Способ регулирования электрохимических преобразователей Советский патент 1978 года по МПК H01G9/22 

напряжения смещения в пределах горизонтального участка вольт-амперной характеристики и безотносительно к величине на;пряжения смещения экранирующего электрода другого экранированного отсека миогоэлектродного электрохимического преобразователя, например, тетрода 2. Если экраиирующий электрод .используют для считывания выходного тока, его .подключают .к источнику питания через сопротивление нагрузки. При этоМ напряжение смещения экранирующего электрода .изменяется в процессе работы преобразователя вследствие из-менения падения напряжения на сопротивлении нагрузки. Это учитывают выбором величин напряжения источника питания экранирующего электрода и со.прот;ивле1шя нагрузки в его цепи, например, с помощью статистических выходных характеристик и нагрузочной прямой прео:бразователя. Если пита.ние экранирующего электрода осуществляют через делитель напряжения, .для повышения надежности это напряжение стаб.илизируют. Наконец, в датчиках знаколеременных неэлектрических величин осуществляют перекрестное включение .злектродоз, когда экранирующий электрод одного отсека и противоэлектрод другого отсека нопар.но подключены к отдельному источнику питания 3. Такое включение электродов и-меет делью ликвидацию понижения :сонцентрации реа.гента в зоне, близлежащей ко входам отверстий в экранирующих электродах со стороны экранируемых ими отсеков. Применение экранирующего электрода спосОбствует уменьшению электрического и гидродин аМич ее ко го сопротивлений между отсеками преобразователя, а следовательно, увелиЧбнию его чувствительности.

Недостатком известного способа регулирозани1Я характеристик электрохимических преобразователей с иопользованием экранирующего электрода является естественная диффузия реагента, обусловленная из-менением концентрации реагента в экранируемом отсеке, скорости течения электролита через отверстая в экранирующем электроде, а также изменением койструктиБНых параметров устройства на основе преобразователя - относительно :их начальных вел.ИЧйн, нри которых эта .диффузия отсутствовала. Проявлением естественной диф:фузии реагента электролита .в электрохимических нреобразователях является, напри мер, дрейф нулевого уровня зыходного сигнала, временной дрейф выходпого сигнала, нелинейность и асимметрия характеристики преобразования. Эти явления снижают точность работы элекирохимических лрео.:бразавателей, ограничивают динамический диапазон их точной работы, а в некоторых преобразователях - и время их непрерывной работы пр.и входном воздействии одного знака.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона работы электрохимических преобразователей посредством устранения естественной диффузии реагента электролита.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе регулирова.ния характеристик электрохимических преобразователей с использованием сигнала с экранирующего электрода поддерживают неизменной начальную величину концентрации реагента у поверхности этого электрода путем регулирования его напряжения смещения с помощью сигналов, полученных измерением тока экранирующего или иного другого электрода в экранируемом отсеке и концентрационной э.д.с. между экранирующим электродом и электро.до1М сравнения, расположенным вне экранируе:.1ого отсека в зоне электролита с концентрацией реагента, близкой к концентрации у поверхности экранирующего электрода.

При регулировании с помощью сигналов, полученных измерением тока экранирующего или иного другого электрода в экранируемом отсеке, напряжение смещения экранирующего электрода изменяют «а величину, определяемую соотношением Нер.нста для концентрационной Э.Д.С., в котором отношение концентрацией заменяют отношением текущего и начального зна.чений измеряемого тока.

При регулировании с помощью сигналов, полученных измерением концентрационной э.д.с. между экранирующим электродом и электродом сравнения, поддерживают неизменной начальную величину этой э.д.с.

В преобразователях с .несколькими экранированными отсеками .и отдельными .источнпками напряжений смещения эк;ран:Ирующ.их электродов в качестве электрода сравнения берут экранирующий электрод другого экранированного отсека, а начальную величину концентрационной э.д.с. между ними устанавливают равной нулю при закороченных противоэлектродах экранируемых цепей.

На фиг. 1 изображен усилитель на С1триоде; на фиг. 2 - интегратор на тетроде; на фиг. 3 - датчик разности давлений.

