Устройство для определения комплексных компонент переменного поверхностного натяжения Советский патент 1989 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а именно к устройствам для изучения поверхностных свойств твердых электродов, и может быть использовано в приборостроении, а также в научно-исследовательской практике для регистрации зависимостей комплексных компонент производной поверхностного натяжения (ППН) по плотности заряда электрода, находящегося в контакте с жидким электролитом, от потенциала электрода или времени.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения одновременной регистрации обоих комплексных компонент переменного поверхностного натяжения.

. На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжения в разных точках устройства; на фиг. 3 - кривые зависимости реальной и мнимой компоненты ППН от потенциала Е платинового электрода в контакте с 1 н. K-jSO ; 0,2 н. CdSO. Устройство состоит из электрохимической ячейки 1 с электролитом, рабочего электрода 2, расположенного в ячейке 1, жестко скрепленного с пьезоэлектрическим преобразователем 3. В ячейке 1 расположены также электрод 4 сравнения, первый вспомогательный электрод 5 для задания среднего потенциала рабочего электрода 2, второй вспомогательный электрод 6 для пропускания переменного тока.

О1

оо М го

СП

lihixoji ир образователя 3 соединен с нх( избирательного усилителя 7, jjwxo;; которого подключен к входу осциллографнческот-о регистратора 8. Электрод 4 сравнения через фильтр 9 с нысоким входным сопротивлением со- единен с инвертирующим входом потенци остата 10, выход которого соединен с первым вспомогательным электродом 5. Неиннертирующий вход потенциостата 10 соединен через фильтр 11 с выходом формирователя 12 постоянного и линейно-меняющегося напряжения. Этот выход через переключатель 13, обеспечивающий переход от режима внутренней к внешней развертке по горизонтали регистратора 8, соединен с Х-входом регистратора 8, второй вспомогательный электрод 6 через образцовое сопротивление 14 подключен к выходу генератора 15 синусоидального напряжения. Этот же выход через компаратор 1Ь со- ед1шен с входом генератора 17 парных прямоугольных импульсов, выход которого подключен к модулирующему входу регистратора 8.

Устройство работает следующим образом.

Среднее значение потенциала рабочего электрода 1 формируется в формирователе 12 и представляет собой, в общем случае, сумму постоянного и меняющегося по лрн1ейцому закону напряжения, которое поступает через фильтр 11 на неинвертирующий вход потенциостата 10. На инвертирующий вход потенциостата 10 через фильтр 9, идентичный фильтру II, поступает напряжение с электрода 4 сравнения. Таким образом, потенциостат 10 посредством пропускания токэ через электрод 5 обеспечивает поддерх ание между рабочим 2 и вспомогательным 4 электродами значения напряжения, формируемого формирователем 12. Для возбуждения колебаний ППН через вспомог ательный электрод 6 от генератора 15 синусоидального напряжения через образцовое сопротивление 14 на рабочий элекч род 2 подается переменный ток. Развязку цепей переменного и постоянного тока осуществляет фильтр 9, поло(;а задерж ки которого охватывает диапазон рабочих частот генератора 15. Фильтр 1 обеспечивает компенсацию небольшого постоянного падения напряжения на фильтре 9 при линейной развертке потенциала рабочего элекарода 2.

0

5

0

5

0

5

0

5

Возбуж/хенные прохождением переменного тока через электрод 2 колебания ППН преобразуются в электрическое напряжение пьезоэлектрическим преобразователем 3, а затем усиливается избирательным усилителем 7. Усиленное напряжение с выхода усилителя 7 подается на Y-ВХОД (канал вертикального отклонения) осциллографического регистратора 8. При этом фазовый сдвиг напряжения на выходе усилителя 7, в общем случае, может иметь любое значение 0-360 по отношению к колебанию напряжения на выходе генератора 15 в точке его соединения с сопротивлением 14. Поэтому перед регистрацией необходимо призвести настройку устройства по известному поверхностному натяжению в изучаемой электрохимической системе, В дальнейшем будем исходить из того, что калибровочный сигнал имеет нулевой фазовый сдвиг Lf 0° и значение модуля f 1,5 В, что соответствует реальной электрохимической системе, эстансо- граммы которой приведены на фиг. 3, нри потенциале электрода Е 1,4В (относительно нормального водородного электрода).

Настройку устройства в случае, когда уровень наводок незначителен и ими можно пренебречь проводят следующим образом. В данном случае переключатель 13 ставится в отключенное положение, при этом на экране регистратора появляется синусоида, произвольно сдвинутая по отношению к началу развертки, например как на фиг. 2, график а. Напряжение с генератора 15 подается на вход компаратора 16 и если первоначально на нем установлен нулевой уровень срабатывания, тогда запускаемый положительным фронтом импульса, компаратора 16, генератор 17 начинает генерацию пар импульсов, которые модулируют яркость луча регистратора 8. Интерва.11 в паре равен 0,25 Т, длительность С импульса выбирается из условия f 0,01 Т. В результате этого на синусоьще, иницируемой регистратором 8, появляются ярко светящиеся точки, зображенные черными кружками на графике а. Так как фазовый сдвиг ППН в данном случае равен нулю, изменяя уровень срабатывания компаратора 16 (фиг. 2, график б, уровень отмечен пунктирной линией, нанесенной на синусоиду выходного сиг

га светящихся точек на синусоиде к по-,, .,., ,

во время второго - на величину и

ложению, изображенному светлыми кружками, график а на фиг. 2. Напряжение на выходе компаратора при этом соответствует графику в на фиг. 2, а на выходе генератора 17 - графиг г. После этого включается переключатель 13, обеспечивающий переход к управлению д горизонтального канала регистратора 8 напряжением формирователя 12, снимается остаточное свечение синусоиды при помощи внутреннего регулятора яркости регистратора 8. При этом на экране J5 высвечиваются две точки, расположенные в одной вертикали. Положение последней зависит от потенциала электрода, так как при включении переключателя I3

равную

и и„ cos(i/ +е - f ) + и о, (2 Так как в калибровочном опыте Lf то из уравнений (I) и (2) определяе ся фазовый сдвиг при преобразовании усилении ПИН и коэффициент преобраз вания ,

е ч- + arctg ---Г,.

