Способ контроля работоспособности стеклянного ионоселективного электрода в процессе ионометрического анализа и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N27/416 

Изобретёние относится к ионометри, в частности обеспечивает экспресс-оценку состояния мембраны и изоляции кабеля стеклянный ионоселективных электродов (ИСЭ) в процессе ионометрического анализа

Известен способ и устройство для определения Активного выходного сопротивления системы со стеклянным ИСЭ по падению напряжения на образцовом сопротивлении, нагруженном на последовательно включенные известную ЭДС электродной системы и ЭДС образцового напряжения, Там же указано, что практически для подавляющего числа водных растворов активное выходное сопротивление электродной системы со стеклянным ИСЭ полностью определяется активным сопротивлением мембраны такого ИСЭ. Недостатком указанного способа и устройства для его реализации является то, что они не обеспечивают определения емкости мембраны ИСЭ, по величине которой можно судить о степени загрязнения рабочей поверхности сектал ИСЭ, о толщине мембраны и т д., а также не дают

VI

00 CJ 4 О СО

информации об исправности изоляции кабеля стеклянного ИСЭ Кроме того, при условии использования образцового сопротивления, близкого к сопротивлению мембраны (рекомендация, ток, протекаю- щий через электродную систему способен вызвать поляризацию стекла ИСЭ, что затрудняет применение такого способа и устройства для его реализации непосредственно в процессе ионометрического ана- лиза.

Известен способ получения параметров комплексной электрической цепи заключа- ющййся в том, что к исследуемой комплексной цепи подключают известный по величине (активный или реактивный) элемент, создают в такой цепи апериодический экспоненциальный процесс, измеряют установившееся значение напряжения, затем схему возвращают в исходное состояние, снова создают тем же напряжением апериодический, экспоненциальный процесс, и измеряют интервал времени от начала экспоненциального процесса до значения напряжения, равного фиксированной величине после че о о величинах активной и реактивной составляющей комплексной электрической цепи судят по полученным цифровым эквивалентам измеренного установившегося значения напряжения и изме- ренного интервала времени

Этот способ, принятый за прототип, предназначен для определения параметров простой комплексной цепи, состоящей из одного активного и одного реактивного эле- мента и не позволяет осуществлять оценку параметров более сложной комплексной цепи, имеющей в своем составе источник ЭДС и несколько активных и реактивных элементов, например цепи электродной си- етемы со стеклянными ИСЭ Кроме того, специфика анализа при помощи стеклянных ИСЭ обусловливает сверхмалые токи в измерительной цепи, что определяет значительную длительность переходных апериодических процессов (до десятков секунд и выше), и, как следствие последовательное проведение двух апериодических циклов установления напряжения на выходе электродной системы займет значитель- ное время.

Цель изобретения состоит в повышении быстродействия и расширении функциональных возможностей способа, заключающихся в обеспечении определения исправности изоляции кабеля ИСЭ, а также емкости и активного сопротивления мембраны стеклянного ИСЭ за счет измерения и оценки величин начального скачка и характеристического времени экспоненциального изменения напряжения на выходе электродной системы в процессе одного единст- венного апериодического процесса специальной формы, реализованного подачей на оплетку кабеля стеклянного ИСЭ перепада напряжения, меняющего характер экранирования этого ИСЭ, а также величин установившегося напряжения до и после реализации указанного апериодического про цесса.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля работоспособности стеклянного ИСЭ в процессе ионометрического анализа, включающем измерение установившегося значения выходного напряжения электродной системы, создание апериодического процесса изменения напряжения на выходе электродной системы, осуществляемое подачей на оплетку кабеля ИСЭ перепада напряжения, меняющего характер экранирования этого электрода, atтакже измерения интервала времени, соответствующего характеристическому времени т экспоненциального изменения выходного напряжения электродной системы, дополнительно вводятся следующие операции:

измерение величины начального скачка напряжения rj на выходе электродной системы, осуществляемое в промежутке между операциями создания апериодического процесса и измерения интервала времени;

повторное измерение установившегося значения напряжения электродной системы, следующее за операцией измерения интервала времени.