В этих устройствах величины напряжений между электрода.ми преобразователя не превышают 0,7 В для водных растворов электрол.ита и 1,5 В - для растворов в диметилформамиде. Как обычно, эти устройства включают в себя электрохимические преобразователи Л источники 2. напряжений смещения и сопротив.ления 3 нагрузки. Для реализации предлагаемого способа они дополнительно содержат регуляторы 4 напряжений смещения, имеющие низкое выходное сопротивление, и подключаемые на время их наладки микровольтметры 5, имеющие высокое входное сопротивление. Регулятор 4 представляет собой усилитель .напряжения с положительной обратной связью по выходному току и с логариф.мической сквозной характеристикой, например, .магнитный усилитель с самоподмагничиванием. В каждо м устройстве сопротивление 3 нагрузки и выход регулятора 4 включены последовательно с цепью считывающего влектрода 6 и общего электрода 7. Работа этой цепи в режиме предельного диффузионного тока обеспечивает возможность считыва«и,я выходного сигнала, например, по величИНе тока, проходящего через сопротивление 3 на грузки, по величине падения напряжени1Я на этом сопротивлении или по разности токов двух таких цепей, как в датчике разности давлений (ф,иг. 3), с использова 1ием лотометра, например М424. Кроме того, этой цепи препятствует естественной д-иффузиИ реагента через отверстия .в считывающем электроде 6, благодаря его восстановлению на поверхности электрода 6 и окислению на поверхности электрода 7. С1-триод усилителя (фиг. 1) имеет один экранируемый отсек между считывающим 6 и о бщИМ 7 электрода ми, называемый интегральным отсеком. Во втором отсеке, называемом резервуаром и содержащем входной электрод 8, концентрация реагента близка к концентра-ции у поверхности электрода 6 благодаря работе последнего в режиме предельного диффузионного тока. Поэтому .использование электрода 8 в качестве электрода сравнения позволяет достаточно точно судить об изменении концентрации реагента у поверхности электрода 6. Для этого измеряется концентрадионная э.д.с. между электродами 6 и 8 с помощью -микровольтметра 5. При этом, благодаря различию материалов электродов 6 и S, концентрацио«ная э.д.с. между ними не равна нулю прИ равных концентрациях реагента у их поверхностей, и .поддержание неизменной на1чальной величины реагента у поверхности электрода 6 сводится к по.ддержанию неизменной начальной величины концентрационной э.д.с. между электродами (; и 8. Поскольку электроды 7 и 5 служат для подключения источника входного сигнала, участок электролита между электрода.ми 6 и 8 является частью входной цепи преобразователя /. Падение напряжения на этом участке от проходящего по нему входного тока исказит измерение концентрационной э.д.с. между электродалШ 6 -я 8, поэтому оно пронзводится только во время даладки регулятора 4 прц отключенном источнике входного сигнала. Эта наладка производится в два этала, соответствующих противоположным полярностям входного напряжения одной амплитуды. Во-первых, при минимальной концентрации реагента в промежутке между электродами 5 и 7 установкой нуля регулятора 4 устанавливают начальную величину напряжения смеидения электрода 6 вблизи нижнего предела горизонтального участка выходной вольт-аМперной характеристики О.1-триода И измеряют начальную величину концентрационной э.д.с. между электрода ми б и S с помощью микрогольтметра 5. Во-вторых, :прИ максимальной концентрации реагента в промежутке между электродами б и 7 ал.И|бровкой регулятора 4 устанавливают веичину напряжения смещения электрода 6, оответствующую начальной .величине ко;Нентрационной э. д. с. между электродами в 8. Если эта величина напряжения смещений лектрода 6 оказывается меньше (больще) ерхнего предела горизонтального участка ыжодной всшьт-амцерной .чарактер-ист1И.К|И 1-триода, соответственно увеличивают (уменьщают) а.мплитуду входного напряжения и повторяют наладку регулятора 4. Работа усилителя проис.ходит следующим образом. С (ПОдачей входного сигнала на электроды 7 -и S преобразователя / между этими электродами проходит входной ток. Пропорционально интегралу этого тока по времени и в соответствии с его направлением уменьщается (увеличивается) количество реагента на электроде В и соответственно увеличивается (уменьшается) концентрация реагента в промежутке между электродами б и 7. В результате этого изменяется концентрационная э. д. с. между электродад1и 7 и S, что противодействует входному току, и изменяется выходной ток, проходящий между электродами 6 и 7, через сопротивление 3 нагрузки и через выходную, а также, частично, входную цепи регулятора 4. Последнее приводит к изменению напряжения смещения считывающего электрода 6 на величину из.менения концентрационной э.д.с. .между электродами 7 и 8, поэтому поддерживается неизменной начальная величина концентр.ации реагента у поверх)гости электро.да 6. Это устраняет естественную диффузию реагента через отверстия в электроде 6, а поэтому - ,и компенсацию обусло.вленного этой диффузией приведенного ко входу тока внутренней утечю, осупдествляемуюв известных усилителях токо-м источника входного сигнала. Тетрод 1 в интеграторе (фиг. 2) имеет два экранируемых отсека: между считывающим 6 и общим 7 электродами, называемый интегральным, и между экранирующим 9 и входным 8 электродами, называемый резервуаром. Объе-м резервуара много больше объема интегрального отсека, поэтому концентрация реагента в нем практически постоянна. Экранирующий электрод 9 не используется для считывания выходного сигнала и не содержит в своей .цепи со.