Измеритель импеданса электрохимических систем Советский патент 1988 года по МПК G01R27/02 

оо

О) 00 00

ьо

Изобретение относится к электроизмерительной технике и служит для повышения точности измерения неосновной составляющей импеданса, в особенности при отношениях составляющих. значительно отличающихся от единицы. Измеритель содержит ячейку 1 с электродами сравнения 2, вспомогательным 3, рабочим 4 и поляризующим 5, пористую диафрагму 6, трансформатор 7 тока, потенциостат 9, блок 11 фазочув- ствительных детекторов, электронно- управляемый аттенюатор 12, генератор 13 гармонических колебаний, усилитель 14, преобразователь 15 тока в напряжение, квадратурный фазовращатель 17 и блок 20 индикаторов. Для достижения поставленной цели введены повторитель 8 напряжения, коммутатор 16, электронно-управляемый аттенюатор 18, модульный указатель 19 квазиравновесия и образованы новые функциональные связи. 1 ил. с (Л

14)

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может быть использовано преимущественно для изучения свойств электрохимических систем по результатам измерений импеданса этих систем в широком диапазоне частот при их поляризации заданным током или потенциалом и является усовершенствованием известного устройства по авт. св. 1101756,

Цель изобретения - повышение точности измерения неосновной составляющей импеданса, в особенности при отношениях составляющих, значительно (на порядок и более) отличающихся от единицы.

На чертеже показана функциональная схема измерителя импеданса электрохимических систем.

Измеритель содержит ячейку 1 с раствором, электрод 2 сравнения, вспомогательный 3, рабочий 4 и поляризующий 5 электроды, пористую диафрагму 6, трансформатор 7 тока, повто- ритель 8 напряжения, потенциостат 9, соединительный кабель 10, блок 11 фазочувствительных Детекторов, первый электронно-управляемый аттенюатор 12, генератор 13 гармонических колебаний, усилитель 14, преобразователь 15 тока в напряжение, коммутатор 16, квадратурный фазовращатель 17, второй электронно-управляемый аттенюатор 18, модульный указатель 19 квазиравновесия и блок 20 индикаторов

Причем в ячейку 1 с раствором погружены электрод 2 сравнения, вспомогательный 3, рабочий 4 и поляризующий 5 электроды. Поляризующий электрод 5 отделен от основного объема ячейки пористой диафрагмой 6, что предотвращает попадание в основной объем ячейки продуктов реакции, образующихся на поляризующем электроде . при протекании через него постоянной составляющей тока. Рабочий электрод 4 через первичную обмотку трансформатора 7 тока и выход повторителя В напряжения соединен с общим проводом измерителя. Потенциостат 9 своими потенциальными входом и выходом соединен соответственно с электродом 2 сравнения и поляризующим электродом 5. Между общим проводом и вспомогательным электродом 3 через соединительный кабель 10 подключены сигналь

ный вход блока 11. фазочувствительных детекторов и выход первого электрон

10

15

20

30

25

35

40

5

0

5

но-управляемого аттенюатора 12, сигнальный вход которого соединен с генератором 13 гармонических колебаний, а управляющий вход через обнаружитель и усилитель сигнала ошибки задания требуемого значения переменной составляющей тока рабочего электрода 4 и измерительный преобразователь 15 тока в напряжении соединен с первым выводом вторичной обмотки . трансформртора 7 тока. Выход измерительного преобразователя 15 тока в напряжение соединен с первым входом коммутатора 16, опорным входом блока 11 фазочувствительных детекторов и с входом квадратурного фазовращателя 17, соединенного своим выходом с вторыми входами опорного блока 11 фазочувствительных детекторов и коммутатора 16, объединенного своим выходом с входом второго электронно- управляемого аттенюатора 18 и первым входом модульного указателя 19, квазиравновесия, второй вход которого соединен с входом повторителя 8 напряжения, первым входом блока 20 индикаторов и выходом электронно-управляемого аттенюатора 18, подключенного управляющим входом к выходу модульного указателя квазиравновесия, второй и третий входы блока индикаторов соединены с выходами блока фазочувствительных детекторов.

Измеритель импеданса электрохимических систем работает следующим образом.