Причем о исправности изоляции кабеля ИСЭ судят по величине разности установившихся значений выходного напряжения электродной системы, измеренных до начала и после окончания апериодического процесса, а затем о величинах емкости Сэ и активного сопротивления R3 мембраны ИСЭ судат по формулам:

-Се

0) (2)

при создании апериодического процесса за счет перехода от экранирования ИСЭ потенциалом источника калиброванного напряжения Ко к его экспоненциальному экранированию, и по формулам

г (Uo-U.)-iy

(3)

R3 г /(Сэ+Св+Ск)

при создании апериодического процесса за счет перехода ль эквипотенциального экранирования ИСЭ к его экранированию по- тенциалом источника калиброванного напряжения Uo, где Ск и Св соответственно, известные величины емкости экранированного кабеля ИСЭ и входной емкости измерительного устройства, анализирую- щего изменение напряжения на выходе электродной системы, Us - ЭДС электродной системы.

Известно также устройство для измерения ЭДС от электродных систем со стеклян- ными ИСЭ, с помощью которого возможно создание апериодичесокго процесса в электродной системе согласно предлагаемому способу, а также измерения установившегося напряжения на выходе электродной сие- темы.

Это устройство, принятое за прототип, предназначено лишь для определения установившегося значения ЭДС электродной системы и не позволяет измерить во время апериодического процесса величину начального скачка выходного напряжения электродной системы и величину интервала времени, соответствующего характеристическому времени т экспоненциального из- менения выходного напряжения, следующего вслед за начальным скачком выходного напряжения, Кроме того, применение перехода от экспоненциального экранирования к экранированию ИСЭ нулевым потенциалом и перехода в обратном направлении делает неэффективным создание апериодического процесса для ЭДС электродной системы, близких к нулевому значению.

Цель изобретения состоит в расширении функциональных возможностей устройства, заключающемся в обеспечении измерения во времени апериодического процесса изменения напряжения на выходе электродной системы, величины начального скачка выходного напряжения и величины интервала времени, соответствующего характеристическому времени экспоненциального изменения выходного напряжения, следующего вслед за начальным скачком, а также в обеспечении реализации эффективного апериодического процесса для всего диапазона изменения ЭДС электродных систем.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля работоспособности стеклянного ИСЭ в процессе ионрмет- рического анализа, содержащем

510 1520

25 303540

45 5055

электродную систему, один вывод которо от электрода сравнения подключен к обще& шине устройства, другой вывод от стеклян ного ИСЭ экранированным кабелем подс$ единен к входу высокоомного повторите напряжения (ВПН), управляемый перекидной контакт, общий вывод которого подклй)- чен к оплетке экранированного кабеля ИСЭ, нормальноразомкнутый вывод которого совместно со входом регистратора установи - шегося напряжения (РУН) подсоединены к выходу ВПН. Дополнительно введены источник калиброванного напряжения (HKHJ, подключенный к нормальнозамкнутому выводу управляемого перекидного контакта, дифференциатор и три устройства выборки- хранения (УВХ), все четыре входа которых подсоединены к выходу ВПН, дифференциальный индикатор нуля (ДИН), один вход которого подключен к выходу ВПН, а другой вход - к выходу сумматора напряжений, индикатор нуля (ИН) и двухуровневый компаратор (ДК), входы которых совместно подсоединены к выходу дифференциатора, линия задержки (ЛЗ), своим входом подключенная к выходу ДК, а также измеритель интервалов времени (ИИВ) и дифференциальный усилитель (ДУ), причем к управляющему запуском РУН-входу, на вход обнуления показаний ИИВ и к стробирую- щему выборку входу первого УВХ подключена шина, по которой подается управляющий сигнал на измерение первого значения установившегося напряжения на выходе электродной системы ко входу запуска ИИВ, к отпирающему входу ДИН и стробирующему выборку входу второго УВХ подключен выход ЛЗ, выход ИН подсоединен к стробирующему выборку входу третьего УВХ, выход которого подключен к шине, по которой регистрируется второе значение установившегося напряжения на выходе электродной системы. Выход ДИН подключен ко входу остановки ИИВ и к отпирающему входу ИН, выходы первых двух УВХ подсоединены, соответствен но„ на оба входа ДУ, выход которого подключен к шине, по которой регистрируется нормированное значение начального скачка напряжения на выходе электродной системы, и к одному из входов сумматора напряжений подключен выход второго УВХ.

