Импульсно-потенциостатическая установка Советский патент 1987 года по МПК G01N27/48 

Изобретение относится к электро- хш-1ическнм лабораторным исследованиям, конкретно к лабораторным приборам, предназначенным ;ц1Я реализации потендиостатирования электрохимических систем с лсидком€ таллическим рабочим электродом и оптически нрозрач- ным электролитом.

Цель изобретения - повышение производительности электролиза за счет автоматической коррекции частоты и скважности импульсов тока.

На фиг.1 представлена схема установки; на фиг.2 - алгоритм ее функционирования; на фиг.З - схема электрохимической ячейки, предназпачен- ной для реализации электролиза с использованием оптического отклика; на фиг с 4 - функциональная схема контроллера.

РЫпульсно-потенциостатическая установка (фиг.) включает электрохимическую ячейку 1, узел 2 сравнения, усилитель 3 постоянного тока, усилитель 4 мощности, источник 5 поляри- тока, прерьшатель б тока, ис- точт-1к 7 света, фотодетектор 85фильтр 9, аналого-цифровой преобразователь 10 и контроллер П. Электрохимическая ячейка. 1 предназначена для кон- стру1 :тивного оформления фаз электрохимического объекта. Подключенный к ее рабочему электроду и электроду сравнения узел 2 сравнения необходим алгебраического суммирования потенциала рабочего электрода с заданным потенциалом и выработки сигнала разбаланса, последовательно усиливаемого усилителем 3 постоянного тока и усилителем 4 мощности, играющим роль переменного сопротивления. Поляризующий ток генерируется источником 5 тока и подается на рабочий и вспомогательный электроды ячейки 1. Прерыватель 6 тока осуп ествляет замыкание и размьжание полярнзутощей цепи по сигналам, формируемым контроллером 11 Источник 7 света предназначен для освещения поверхности рабочего электрода, а фотодетектор 8 - ;щя фиксации интенсивности отраженного светового пучка. Фильтр 9., выполненный на основе интегратора, служит для подавления высокочастотных помех,.порож- даемьпс как шумами источника света и фотодетектора, так и нестабильностью поверхности рабочего электрода, вызванной макроскопическими потоками веп ества в условиях нестагшонарного мас- сопереноса. Лналого-тщфровой преобра- зователь 10 осуществляет непрерывнодискретное преобразование электрического ср гнала - аналога интенсивности отраженного пучка. Полученньш цифровой код вводится в контроллер 11, который в свою очередь инициирует запуск преобразователя 10. Используя значения интенсивности отраженного пучка, контроллер 11 вычисляет ее первую производную и сравнивает ее с наперед заданными пороговыми значениями. В зависимости от результата сравнения он также вырабатывает управляющие прерывателем 6 тока сигналы.

Выбор цифровой обработки оптического отклика объекта обусловлен тем,

что скорость изменения интенсивности отраженного светового пучка весьма мала (сигнал на выходе фотодетектора jtMeeT скорость нарастания порядка единиц вольт в секунду), что создает

серьезные трудности при использовании аналоговых устройств того же назначения.

Функционирование устройства осуществляется в соответствии с приведенным на фиг.2 алгоритмом. Устройство содержит блок 12 ввода информации, блок 3 установки ,блок 14 установки ,, блок 15 нуска, блок 16 включения тока, блок 17 изме5

рения I

DTp

блок 18 аналого-цифрового преобразования I

dIoTp

числения

at

ОТр

блок 19.выблок 20 подачи тока

40

на ячейку , блок 21 тока или паузы, блок 22 порогового значения скорости

dIoTp ,.

электролиза -г-ill. at

блок 23 перек45

50

лючения тока, блок 24 норового значе) dIoTP .ния скорости электролиза i U,; ,

блок 25 выключения тока, блок 26 анализа завершенности электролиза, блок 27 окончания электролиза, блок 28 вывода информации.

На входе алгоритма (блок 12) имеется информация о пороговых значениях скорости возрастания U и спада интенсивности отраженного пучка, определенных в предварительных экспери- gg ментах, значение исходного разбаланса д tf и критерии завершенности электролиза, к которым относятся количество пропущенного электричества, . амплитуда поляриззтощего тока и т.п.

