Устройство для измерения концентрации ионов Советский патент 1991 года по МПК G01N27/26 

Ь(Т)

|U0 CeW , Тл ,2 .., f

где Т. - комнатная температура;

ftje подвижность электронов при температуре Т0.

и(тв+ Ат) « и(т0) + Д т,

45

40

где 11 ,1 - амплитуды переменных составляющих напряжения на электроде сравнения и тока стока.

выражении от температуры зависит только Ь. Поэтому, подставив значение Ь из формулы (3), получают

Эс

В этом

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к области измерения концентрации ионов в растворах электролитов и наиболее эффективно может быть использовано для контроля химического состава малых объемов исследуемых проб. Цель изобретения - повышение точности устройства в условиях изменяющейся температуры исследуемого раствора путем устранения влияния порогового напряжения и температурной чувствительности полевого транзистора - достигается за счет компенсации температурной чувствительности ионочувствительного полевого транзистора и за счет выделения сигнала, пропорционального температуре и не зависящего от концентрации ионов в растворе. Устройство со- дерхит ионочувствительный полевой транзистор 1 и электрод сравнения 2, помещенные в контролируемый раствор электролита, размещенного в электрохимической ячейке 3, шесть источников напряжения 4-9, четыре сумматора 10- 13, генератор 14 синусоидального напряжения, резистор 15, операционный . усилитель 16, развязыэающий конденсатор 17, детектор 18, фильтр 19 нижних частот, блок 20 аналогового деления, вольтметр 21 и три ключа 22-24. 1 ил. (Л

2 и

где лГ«; температурная чувствительность порогового

напряжения, которую можно определить из номограмм, зная удельное сопротивление кремниевой подложки и толгшну диэлектрика.

Aif0(T0+AT) 2,303 ls la±AI,

50

5к2WC0|l|0T

о Jc

T-I.

(8)

Из выражения (8) следует, что амплитуда переменной составляющей напряжения на электроде -сравнения линейнозависит от температуры. Этот сигнал можно использовать для компенсации температурной чувствительности ИЧПТ 1. Экспериментальная проверка подтверждает, что амплитуда

переменной составляющей напряж на электроде сравнения линейно сит от температуры в диапазоне 10СГС.

При помощи детектора 18 перная составляющая напряжения на роде сравнения преобразуется -в янное напряжение

ш

где If

К

18 М 2WC,

Р

Т2 О Ј0

Л.

1л

)

(9)

18

- напряжение на выходе детектора 18; К jo его коэффициент передачи Третий сумматор 12 предназначен для выделения сигнала, пропорционалного приращению температуры раствора

U

а

КЛUJ

W TT-VV&T П0)

где U,0 ,U, .

напряжения на выходах сумматора 12 и источника напряжения 6; (,Ј- коэффициент усиления

сумматора 12.

Калибровка всего устройства проводится в два этапа. На первом этапе ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнения помещают в первый буферный раствор с определенным значением рН, например, рН 1,68 при температуре TQ. После окончания переходных процессов путем регулировки напряжения источника 6 устанавливают нулевое напряжение на выходе сумматора 12. При этом ключ 22 замкнут, а ключи 23 и 24 разомкнуты. В качестве нуль-индикатора используется цифровой вольтметр 21. После этого ключ 22 размыкается и замыкается ключ 23. Регулировкой напряжения источника 7 устанавливают нулевое напряжение на выходе второго сумматора 11. После этого размыкаетс ключ 23 и замыкается ключ 24. Регулировкой напряжения источника 9 уста- навливают на вольтметре 21 значение напряжения 0,168 В.