На фиг. 1 схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый способ контроля работоспособности стеклянного ИСЭ в процессе ионометрического анализа; на фиг. 2 - эквивалентная схема предлагаемого устройства, позволяющая описать поведение электродной системы со

стеклянным ИСЭ при изменении характера экранирования такого ИСЭ.

Устройство содержит электродную систему 1, один вывод 2 которой от электрода сравнения подключен к общей шине устройства и другой вывод 3 которой от стеклянного ИСЭ экранированным кабелем подсоединен ко входу ВПН 4, управляемый перекидной контакт 5, общий вывод которого подключен к оплетке 6 экранированного кабеля ИСЭ, нормальноразомкнутый вывод которого совместно со входом РУН 7 подсоединены к выходу ВПН 4. ИКН 8, подключенный к нормальнозамкнутому выводу контакта 5, дифференциатор 9 и три УВХ 10. 11, 12, все четыре входа которых подсоединены к выходу ВПН 4, ДИН 13, один вход которого подключен к выходу ВПН 4, а другой вход - к выходу сумматора напряжений 14, ИН 15 и ДК 16, входы которых совместно подсоединены к выходу дифференциатора 9, ЛЗ 17. своим входом подключенную к выходу ДК 16, а также ИИВ 18 и ДУ 19, причем к управляющему запуском РУН 7 входу 20, на вход 21 обнуления показаний ИИВ 18 и к стробирующему выборку входу 22 УВХ 10 подключена шина 23, по которой подается управляющий сигнал на измерение первого значения установившегося напряжения на выходе электродной системы, ко входу 24 запуска ИИ В 18, к отпирающему входу 25 ДИН 13 и стробирующему выборку входу 26 УВХ 11 подключен выход ЛЗ 17, выход ИН 15 подсоединен к стробирующему выборку входу 27УВХ 12, выход которого подключен к шине 28, по которой регистрируется второе значение установившегося напряжения на выход электродной системы, выход ДИН 13 подключен ко входу 29 остановки-ИИВ 18 и к отпирающему входу 30 ИН 15, выходы УВХ 10 и УВХ 11 подсоединены, соответственно, на оба входа ДУ 19, выход которого подключен к шине 31, по которой регистрируется нормированное значение начального скачка напряжения на выходе электродной системы, и к одному из входов сумматора напряжений 14, второй вход которого подключен к выходу УВХ 11.

Для анализа сущности предлагаемого способа и наглядного объяснения принципа работы устройства, реализующего этот способ, рассмотрим эквивалентную схему на фиг. 2, с помощью которой оценим характер установления выходного напряжения электродной системы (точка А) после переключе- ния контакта S, меняющего характер экранирования ИСЭ. 1)э, Нэ, Сэ - соответственно, ЭДС электродной системы, сопротивление и емкость стеклянной мембраны ИСЭ; Сг и RK - соответственно, емкость и

сопротивление изоляции подводящего экранированного кабеля ИСЭ; Св - входная емкость измерительного устройства, анализирующего изменение напряжения на выходе электродной системы (в случае предлагаемого устройства - входная емкость ВПН), a U0 - напряжение ИКН. Эквивалентная схема составлена с учетом условия, что R пренебрежимо мало по сравнению со входным сопротивлением ВПН.

Рассмотрим переход от экранирования ИСЭ потенциалом Uo к эквипотенциальному экранированию, т.е. контакт S переключается из положения 1) в положение 2). В

исходном состоянии (в статике) на выход электродной системы установившееся напряжение Ui определяется соотношением

+

УО-ЦЭ ЯЭ+RK

R3

(5)

Установившееся значение напряжения на выходе электродной системы U2 после переключения S в положение 2) onределяет- 25 ся величиной Уэ, т.е.

(6)

Очевидно, что если в результате измере- ния 1Н и U2 они различаются на величину, не превышающую погрешность ВПН, то можно считать изоляцию кабеля исправной, т.е. из формул (5) и (6) следует, что . т.е. считаем что при исправной изоляции

Ui U24J3. (7)

Рассмотрим динамику процесса при смене характера экранирования (1) 2)).