При этом пороговые значения скорости изменения интенсивности определяют следующим образом. Первоначально U устанавливают равным нулю и подбирают и путем поиска максимума функции t Ч (Ufi), где l выход по току. Значения ц вычисляют по приращению веса полезного продукта и количеству пропущенного электричества при извес ном электрохимическом эквиваленте осажденного металла. Затем увеличивают и и фиксируют среднюю плотность тока электролиза, одновременно контролируя выход по току. Окончательное значение U соответствует максимальной средней плотности тока.

Вслед за установкой в контроллере 11 найденных значений U, и и„(блок 13), а на узле сравнения - исходного разбаланса дц .Хблок 14) осуществляется запуск (блок 15) и начинается собственно процесс электролиза. Подача поляризующего тока и его переключение (блоки 16-25) производится одновременно с анализом завершенности электролиза (блоки 26-27), причем последняя оценивается в соответствии с заданными в блоке 12 критериями. После включения тока (блок 16) осуществляются параллельные процессы подачи на ячейку тока (блок 20) и фиксация оптического отклика. Фиксация начинается с измерения фотодетектором интенсивности отраженного пучка (блок 17) с последующим аналого-цифровым преобразованием полученного напряжения (блок 18) и заканчивается вычислением скорости изменения интенсивности (блок 19) при помощи контроллера. В зависимости от текущей фазы электролиза (ток или пауза, блок 21) вычисленное значение скорости сравнивается с пороговыми (блоки 22 и 24) и, если оно не превьппает их, а электролиза не окончен, производится переключение тока (блоки 25 и 23), По окончании электролиза на выходе алгоритма (блок 28) имеется документированная информация о закончивщемся процессе.

Таким образом, фиксация и обработка оптического отклика электрохимического объекта - интенсивности отраженного от поверхности рабочего электрода пучка света - и переключение тока электролиза в моменты достижения скоростью ее изменения наперед установленнь х пороговых значений

15

20

25

26979

оптимизированных для получения макси-. мума выхода по току и средней плотности тока, позволяет повысить производительность электролиза.

Используемая в установке электрохимическая ячейка, схема которой приведена на фиг.3, включает корпус 29, выполненный из нержавеющей стали и Q снабженный крышкой 30 из асбоцемента, катодный тигель 31 из окиси бериллия с жидким металлом 32, кольцевой вспомогательный электрод 33, электрод 34 сравнения, фазу оптически прозрачного электролита 35, закрепленные в крьппке 30 металлические токоподводы 36 и 37 к рабочему и вспомогательному электродам, камеру 38 для размещения источника света с отверстиями для охлаждения, ограниченную заглушкой 39, камеру 40 для размещения фотодетектора, ограниченную заглушкой 4 с внешним электрическим контактом, и сапфировые защитные стекла 42 и 43.., Испускаемый источником света, находящимся в камере 38, световой пучок, проходя через защитное стекло 42 и слой электролита, отражается от поверхности жидкого металла 32 и попадает на вход поме- щенного в камере 40 фотодетектора, выходной сигнал которого передается при помощи внешнего контакта заглушки 41 на вход фильтра.

Функциональная схема контроллера. 11 приведена на фиг.4. Контроллер включает тактовый генератор 44, линию 45 задержки, регистры 46-47, арифметическое устройство 48, цифровой компаратор 49, коммутатор ,50, набиратели 51 и 52, логический вентиль 53, одновибратор 54, счетный триггер 55 и кнопочные переключатели 56 и 57. Тактовый генератор, запускаемый при помощи переключателя 56,тактирует аналого-цифровой преобразователь 10 (фиг.1), инициируя очередное непрерывно-дискретное преобразование напряжения - аналога интенсивности отраженного пучка. Линия 45 задержки обеспечивает запись кода с выхода аналого-цифрового преобразователя в регистр 46 и одновременную перезапись содержимого регистра 46 в регистр 47 по истечении времени аналого-цифрового преобразования. Таким образом, в регистрах 46 и 47 хранятся два смежных по времени значения оптического отклика. Арифметическое устройство 48 вычисляет разность

