Высокочастотный измеритель импеданса электрохимических систем Советский патент 1992 года по МПК G01R27/02 

XI

ю со ел со

4

обмоткой трансформатора 8 тока и преобразуется в напряжение преобразователем 13 тока в напряжение, которое поступает на сигнальный вход формирователя 14 напряжения промежуточной частоты, на гетеродинный вход которого поступает напряжение генератора 20 гармонических колебаний. В блоке 2 автоматического регулирования производится сравнение модуля выходного напряжения формирователя 14 с опорным постоянным внутренним напряжением. Напряжение, подаваемое через соединительный кабель 4, повторитель 5 напряжения, образцовый пассивный двухполюсник 18, трансформатор 17 тока и измерительный преобразователь 16 тока в напряжение, поступает на сигнальный вход формирователя 19 сигнала промежуточной частоты, Сигналы с выходов формирователей 14 и 19 поступают на входы блока 15 фазочувствительных детекторов. Поляризация рабочего электрода 6 заданным током или потенциалом относительно электрода 11 сравнения производится с помощью по- тенциостата 10. Пористая диафрагма 12 препятствует прохождению продуктов реакции, образующихся на поляризующем электроде 9 при протекании постоянной составляющей тока, в основной объем электрохимической ячейки 7. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения импеданса электрохимических систем в широком диапазоне частот при поляризации их заданным током или потенциалом. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерения - достигается за счет обеспечения коррекцииамплитудно-фазочастотных искажений, вносимых кабелем связи и повторителем напряжения, и повышения точности задания требуемого значения амплитуды тока, протекающего через исследуемый объект. Сигнал с выхода генератора гармонических колебаний через аттенюатор 3, соединительный кабель 23 и повторитель 22 напряжения прикладывается к участку электрохимической ячейки 7 между электродами 21 и 6 и общей точкой измерителя. Ток, протекающий через рабочий электрод 6, воспринимается вторичной

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть предназна- нено для измерения характеристик электрохимических систем (измерения импеданса этих систем в широком диапазоне частот при поляризации их заданным током или потенциалом).

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерения.

На чертеже представлена электрическая функциональная схема высокочастотного измерителя импеданса электрохимических систем.

Высокочастотный измеритель импеданса электрохимических систем содержит генератор 1 гармонических колебаний и блок 2 автоматического регулирования, выходы которых соединены соответственно с сигнальным и управляющим входами электронно-управляемого аттенюатора 3, выход которого через кабель 4 соединен с входом г повторителя 5 напряжения.

Измеритель содержит также рабочий электрод 6 электрохимической ячейки 7, который соединен с кольцевым сердечником трансформатора 8 тока и подключен к общей точке.

Измеритель содержит также поляризующий электрод 9, между которым и общей точкой подключен выход потенциостата 10 и электрохимической ячейки 7, потенциальный входной зажим потенциостата соединен с электродом 11 сравнения, потенциостат 10 подключен между поляризующим электродом 9 и общей точкой. Измеритель содержит также пористую диафрагму 12.

Вторичная обмотка трансформатора 8 тока через последовательно соединенные

измерительный преобразователь 13 тока в напряжение и формирователь 14 сигнала промежуточной частоты подключена к опорному входу блока 15 фазочувствительных

детекторов и входу блока 2 автоматического регулирования.

Измеритель также содержит измерительный преобразователь 16 тока в напряжение, вход которого соединен с вторичной

обмоткой трансформатора 17 тока, сердечник которого соединен с вторым токоподводом образцового пассивного двухполюсника 18, первым своим токоподводом подключенного к выходу повторителя 5 напряжения, выход

измерительного преобразователя 16 соединен с сигнальным входом формирователя 19 сигнала промежуточной частоты, выход которого подключен к сигнальному входу блока 15 фазочувствительных детекторов.

Измеритель также содержит генератор 20 гармонических колебаний, выход которого соединен с гетеродинными входами формирователей 14 и 19 сигналов промежуточной частоты. Вспомогательный электрод 21 через второй повторитель 22 напряжения и кабель 23 подключен к выходу электронно-управляемого аттенюатора 3 и входу повторителя 5 напряжения. Общие точки трансформатора 17 тока,

формирователей 14 и 19 сигнала промежуточной частоты, генераторов 1 и 20 гармонических колебаний, измерительных преобразователей 13 и 16 тока, повторителей 5 и 22 напряжения, электронно-управляемого аттенюатора 3, блока 2 автоматического регулирования, блока 15 фазочувствительных детекторов соединены с общими точками трансформатора 8 тока и потенциостата 10.

Высокочастотный измеритель импеданса электрохимических систем работает следующим образом.

Сигнал с выхода генератора 1 через аттенюатор 3, соединительный кабель 23 и повторитель 22 напряжения прикладывается к участку электрохимической ячейки 7 между электродами 21 и 6 и общей точкой измерителя.

Ток 1Р, протекающий через рабочий электрод 6, воспринимается обмоткой трансформатора 8 тока и преобразуется в напряжение преобразователем 13 тока в напряжение. Это напряжение поступает на сигнальный вход формирователя 14 сигнала промежуточной частоты. На гетеродинный вход формирователя 14 поступает напряжение генератора 20. Рабочая частота генератора 20 (f2) сдвинута по отношению к частоте генератора 1 (fi) на постоянную величину (fi-f2 fnp const), при этом fnp « fi. Напряжение промежуточной частоты формирователя 14 поступает на опорный вход блока 15 фазочувствительных детекторов и на вход блока 2 автоматического регулирования. В блоке 2 производится сравнение модуля выходного напряжения формирователя 14, равного Ui4, с опорным постоянным внутренним напряжением Еа. При наличии из неравенства в блоке 2 формируется усиленный разностный сигнал, который, регулируя коэффициент передачи аттенюатора.3, изменяет его выходное напряжение Оз и в измерительной цепи имеет место соотношение:

U14 , , , . , ;(1)

где Ui4 ip K8 Kia Ki4 IP Ki Ip I Ki I e-J

....:..-... (2)

Ip U3 K22 K23/ZH; Ki - K8 K13 Kl4. U3 K22 K23

022 - выходное напряжение повторителя 22; ZH - импеданс участка цепи между вспомогательным и рабочим электродами и общей точкой измерителя - измеряемый импеданс, подключенный к выходу повторителя 22 напряжения; KB, Ктз, К22, К2з - коэффициенты передачи соответствующих узлов измерителя; i - вносимый паразитный фазовый сдвиг канала формирования напряжения U14.