Напряжение на выходе фильтра 19 нижних частот- U(A можно записать в следующем виде, учитывая выражения (2) - (6)

3U

ат

п -, L-+ п (т 1 +

W Ч b utuo;

8

-Is- - 2,303

ЫТ q

А

(3+1

(рН - РН)+ЕЛТЛ) +

с

JL§#AT

Зт дт

(11)

Первое слагаемое в правой части выражения (11) компенсируется путем сложения с противоположным знаком с напряжением на выходе детектора 18, При этом коэффициент передачи детектора 18 должен быть равен

21с lT

К18

20

Коэффициент передачи сумматора выбирается равным

12

К

2

.|.2)(Рн0-Рн,) +

25 + LwCftMi.

а т J1 2 ic

(12)

что позволяет при сложении с противоположными знаками компенсировать третье, пятое и седьмое слагаемые выражения (11). Второе, четвертое и шестое слагаемые правой части выражения (11) компенсируются путем регулировки напряжения источника 9 на первом этапе калибровки.

Коэффициент передачи сумматора 12 может рассчитываться по формуле (12), либо более точно может быть установлен экспериментально. Для этого при рНj 1,68 необходимо увеличить температуру до Т-, и изменением коэффициента передачи сумматора 12 вновь установить нулевое напояжение на выходе сумматора 11.

После первого этапа калибровки напряжение на выходе сумматора 11 равно

kT 3

so и, 2 303-Г- Т(Рн-Рн)

(13)

а после деления в блоке 20 на сигнал

U

18

получают

Ue. 2f303Kft-J

/3 I

/i+П 2I

(14)

Коэффициент передачи блока 20 деления К, выбирается на втором этапе калибровки. При этом ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнения помещают во второй буферный раствор с, например, рН2 9,18 при температуре TQ. Путем регулировки напряжения источника 8 по вольтметру 21 устанавливается напряжение 0,918 В.

После проведенной калибровки ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнения помещают в исследуемый раствор, и численное значение напряжения (с учетом выбранного диапазона работы вольтметра) соответствует значению рН исследуемого раствора и не .зависит от изменений температуры раствора.

Работа устройства проиллюстрирована на примере измерения рН раствора. Однако при использовании ИЧПТ 1 с другим типом диэлектрика или с полимерными ионоселективными мембранами устройство позволяет измерять концентрацию и других ионов в исследуемом растворе. Все использованные в устройстве блоки являются стандартными.

Устройство позволяет исключить погрешности, которые возникают при изменениях температуры исследуемого электролита. Оно имеет линейную шкалу и позволяет вести отсчет непосредственно в единицах рН.

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации ионов, содержащее ионочувстви- тельный полевой транзистор и электрод сравнения, размещенные в электрохимической ячейке, первый источник напряжения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого через резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и выводами истока и . подложки ионочувствительного полевого транзистора, вывод стока которого подключен к выходу второго источника

Составитель В.Скоробогатова

Редактор И.Касарда Техред м.Дидык

Заказ- 539 Тираж 393 Подписное

ВНИИЛИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

0

5

5

0

0

5

0

5

напряжения, электрод сравнения соединен с выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей ииной устройства, и вольтметр, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства в условиях изменяющейся температуры исследуемого раствора путем устранения влияния порогового напряжения и температурной чувствительности полевого транзистора, оно снабжено фильтром нижних частот, развязывающим конденсатором, детектором, тремя сумматорами, четырьмя источниками напряжения, генератором синусоидального напряжения, блоком аналогового деления и тремя ключами, при этом выход генератора синусоидального напряжения подключен к второму входу первого сумматора, выход операционного усилителя соединен с входом фильтра нижних частот и через развязывающий конденсатор - с входом детектора, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и через первый ключ - к входу вольтметра, выход второго сумматора подключен к первому входу блока аналогового деления и через второй ключ - к входу вольтметра, выход детектора соединен с третьим входом второго сумматора, вторым входом блока аналогового деления и первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу трртьего источника напряжения, выход четвертого источника напряжения соединен с четвертым входом второго сумматора, выход пятого источника напряжения подключен к третьему входу блока аналогового деления, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу шестого источника напряжения, выход четвертого сумматора через третий ключ соединен с входом вольтметра.

Корректор И.Муска