В исходном состоянии коммутатор 16 установлен в положение, соответствующее нулевому потенциалу на его выходе. В цепи измерителя, включающей в себя последовательно соединенные выход электронно-управляемого аттенюатора 12, соединительный кабель 10, участок электромеханической ячейки между вспомогательным 3 и рабочим 4 электродами с измеряемым импульсом Z|, первичную обмотку трансформатора 7 тока и выход повторителя 8 напряжения, организуется режим заданного значения гармонической составляющей тока ip. Для этого ток t через трансформатор 7 тока передается в измерительный преобразователь 15 тока в напряжение, формирующий напряжение

1

15

равное

й, ipk C-Kij) -iK,k,, ,

31368812

где К и К,у - соответственно коэффи- выходе повторителя 8 напряжения равциенты передачи трансформатора 7 тока и измерительного преобразователя 15 тока в напряжение .

Напряжение в обнаружителе и усилителе 14 сигнала ошибки детектируется, сопоставляется по уровню с за- ю жение О, т.е. подключен к общему данным образцовым U, , после чего вы- проводу, то напряжение U, , сформированное на выходе первого электронно-управляемого аттенюатора 12, равделенный сигнал ошибки здесь же усиливается и поступает на управляющий вход электронно-управляемого аттенюатора 12, изменяя его выходное напряжение, а следовательно, величину тока ip так, что пренебрегая погрешностью статизма, на входе обнаружителя и усилителя 14 сигнала ошибки имеет место равенство

/U,5/ и„ . (2) Из выражения (2) с учетом (1) имено и. Напряжение U, поступает в блок 15 11 фазочувствительных детекторов,

где раскладывается на действительный и мнимый компоненты

20

Reil, K/Zjcosq KR; ImU, K|z /sincpn KX,

по которым непосредственно отсчитывают искомые R и X компоненты измеряе- jt- мого импеданса Ъ, выражение (3). Если в измеряемом импедансе преобладает один из компонентов, то с целью обеспечения повышения точности измерения неосновного компонента коммутатор 16 устанавливают в положение, соответствующее характеру преобладающего компонента. В электрохимических системах соотношения традиционны.

ЮТ

/IP/ и,//к,.к„/.

Если в рабочей области частот измерителя Kj К,-и K,j К,5 , то значе- ние /ip/ ,у К const и не зависит от изменения измеряемого импеданса 2„. В рассматриваемом измерителе направление вектора U,y принято за начало отсчета фазовых углов других векторов. Поэтому напряжение U в качестве опорного подается на входы блока 17 фазочувствительных детекторов и квадратурного фазовращателя 1 7 ,

Ток 1., протекая через измеряемый импеданс Z, создает на нем падение напряжения

и ipZ K/ZH/(COSCP + jsincfj

KR jKX,(3)

где q) - фазовый сдвиг между векто- ами и и IP;

J 1-1;

R /ZjcosCf ;

X sincp - действительный и мнимый компоненты -импедансавекторы IP и и,5 противофазны.

Так как в исходном состоянии измерителя напряжения на первичной обмотке трансформатора 7 тока и на

ны нулю (вторичная обмотка трансформатора работает в режиме, близком к короткому замыканию из-за низкого входного сопротивления измерительного преобразователя 15 тока в напряжение), а коммутатор 16 в исходном состоянии измерителя установлен в полоно и. Напряжение U, поступает в блок 15 11 фазочувствительных детекторов,

где раскладывается на действительный и мнимый компоненты

20

Reil, K/Zjcosq KR; ImU, K|z /sincpn KX,

по которым непосредственно отсчитывают искомые R и X компоненты измеряе- мого импеданса Ъ, выражение (3). Если в измеряемом импедансе преобладает один из компонентов, то с целью обеспечения повышения точности измерения неосновного компонента коммутатор 16 устанавливают в положение, соответствующее характеру преобладающего компонента. В электрохимических системах соотношения традиционны.

Рассмотрим пример работы устройства в случае измерения импеданса

ZM с преобладающим компонентом R. При указанном соотношении компонентов Z,. коммутатор 16 устанавливают в

положение R, и на входы электронно- управляемого аттенюатора 18 и модульного указателя 19 квазиравновесия поступает напряжение и, с выхода измерительного преобразователя 15 тока в напряжение. Напряжение U,5 мастабируется по уровню в электронно- управляемом аттенюаторе 1В и затем через повторитель 8 напряжения прикладывается между вторым концом первичной обмотки трансформатора 7 тока

и общим приводом. При этом напряжение

и.