30

35

40

45

50

55

этих значений, которая (с учетом постоянства времени между двумя ргзме- рениями) с точностью до постоянного множителя равна производной интенсивности (скорости ее изменения). Код с выхода арифметического устройства сравнивается компаратором 49 с кода- Ми пороговых эначенир скорости, зада ваемь ми при помощи набирателей 5 и 52 и переключаемыми компаратором 50 в зависимости от состояния триггера 53, причем в случае бестоковой паузы на выходе коммутатора выставляется код, соответствующий U , а в случае подачи импульса тока - код, соответ- ствующий и . Если текущая разность амплитуд интенсивности меньше порогового значения или равна ему, то выходные сигналы компаратора 49 через вентиль 53 подаются на вход, счетного триггера 55, переключая его. При это выходной сигнал триггера управляет прерывателем тока 6 (фиг.), задавая включение и выключение тока. Назначением одновибратора 54 является бло- кировка вьгкодов компаратора на время необходимое для завершения переходных процессов при очередном переключении тока. Триггер 55 устанавливается в исходное состояние при помощи переключателя.

Исследование эффективности предлагаемого устройства производилось на примере электроосаждения циркония на жидкий цинк из хлоридно-фгоридаого электролита. Катодом слркит жидкий цинк, кольцевым анодом - металлический цирконий, рабочю- расплавом - КС1 - NaCl - 25 мас.% массой 50 г и объемом 30,5 см. Электролиз проводили при температуре оптической прозрачности электролита (730°С) в атмосфере очищенного аргона. Осуществлялось приготовление композиции Zn + 12 мас.% Zr. В результате автоматической коррекции дпительность импульсов тока изменялась в пределах 4,1-8,8 с, а длительность бестоковых пауз - 0,5-0.,7 с.

Формула и 3 о б р е т е н и я

Импульсно-потенциостатическая установка, включающая электрохимическую ячейку с рабочим, вспомогатель- HTjM электродами и электродом сравнения, узел сравнения, усилитель постоянного тока, усилитель мощности, источник поляризующего тока и датчик калиброванньЕ импзшьсов, входы узла сравнения подключены к рабочему электроду и электроду сравнения, его выход соединен с усилителем постоянного тока, выход последнего связан с усилителем мощности, первый Быход которого подключен к рабочему электроду, а второй через источник поляризуюи1его токе, и датчик калиброванных импульсов соединен с вспомо-- - гательным электродом, отличаю- щ а я с я тем, что, с целью повьше- ния производительности электролиза за счет автоматической коррекции частоты и скважности импульсов тока, в установку дополнительно введены источник светар фотодетектор, фильТр, аналого-цифровой преобразователь и контроллер, этом выход источника света оптически связан с рабочим электродом и входом фотодетектора, выход фотодетектора через последова- тепьно соединенные фильтр и аналого- цифровой преобразователь соединен с входом контроллера, выход которого подключен к датчику калиброванных импульсов.

фиг. 2

3S

Изобретение относится к области электрохимических лабораторных исследований, конкретно к лабораторньм приборам, предназначенным для полярографических исследований оптически прозрачных электролитов. Цель изобретения - повьшение производительности электролиза. Устройство содержит электрохимическую ячейку с рабочим, вспомогательным электродами и электродом сравнения, узел сравнения, усилители, источник поляризующего тока, датчик калибровочных импульсов, а также источник света, фотоприемник, фильтр, аналого-цифровой преобразователь, контроллер. В устройстве оптически оценивается состояние рабочего электрода и по скорости изменения интенсивности отраженного от него светового .сигнала осуществляется управление длительностью и скважностью поляризующего тока. 4 ил. (Л 00 а sl со

фиг.

Составитель В.Немцев Редактор М.Петрова Техред Л.Олийнык Корректор Г.Решетник

Заказ 3381/39 Тираж 776 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР .

по, де41ам изобретений и открытий 113035, Москва, Л(-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород,ул.Проектная,4