В начальный интервал времени после переключения, определяемый быстродействием ВПН (время нарастания сигнала на выходе р), происходит перераспределение заряда на емкостях Ск, Сэ, Св. При выборе быстродействующего ВПН, когда время отклика сигнала на выходе ВПН (т. А ), to (tor - практически определяется соотношением Д/р , где Л - диапазон измеряемых напряжений на ВПН) существенно меньше величин R3C3, РэСк. RaCe, заряды на емкостях Св, Ск и Сэ в течении интервала времяни (0, tor) можно считать постоянными, т.е. при условии выполнения формулы (7)

(Ce+C3)U3-t-CK(U3-Uo)U(C3+CB). (8)

где U-- напряжение на входе и выходе ВПН по прошествии времни 10т. Отсюда легко

получить выражение (1), сделав подстановку j/ U--U3 для начального скачка напряжения.

Дальнейшее изменение напряжения на выходе электродной системы проходит экс- поненциально за счет протекания заряда через R3. Отсюда измерение характери Сти- ческого времени т ,т е. времени за которое величина выходного напряжения электродной системы от значения U- изменяется до фиксированной величины (U- -0,6321 Г)) и позволяет определить через известные параметры величину R3 по формуле (2).

Аналогично рассуждая для переключения контакта S из положения 2) в положение 1), получим следующие выражения (3) и (4).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии положение перекидного контакта 5 может быть выбрано произвольно: либо оплетка 6 подключена к ИКН 8, либо к ней подключен выход ВПН 4, Вначале проводится измерение первоначального установившегося напряжения на выходе системы 1. Коротким импульсом по шине 23, соответствующим команде измерить UГ, со входа 20запускается разовое измерение на РУН 7, по входу 21 обнуляется содержимое счетчика ИИВ 18 и с помощью УВХ 10 осуществляется выборка значения напряжения по выходу ВПН 4 стробированием этого УВХ по входу 22. После регистрации Ui по РУН 7 проводится переключение контакта S, в результате чего на выходе ВПН 4 появляется фронт напряжения, определяемый скоростью нараста- ния р ВПН. Дифференциатор 9 на своем выходе реагирует на такой резкий скачок напряжения на выходе ВПН 4 появлением импульса большой амплитуды, соответствующей величине р(т.к. (бУд /dt)max p). ДК 16, настроенный на уровне ±р /N. где , фиксирует выход сигнала dUA1 /dt за пределы ( -р /N, + р /N), выдавая одиночный узкий импульс по выходу. Время задержки ЛЗ 17 выбирается на уровне tor ВПН 4, вследствие чего узкий импульс на выходе ЛЗ. обеспечивающий запуск ИИВ 18 по входу 24, отпирание выхода ДИН 13 по входу 25 и стробирование выборки УВХ 11 по входу 26, появляется в момент, когда выходное напряжение ВПН 6 достигает пикового значения скачка. Зафиксированные на выходах УВХ 10 и УВХ 11 сигналы подаются на вход ДУ 19 с коэффициентом усиления .6321, в результате чего на выводе ДУ 19, а следо- вательно, и на шине 31, формируется нормированное значение величины скачка (-0,6321 ij) и, как следствие, на выходе сумматора 14 выставляется фиксированное напряжение , , с которым на ДИН 13 сравнивается выходной сигнал NAI. Как только UA сравняется с 11ф узким импульсом с выхода ДИН 13 по входу 26 останавливается счет времени в ИИВ 18, фиксирующем значение времени, соответствующее величине г экспоненциального спадания UA , Этим импульсом самозапирается выход ДИН 13 и отпирается ИН 15 по входу 30. Как только Уд1 выйдет к установившемуся значению, напряжение на выходе дифференциатора 9 станет равным нулю, а &§выходе ИН 15 появится импульс, самоза- гшрЗЮщий выход ИН 15 и стробирующий выборку на УВХ 12 по входу 27, При этом с выхода УВХ 12 по шине 28 осуществляется регистрация второго установившегося значения Ua на выходе электродной системы. Таким образом, в результате с помощью предлагаемого устройства регистрируются значения Ui, U-, Уу,т, по которым определяется исправность изоляции кабеля стеклянного ИСЭ и можно Судить о значениях величин Сэ и R3,

