погрешности статизма петли автоматического регулирования потенциостата .15. Вследствие подключения к первичной обмотке трансформатора 3 тока ветви, состоящей из последовательно соединенных выхода регулятора 6 гармонической составляющей тока .ячейки и участка электрохимической ячейки между вспомогательным 5 и рабочим 2 электродами, а .также ветви, состоящей из последовательно соединенных выхода потенциостата 15 и участка электрохимической ячейки между поляризующим 17 и рабочим 2 электродами, исключено влияние на результаты измерения искомого импеданса проводимое-, тей следующих цепей: а) вспомогатель-ный электрод 5, электрод 16 сравнения, вход потендиостата 15; б) вспомогательный электрод 5, диафрагма 18, поляризующий электрод 17, выход потенциостата 15; в) паразитной проводимости кабеля 4, центральная жила которого подключена между выходом регулятора 6 гармонической составляющей тока ячейки и вспомогательным электродом 5. Это достигнуто вследствие того, что токи, протекающие через указанные проводимости, не протекают через первичную обмотку трансформатора 3 тока, и, следовате.пьно, не влияют на величину рабочего тока ip и величину выходного напряжения VT аттенюатора 7, однозначно характеризующего, в соответствии с ура,внением (3)., величину измеряемо го импеданса Z, т.е. эти проводимости не вносят частотно-фазовых , искажений в значение измеряемого импеданса. Учитывая, что проводимость ветви: вспомогательный электрод 5, диафрагма 18, поляризующий электрод 17 и выход потенциостата 15, не влияет на значение измеряемого им-педанса Zti, потенциостат в отличие от известного, может иметь любое выходное сопротивление, Ti,e. р предложенном измерителе отпадает Необходимость включения на выходе потенциостата преобразователя напряжения в ток с большим выходным сопротив лением.

Включение между трансформатором 3 тока и входами 14 блоков фаэочувствительных детекторов и регулятора 6 гармонической составляющей тока ячейки измерительного преобразователя 12 тока в напряжение обеспечивает вследствие низкого входного сопротивления преобразователя практически идеальный режим работы трансформатора 3 тока - режим короткого замыкания но вторичной обмотке; эквипотенциальность центральной жилы и экрана кабеля 13, соединяющего трансформатор 3 тока и вход измерительного преобразователя 12. Такое включение позволило обеспечить

передачу значения рабочего тока 1р и его преобразование в напряжение V,,, с пренебрежимо малой (менее 0,5%) фазовой погрешностью во всей рабочей области частот измерителя.

Таким образом, описанное построение измерителя импеданса ииспользование в нем новых элементов (трансформатора 3 тока и измерительного преобразователя 12 тока в напряжение позволило при измерении больших импедансов (больших 10 Ом) расширитьне менее чем на порядок область рабочих частот, а следовательно, и значительно расширить класс изучаемых электрохимических объектов.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ИМПЕДАНСА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ, содержащий электрохимическую ячейку с электродом сравнения/ рабочим, вспомогател ным и поляризующим электродами, источник гармонических сигналов, соединенный с сигнальным входом регулятора гармонической составляющей тока ячейки, к выходу которого подключены сигнальный вход блока фазочувствительных детекторов и вспомогательный электрод, потенциостат, вход которого соединен с электродом сравнения, отличающийся тем, что, с целью расширения области рабочих частот и класса изучаемых объектов, в него введены измерительный преобразователь тока в напряжение и трансформатор тока, первичная обмот-ка которого включена между рабочим электродом и общей точкой, а вторичная подключена к входу измерительного преобразователя тока в напряжение, к выходу которого подключены опорный вход, блока фазочувствительных детекторов и управляющий вход (Л регулятора гармонической составляющей тока ячейки, выход потенциостата подключен к поляризующему электроду.