Устройство для измерения разности потенциалов в ионпроводящих средах Советский патент 1993 года по МПК G01R29/12 

лировке; ограничивающие резисторы 5, б, 7, конденсаторы 11,12 и переключающие ключи 8, 9, 10, управляемые тактовым генератором 4 с регулируемой скважностью управляющих импульсов. В первом основном положении ключей, в течение одного такта; генератора, выходной сигнал усилителя заряжает через ограничивающий резистор выходной конденсатор, второй конденсатор заряжается непосредственно от выхода усилителя. При этом через контактные электроды и входное сопротивление усилителя протекает некоторый заряд, направление протекания и величина которого определяются входной разностью потенциалов. Во втором основном положении, в течение следующего такта

генератора, выходной конденсатор от выхода усилителя отключен, второй конденсатор отключен от выхода усилителя и от общей точки и через ограничивающие резисторы подключен к контактным электродам. Через ограничивающие резисторы и контактные электроды протекает заряд, равный по величине первому и противоположный по направлению протекания. Нулевой баланс протекающих через электроды зарядов достигается регулировкой скважности импульсов тактового генератора. Уменьшение протекающего через электроды среднего значения постоянного тока ведет к уменьшению поляризационного дрейфа электродных потенциалов, способствуя повышению точности измерений. 1 ил.

Использование: изобретение относится к электрофизическим измерениям, в частности к устройствам для измерения разности потенциалов меняющегося электрического поля в ионпроводящих, например природных, средах и может быть использовано в биологии, рыбном хозяйстве и океанографии, в инженерно-физических и геофизических исследованиях, в т.ч. в электроразведке, а также отнесено к измерителям общего назначения. Сущность изобретения: устройство содержит контактные электроды 1, 2, присоединенные к входу дифференциального усилителя 3 с коэффициентом усиления К 1; дополнительные контактные электроды 13, 14 с высокой поляризуемостью, применяемые при регу(Л

Изобретение относится к электрофизическим измерениям, в частности к устройствам для измерения разности потенциалов медленно меняющегося электрического поля в ионпроводящих, например природных, средах и может быть использовано в биологии, рыбном хозяйстве и океанографии, в инженерно-физических и геофизических исследованиях, в т.ч. в электроразведке, а также отнесено к измерителям общего назначения.

Цель изобретения - повышение точности измерений разности потенциалов в ионпроводящих средах за счет уменьшения временного дрейфа разности собственных потенциалов контактных электродов.

Поставленная цель достигается тем, что- в измеритель разности потенциалов в природной среде, состоящий из контактных электродов, присоединенных ко входам дифференциального усилителя, обладающим входными сопротивлениями первым и вторым и коэффициентом усиления К 1, а также тактового генератора, дополнительно введены резисторы третий, четвертый и пятый, переключающие ключи первый, второй и третий, конденсаторы первый и второй; выводы первого конденсатора подключены к переключающим контактам первого и второго ключей; один вывод второго конденсатора подан на общую точку (заземлен), а второй, являющийся выходом всего устройства, соединен с переключающим контактом третьего ключа; размыкающий контакт первого ключа соединен с выходом дифференциального усилителя, замыкающий контакт первого ключа через третий резистор соединен с неинвертирующим входом усилителя; размыкающий контакт второго ключа заземлен, замыкающий контакт второго ключа через четвертый резистор соединен с инвертирующим входом усилителя; замыкающий контакт третьего ключа через пятый резистор соединен с выходом усилителя; выход тактового генератора подключен к управляющим входам ключей; при этом выполняется соотношение

гз,4 (К-1)ти

где п.2 - значения сопротивлений первого и второго входов дифференциального усилителя

гз.41- значения сопротивлений третьего и четвертого дополнительно введенных резисторов.

Техническая сущность предлагаемого

устройства поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема устройства.