Формула изобретения

1.Способ контроля работоспособности стеклянного ионселективного электрода в процессе ионометрического анализа, включающий измерение установившегося значения напряжения электродной системы, создание апериодического процесса на электродной системе путем подачи на оплетку кабеля ионселективного электрода скачка напряжения иизмерение интервала времени, соответствующего характеристическому времени фазы экспоненциального изменения напряжения электродной системы, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия измерения и расширения функциональных возможностей способа, дополнительно измеряют величину начального скачка напряжения на электродной системе между апериодическими процессами, измеряют интервал времени и повторно измеряют установившееся значение напряжения электродной системы после измерения интервала времени и по величине разности установившихся значений напряжения электродной системы, измеренных до начала и после окончания апериодического процесса, судят о работоспособности стеклянного ионселективного электрода.

2.Устройство для контроля работоспособности стеклянного ионселективного электрода в процессе ионометрического анализа, содержащее электродную систему, один вывод которой от электрода сравнения подключен к общей шине устройства, а другой вывод от стеклянного ионселективного электрода экранированным кабелем подсоединен к входу высокоомного повторителя напряжения, управляемый перекидной контакт, общий вывод которого подключен к оплетке экранированного кабеля ионселективного электрода, а нормально замкнутый вывод с входом регистратора установившегося напряжения подсоединены к выходу высокоомного повторителя напряжения, о т личающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в устройство дополнительно введены источник калиброванного напряжения, подключенный к нормально замкнутому выводу управ- ляемого перекидного контакта, дифференциатор и три устройства выборки- хранения, все четыре входа которых подсо- единены к выходу высокоомного повторителя напряжения, дифференциаль- ный индикатор нуля, один вход которого подключен к выходу высокоомного повторителя напряжения, а другой вход - к выходу сумматора напряжений, индикатор нуля и двухуровневый компаратор, входы которых подсоединены к выходу дифференциатора, линия задержки, выход которой подсоединен к выходу двухуровневого компаратора, а также измеритель интервалов времени и дифференциальный усилитель, причем к уп-

равляющему запуском входу регистратора установившегося напряжения на вход обнуления показаний измерителя интервалов времени и к стробирующему выборку входу первого устройства выборки-хранения подключена шина, по которой подается управляющий сигнал на измерение первого значения установившегося напряжения на электродной системе, к входу запуска измерителя интервалов времени, к отпирающе- му входу дифференциального индикатора нуля и стробирующему выборку входу третьего устройства выборки-хранения, выход которого подключен к шине, по которой регистрируется второе значение установившегося напряжения на выходе электродной системы, выход дифференциального индикатора нуля подключен к входу остановки измерителя интервалов времени и к отпирающему входу индикатора нуля, выводу первых двух устройств выбор.кигхранения, подсоединены соответственно на оба входа дифференциального усилителя, выход которого подключен к шине, по которой регистрируется нормированное значение начального скачка напряжения на электродной системе, и к одному из входов сумматора напряжений, второй вход которого подсоединен к выходу второго устройства выборки-хранения.

Использование: экспрессная оценка состояния мембраны и изоляции кабеля стеклянных ионоселективных электродов в процессе ионометрического анализа. Сущность изобретения: состояние электрода рассчитывают благодаря величине емкости и активному сопротивлению мембраны ион- селективного электрода (ИСЭ), для чего устанавливают известные величины емкости экранированного кабеля ИСЭ, входную емкость измерительного устройства, напряжение источника калиброванного напряжения, характеристическое время фазы экспоненциального измерения напряжения электродной системы, дополнительно измеряют величину начального скачка напряжения на электродной системе между апериодическими процессами, интервал времени и повторно измеряют установившееся значение напряжения электродной системы после изменения интервала времени, Устройство для реализации способа содержит: электродную систему, высокоомный повторитель напряжения, управляемый перекидной контакт, регистратор установившегося напряжения, источник калиброванного напряжения, дифференциатор, три устройства выборки-хранения, дифференциальный индикатор нуля, сумматор напряжений, индикатор нуля, двухуровневый компаратор, линию задержки, измеритель интервалов времени и дифференциальный усилитель. 2 ил уЁ

Фиг.1

Фиг. г

А