и - LH

Un и

- sin(6)-v)

После определения параметров б и К переходят к записи зависимости вели чин и (Е) и и (Е) от потенциала эле трода путем включения переключатеравную

и и„ cos(i/ +е - f ) + и о, (2) Так как в калибровочном опыте то из уравнений (I) и (2) определяется фазовый сдвиг при преобразовании и усилении ПИН и коэффициент преобразования ,

е ч- + arctg ---Г,.

и - LH

Un и

- sin(6)-v)

После определения параметров б и К переходят к записи зависимости величин и (Е) и и (Е) от потенциала электрода путем включения переключате

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к устройствам для изучения поверхностных свойств твердых электродов, и может быть использовано в приборостроении, а также в научно-исследовательской практике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения одновременной регистрации обоех компонент. Для этого в устройство, выполненное на базе электрохимической ячейки, работающей на переменном токе, дополнительно введен компаратор и генератор парных прямоугольных импульсов, что позволяет получать зависимость обеих комплексных компонент поверхностного натяжения от потенциала электрода. 3 ил.

каждои точке на горизонтали на экра- 20 ля 13 и снятия остаточного свечения

синусоиды колебания при помощи в реннего регулятора яркости свече регистратора 8. Зависимости компл ных компонент ППН получают в дан

tf(E) е- arctg о {|}-1-и

; „.yllEl

не регистратора соответствует определенное значение потенциала электрода. После этого производится запись кривых зависимостей комплексных компонент ППН от потенциала путем включения случае путем расчета по формулам вертки напряжения в формирователе 12. Результат регистрации представлен на фиг. 3.

Настройка устройства в присутствии . значительных электростатических наво- JQ док проводится следующим образом. Электроду 2 сообщается потенциал, при котором известна фаза Ф и модуль эс- танса (в нашем случае 0 О и 1,5 В).

При этом механические колебания электрода демпфируются, а переключатель 13 ставится в отключенное положение, вследствие чего на регистраторе 8 появляются изображения колебаний электростатических наводок. Измеряется модуль и и фаза i наводок, а уровень срабатывания компаратора 16 устанавливается таким, чтобы в момент первого импульса генератора 17 сигнал наводок был равен нулю, а в момент

35

40

sin(tf(E))

Кез-дСЕ) sini(E)

тт„ г

cosi(E).

Us (Е)

Ул1Е к

45

Индексом Е в скобках помечены величины, которые зависят от поте циала электрода.

При регистрации временных зави мостей - Re J- g и , настройка бора осуществляется в тех же посл довательностях, с той разницей, ч запись зависимостей на регистрато ре 8 проводится с включенной внут ней разверткой по горизонтали с т буемой скоростью передвижения луч

второго - модулю наводок U. После этого снимается демпфирование рабочего электрода и на экране регистратора 8 появляется изображение колебания, соответствующего сумме двух колебаний: наводок и полезного сигнала, преобразованного и усиленного ППН. Модуль последнего сигнала обозначим U,, а фазовый сдвиг при преобразовании и усилении - 8. Высвечиваемые импульсами генератора 17 точки отклонены от нулевой линии во время первого импульса на величину J , равную

синусоиды колебания при помощи внутреннего регулятора яркости свечения регистратора 8. Зависимости компле.кс- ных компонент ППН получают в данном

случае путем расчета по формулам

tf(E) е- arctg о {|}-1-и; .

чае путем расчета по формулам

; „.yllEl

sin(tf(E))

Кез-дСЕ) sini(E)

тт„ г

cosi(E).

Us (Е)

Ул1Е к

0

5

0

Индексом Е в скобках помечены те величины, которые зависят от потенциала электрода.

При регистрации временных зависимостей - Re J- g и , настройка прибора осуществляется в тех же последовательностях, с той разницей, что запись зависимостей на регистраторе 8 проводится с включенной внутренней разверткой по горизонтали с требуемой скоростью передвижения луча.

Формула изобретения

Устройство для определения комплексных компонент переменного поверхностного натяжения, содсржлп се электрохимическую ячейку с рлсположенным Б ней рабочим электродо , скрепленным с пьезоэлектрическим iipodnii.r.iOBnTe- лем, который подключен к ихолу избирательного усилителя, in jiiibii i нспомогательный электрод, расположенный в электрохимической ячейке и подключенный к выходу потенциостата, инвертирующий вход которого соединен с электродом сравнения, расположенным в электрохимической ячейке, а неинвертирующий вход соединен с выходом формирователя постоянного и линейно-меняющегося напряжения, второй вспомогательный электрод, расположенный в электрохимической ячейк е и подключенный к выходу генератора синусоидального напряжения, и осциллографи- ческий регистратор, Х-вход которого соединен с выходом формирователя постоянного и линейно-меняющегося напря(fufi

жения, а Y-вход - с выходом избира тельного усилителя, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства путем обеспечения одновременной регистрации обоих комплексных компонент переменного поверхностного натяжения , устройство дополнительно содержит компаратор с переменным.уровнем срабатывания, вход которого соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, и генератор парных прямоугольных импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, а выход - с модулирующим входом осциллографического регистратора.

(ригз