Устройство состоит из контактных электродов 1, 2, имеющих сопротивление Ri, R2,

дифференциального усилителя 3 с коэффициентом усиления К 1, инвертирующий и неинвертирующий входы которого имеют входные сопротивления R3 и R4 тактового генератора 4; дополнительно введенных резисторов 5, 6, 7 с сопротивлениями Rs, Re, R, переключающих ключей 8, 9, 10 и конденсаторов 11 и 12 с емкостями Си, Ci2. Выводы конденсатора 11 подключены к переключающим контактам ключей 8 и 9. Один

вывод конденсатора 12 подан на общую точку (заземлен), а второй, являющийся выходом всего устройства, соединен с переключающим контактом ключа 10. Размыкающий контакт ключа 8 соединен с выходом усилителя 3, замыкающий контакт ключа 8 через резистор 5 соединен с неинвертирующим входом усилителя 3. Размыкающий контакт ключа 9 заземлен, замыкающий контакт ключа 9 через резистор 6 соединен с инвертирующим входом усилителя 3. Замыкающий контакт ключа 10 через резистор 7 соединен с выходом усилителя 3. Выход тактового генератора 4 под- ключей к управляющим входам ключей 8, 9, 10. При этом скважность импульсов тактового генератора близка к 0,5 и имеется возможность ее регулировки, а также выполняются соотношения:

R1.2 « R3.4 R5.6-(K-1)R4,3 .

(1)

(2)

В устройство также введены дополнительные контактные электроды 13, 14 (не показаны), обладающие высокой поляризуемостью по сравнению с электродами 1, 2, например, вследствие относительно малой рабочей площади,

Устройство работает следующим образом. В первом основном положении ключей 8, 9, 10, показанном на фиг.1, разность потенциалов UBX

Uex(#2 + (e2-ei),

(3)

где 51.2 потенциалы среды в точках установки электродов 1, 2;

()- разность собственных потенциалов электродов 1, 2 поступает на входы усилителя 3. При этом ввиду выполнения соотношения (1) в цепи электродов протекает ток И

U

вх

( R3 + R4 )

(4)

который за время длительности Д tn текущего n-го тактового интервала, например нечетного, переносят через электроды 1, 2

заряд Ддп

Дгп -

U

вх

(Рз + R )

(5)

Одновременно усилитель 3 заряжает конденсатор 11 до разности потенциалов Un

UBX

(6)

в через резистор 7 подзаряжает выходной конденсатор 12.

Протекающий через электроды 1, 2 заряд Ддп в ионпроводящих средах вызывает изменения собственных потенциалов контактных электродов, возрастающее по мере увеличения протекшего заряда, например, при увеличении интервала времени Atn.

После прихода очередного тактового импульса от генератора 4 и перехода ключей 8, 9, 10 во второе основное положение, конденсатор 12 отключается от выхода усилителя 3, сохраняя установившийся на нем потенциал, а конденсатор 11 отключается от выхода усилителя 3 и от общей точки, и, сохраняя свой потенциал (6), через замыкающие контакты 8,9 и резисторы 5,6 подключается к электродам 1, 2. При этом, ввиду (1), (2), через электроды протекает ток fa, обратный по знаку току Н ;

I V

h Ue

UBX ( 1 К )

( R5 + Re ) ( R3 + R4 )

(7)

который за время длительности Atn+i последующего тактового интервала, например четного переносит через электроды 1, 2 дополнительный заряд Ддп-и, обратный по знаку заряду Ддп:

Ддл +i 12 Atn + 1 UB

(R3 + R4 )

ДТП +1 .

(8)

Протекший через электроды 1, 2 заряд Ддп + 1 вызывает обратные изменения собственных потенциалов контактных электродов, также возрастающие по мере увеличения протекшего заряда. При скважности S работы тактового генератора 4, близкой к 0,5

S

At

45(Atn+At + i или, что то же, при

Дь-Дь-н

50

и выполнении соотношений (5), (8) суммарный заряд q, прошедший через электроды 1, 2 за полный цикл работы тактового генератора и ключей, становится существенно ма

лым

0$ Iq I lqn + qn + 1 « Iqn. n+il, (10)

чем уменьшается суммарное изменение собственных потенциалов контактных электродов.

Очередной тактовый импульс генератора 4 возвращает устройство в первое основное положение.