,в-Кв 18 ;

где Kg 1 ;

55 18 значение коэффи1и1ентоБ передачи соответствующих узлов, причем Ug и U|a синфазны и, следовательно, противофазны направлению тока 1р. Значение коэффиии1М та K,g ус5136

танавливается модульным указателем 19 квазиравновесия таким образом, что в измерительной цепи имеет место квазиравновесие, характеризуемое соотношением

uu,, / и,-(и,,- uu,5 )/-/иц-(и,8 +

+ Ли,,),, /и;,/ -/и, о, (4)

где К, - коэффициент передачи указателя 19.

Если соотношение (4) не выполняется, т.е. или ли,, :0, то на выходе модульного указателя 19 ква- зиравновесия формируется соответственно положительное напряжение и K,g возрастает или отрицательное напряжение и K,g уменьшается. Изменение К,д происходит до тех пор, пока соотношение (4) не будет выполнено., При этом в измерительной цепи справедливы следующие соотношения:

и„ UN- U,g ; ReU,., UmU, 0;

/и,г/ Iпlй, KZ sintf ; /U,J ReU,e KZ.costf.

(5) (6)

При преобладающем значении мнимо- го компонента (X) импеданса ZH коммутатор 16 устанавливают в положение X. В этом случае входы электронно-управляемого аттенюатора 18 и модульного указателя 19 квазиравновесия подклю- чены к выходу квадратурного фазовращателя 17, формирующего напряжение 47 При достижении квазиравновесия, характеризуемого равенством

uu;, /u.-j(u,8- ли,5)/ - /UH- j(U,e + uU,5 ),, О, (7)

в измерительной цепи имеют место соотношения

UH- jU,s ; Re{jU,e Imu ,, О,

50

|u;j ReUH KZ,cosC;«; (Q) /jU,e| ImU, KZ,. (9)

Как следует из выражений (5), (6) и (8), (9) при достижении в измерительной цепи квазиравновесий (4) или , 55 (7) искомые значения компонентов R и X импеданса Z можно непосредственно отсчитать по значениям модулей выходных напряжений U,, (UJj ) и 11, (jU|g)

0

5

5 0

5

0

5

2б

электронно-управляемых аттенюаторов 12 и 18 или по значениям их коэффициентов передачи K,.j и K,g.

Если условие квазирав 1овесия установлено грубо (например, в случае необходимости достаточно высокого быстродействия модульного указателя квазиравновесия дискретность установки коэффициента передачи электронно-управляемого аттенюатора ДК,р выбирается большой, в частности ЛК,д 0,01 KISMOKC) Г о вектор напряжения U (или и ) содержит в себе информацию как о неосновной компоненте U, , так и о пере или недокомпенсированном значении преобладающей компоненты. В этом случае отсчет преобладающего компонента Z производят по сумме отсчетов значения модуля компенсирующего напряжения U,g и jU,g и выходного напряжения (с учетом полярности) блока 11 фазочувствительных детекторов, опорный сигнал которого колле- ниарен преобладающему компоненту Z , отсчет неосновного компонента производят по значению выходного напряжения фазочувствительного детектора, опорный сигнал которого коллениарен с неосновным компонентом. Формула изобретения

Измеритель импеданса электрохимических систем по авт. св. № 1101756, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения неосновной составляющей импеданса, в него дополнительно введены коммутатор, модульный указатель квазиравновесия, электронно-управляемый аттенюатор и повторитель напряжения, выход которого включен между вторым зажимом первичной обмотки трансформатора тока и общей щиной измерителя импеданса, а вход соединен с первыми входами модульного указателя квазиравновесия и блока отсчет- ных устройств и выходом второго электронно-управляемого аттенюатора, соединенного своим управляющим входом с выходом модульного указателя квазиравновесия, а сигнальным входом - с вторым входом модульного указателя квазиравновесия и выходом коммутатора, первый вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя тока в напряжение, а второй вход соединен с выходом квадратурного фазовращателя, а третий - с общей щиной измерителя импеданса.