Из выражений (1) и (2) следует, что:

IPZH U22 UH

а .также, что яри I Ki | const значение I IP I Е2/ I Ki I не зависит от значения измеряемого импеданса ZH.

Напряжение Оз через соединительный кабель 4 и повторитель 5 напряжения (соот- ветст енно с коэффициентами передачи К4 и Ks) поступает на вход последнего. При обеспечении равенства К23 К4 и К22 КБ и с учетом выражения (3) имеем

U3K4K5 U5,(4)

где Us- напряжение на выходе повторителя 5. Это напряжение обуславливает формирование на выходе формирователя 19 сигнала промежуточной частоты:, .

U19 U5K16 K17 K18 К19 U5 К Up I Ku I u

. .(5)

где Ki6 KIS - коэффициенты передачи соответствующих узлов; lu - вносимый паразит- ный фазовый, сдвиг-канала формирования напряжения Uig.

Исходя из (2) и (5) и с учетом (3), запишем выражение для( отношения:

0-I9 ip kie ki kis ki9 J-, ,ч w:ipK8Ki3Ki4. 7 . .

Из (6) видно, что при Kie Ki Kie Ki9/K8 Низ Ki4 K ZH отношение сигналов будет прямо пропорционально измеряемому импедансу ZH. Обеспечение этого условия в измерителе достигается тем, что повторители 5 и 22 напряжения, соединительные кабели 4 и 23, трансформаторы 8 и 17 тока, измерительные преобразователя 13 и 16 и формирователя 14 и 19 сигналов промежу- точной частоты выполнены идентичными, точнее они имеют равные или отличающиеся на постоянное фиксированное значение коэффициенты передачи. Поэтому при. К}8 1 /Ris и, в частности, при Кш Кп Ј19 Ks Kis Ki4 K 1/Ris,

где Rie - значение сопротивления образцового пассивного двухполюсника 18, Из выражения (6) имеем: Ui9 Ui4K /ZH/e J н

где рн arctg(x/R) - угол сдвига между током Ip и напряжением Он, X и R - мнимая и действительная составляющие Импеданса:

ZH R - JX.

Напряжение Ui4 поступает на опорный вход блока 15. Здесь оно принято за начало отсчета фазовых углов. В этом случае сигналы этого блока соответственно равны: UR IU14 I Kj Kis fZHl -KR, Ux |6i4l K Kis IZH| KX, (7) где К Oi41 K Kis-коэффициент пропорциональности; Kis - коэффициент передачи блока фазочувствительных детекторов.

Из выражения (7) следует, что при К const выходные сигналы прямо пропорци- ональны искомым составляющим R и X измеряемого импеданса.

Поляризация рабочего электрода 6 заданным током или потенциалом относительно электрода 11 сравнения производится с помощью потенциостата 10.

Пористая диафрагма 12 препятствует прохождению продуктов реакции, образующихся на поляризующем электроде 9 при

протекании постоянной составляющей тока, в основной объем электрохимической ячейки.

Обеспечение коррекции амплитудно- фазочастотных искажений, вносимых кабелем связи и повторителем напряжения, а также повышение точности задания требуемого значения амплитуды тока, протекающего через исследуемый объект, позволяет более чем в три раза повысить точность измерения, повысить в два раза верхний частотный предел и снизить в пять раз нижний частотный предел, что в конечном итоге значительно расширяет диапазон измерения.

Формула изобретения Высокочастотный измеритель импеданса электрохимических систем, содержащий первый генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к сигнальному входу электронно-управляемого аттенюатора, управляющий вход которого подключен к выходу блока автоматического регулирования, вход которого соединен с опорным входом блока фазочувствитель- ных детекторов и выходом первого формирователя сигнала промежуточной частоты, сигнальный вход которого через последовательно соединенные перрые измерительный преобразователь тока в напряжение и трансформатор тока подключен к рабочему электроду электрохимической ячейки, электрод сравнения и поляризующий электрод которой соединены соответственно с вхо0

5

0

5

0

дом и выходом потенциостата, второй генератор гармонических колебаний, выход которого соединен с гетеродинными входами первого и второго формирователей сигналов промежуточной частоты, причем выход второго формирователя сигналов промежуточной частоты соединен с сигнальным входом блока фазочувствитель- ных детекторов, а вход через последовательно соединенные измерительный преобразователь тока в напряжение и трансформатор тока, образцовый пассивный двухполюсник и первый повторитель напряжения - с выходом электронно-управляемого аттенюатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения, в него введен второй повторитель напряжения, вход которого подключен к выходу электронно-управляемого аттенюатора, а выход соединен со вспомогательным электродом электрохимической ячейки, общие точки первого и второго измерительных преобразователей тока в напряжение, первого и второго генераторов гармонических колебаний, первого и второго повторителей напряжения, первого и второго трансформаторов тока, первого и второго формирователей сигнала промежуточной частоты, блока автоматического регулирования, электронно-управляемого аттенюатора и блока фазочувствительных детекторов соединены между собой.