Прошедший через электроды за полный

о

цикл заряд q и средний ток I могут быть представлены в форме

q li Atn -Н2 Atn -f 1 (Atn +Atn + i )X (1 -S)

(11)

0

q

(Atn 4-Atn +1 )

(1 -S).(12) При выполнении соотношения

(H/l2)--1(13)

следующего из (4), (7) и (91) правая часть (11) и (12) обращается в нуль при значении скважности S So

So

l2

(12-И)

(14)

Необходимое значение S0 легко может быть получено предварительной настройкой предлагаемого устройства путем подключения вместо электродов 1, 2 дополнительных электродов 13, 14 и регулировки скважности тактового генератора, при этом в качестве индикатора выполнения равенства (12) служит неизменность выходного напряжения устройства.

Уменьшение протекающего через контактные электроды среднего значения постоянного тока ведет к уменьшению временного дрейфа разности собственных потенциалов контактных электродов, тем самым способствуя повышению точности измерений,

Остановимся на некоторых особенностях работы устройства.

При работе устройства происходит смена направления тока, проходящего через электроды. Таким образом, через контактные электроды протекает переменный ток с частотой f и значением I:

Ј ---i

(Atn +Atn + 1 )

Протекание через контактные электроды

переменного тока, как известно, способствует стабилизации разности собственных потенциалов контактных электродов.

Сопротивление R в цепи выходного конденсатора 12 создает, вместе с емкостью Ci2, фильтр нижних частот, препятствующий, в частности, прохождение на выход устройства частоты f. Вместе с тем, сопротивление 7 создает предпосылки для энергичной зарядки конденсатора 11, отделяя его от шунтирующей емкости конденсатора 12. .

Во втором основном положении устройства ввиду (11) практически весь ток, разряжающий конденсатор 11 через резисторы 5,

б замыкается через электроды 1,2, создавая в течение интервала Atn + 1 на входе усилителя сигнал UBX UBx. При этом на выходе усилителя 3 создается выходной сигнал U KUex, который на выход устройства не

поступает.

Приемлемая длительность тактовых интервалов Atn, п+1 определяется таким соотношением между полным циклом P(Atn+ Atn-м) работы устройства, емкостью

Си конденсатора 11 и спектральным составом исследуемого сигнала, при котором можно утверждать, что исследуемый сигнал мало изменится за время Т. При этом время заряда Тз конденсатора 11 через выход усилителя 3 должно быть много меньше, а время его разряда Траз через сопротивление 5, 6 много больше, чем Т. Это соответствует выполнению соотношений

Т « Тс;

T3 RebocCn«T;

Траз (Н5+Кб Сц Т,

(17)

(18)

(19)

где Тс - оценка периода высшей значимой частоты исследуемого сигнала;

RBBIX - выходное сопротивление усилителя,

Использование предлагаемого устройства для измерения разности потенциалов в ионпроводящих средах обеспечит по сравнению с известными техническими решениями следующие преимущества:

- более высокую точность измерения;

- более простое конструктивное решение из-за отсутствия охранных колец.

91817041 10

Формулаизобретенияго соединен с замыкающим контактом второго ключа, а выход соединен с размыкаюУстройство для измерения разностищим контактом первого ключа и через

потенциалов в ионпроводящих средах, со-третий резистор с замыкающим контактом

держащее контактные электроды, диффе-5 третьего ключа, переключающий контакт коренциальный усилитель и тактовыйторого соединен с выходной шиной и пергенератор, выход которого соединен с уп-вым выводом первого конденсатора, второй

равляющими входами первого и второговывод которого подключен к общей шине,

кл ючей, отличающееся тем, что, с цельюразмыкающий контакт второго ключа соедиповышения точности измерений, в него вве-10 нен с общей шиной, его переключающий

дены третий ключ, три резистора и два кон-контакт через второй конденсатор соединен

денсатора, причем контактные электродыс переключающим контактом первого клюподключены к входам дифференциальногоча, а выход тактового генератора соединен

усилителя, неинвертирующий вход которо-С управляющим входом третьего ключа.

15