противления нагрузки, поэтому напряжение смещения этого электрода постоянно. В связи с постоянным режимом работы электрода 9 нет необходимости в регулировании его ;наиря1же.ния смещения, как для считывающего электрода 6; режим работы электрода 9 близок к режиму работы электрода 6, в связи с че.м он используется в качестве электрода сравнения для измерения концентрационного потенциала электрода 6 с полющью микровольтметра 5. Обычно электроды 6 и 9 выполнены из одного материала: графита, платины или ллатино-иридиевого сплава, поэтому концентрационная э. д. с. между ними равна нулюпри равной коицбнтрааии реагента у их яюверхностей. Поскольку электроды 7. и 9 с.тужат для подключения источнИка входногв сигнала, участок электролита между электродами 5 и 9 является частью входной .цепи преобразователя /. Падение напряжения :на этом участке от проходящего по нему вход.наго тока исказит измерение концентрационной э. д. с. между электродами 6 и 9, поэтОму оно производится только во время наладки регулятора 4 при отключенном источнике вход-ного сигнала. Эта наладка производится в два этала, соответствующие оптимальному равновесному состоянию тетрода и макси-мальной величине входного заряда, т. е. максимальному динамическому диалазону работы. Для фиксации оптимального равHOBecHOii-Q состояния закорачивают электроды 7 .и Я что способствует уравниванию концентраций реагента у -поверхностей этих электродов, а также в промежутках м«жду электрода-ми и 7 (в интегральном отсеке) и между электродами 5 и Р (в резервуаре). Затем установкой .нуля регулятора 4 устанавливают начальную величину напряжения смещения электрода 6 вблизи нижнего предела горизонтального участка выходной вольт-амперной характеристики тетрода. После этого устанавливают величину напряжения смещения экранирующего электрода 9, при -которой отсутствует ксищентраадионна.я э. д. с. между электродами 6 и 9, измеряемая микровольТМетром 5. При этом устанавливаются равными концентрадии реагента также и у поверхностей электродов 6 и 5. В таком состоянии тетрод / находится бесконечно долго как при закороченном входе, так и при открытом входе, т. е. изменение величины сопротивления мсточника входного сигнала не вызывает дрейфа выходного сигнала. Это обусловлено тем, что между электродами 7 и 5 отсутствует концентрационная э. д. с., а между электродами 6 и 5- естественная диффузия реагента. После сообщения тетроду входного заряда при открытом входе тетрода калибровкой регулятора 4 устанавл-Ивают величину нанряжения смещения 1электрода 6, при которой отсутствует концентрационная э. д. с. между электродами 6 и 9. Если эта велич-ина напряжеНИ1Я смещения оказывается меньше (больше) верхнего предела горизонтального участка выходной вольт-амперной характеристики тетрода, соответственно увеличивают (уменьщают) величину входного заряда и повторяют наладку регулятора 4, изменяя его калибровку. Работа интегратора ироисходит в основном так же, как и усилителя (фиг. 1), с той разницей, что противодействие концентрационной э. д. с. входно.му току нез-начительно, поскольку источник входного сигнала - генератор тока и его напряжение много больще концентрационной э. д. с. Кроме того, положительны.м эффектом устранения естественной диффузии реагСНта является не уменьшение потребления тока источника входного сигнала, что важно для реж-има усиления, а повышение линейности характеристики (Преобразования, уменьшение дрейфа .выходного сигнала и расширение динамического дианазона работы интегратора. При использовании тетрода в режиме усиЛйния, .а С,1-триода в режиме 1интегри1рава.ния сохраняются указанные положительные эффекты устранения естественной диффузии реагента, при этом рассмотренные методики наладки регулятора 4 будут несколько изменены. .Преобразователь механических величин / в датчике разности давлений (фиг. 3) имеет два экранируемых .отсека с электродами 6, 7 и .мембраной 10 в каж1дом отсеке. Принцип его действия основан на управлении течением электролита через отверстия в электродах 6 с помощью мембран 10 и на измерении тока конвективной диффузии реагента электролита с по-мощью этих электродов. Изменение концентрации реагента у поверхности электродов 6 обуслав.ливает изменение величин токов, проходящих через сопротивления 3 нагрузки, а следовательно, и падений напряжения на этих сопротивлениях. Для поддержани1Я неизменной .начальной неличины концентрации реагента у иоверхности экранирующих электродов 6, .служащих также для считывания выходного сигнала, необходимо регулировать напряжение смещ.ения каждого этого электрода с помощью регуляторов 4 в цепях их (питания. Лоскольк-у входным сигналом преобразователя 1 является неэлектрическая величина, регулирование этих напряжений может производиться как но току электродов 6, так и по концвнтрационной э. д. с. .между ними. Наладку же регуляторов 4 целесообразно пронзводить по концентрационной э. д. с., что проще и точнее. Эта .наладка производится так же, как в интеграторе (фиг. 2) с той разницей, что этапы наладки соответствуют оптим.альному рав.новесному состоянию преобразователя / и максимальной величине разности давлений одного из направлений ноочередноРабота датчика может быть рассмотрена для случая воздействия разности давлений одного направления, например, слева направо, т. к. она аналогично происходит для случа.я Противоположного воздействия. .При воздействии указанной разности давлений на мем.браны .10 преобразователя 1 через отверстия в электродах 6 происходит течение электролита слева направо, пропорциональное входному воздействию. В результате этого у левого электрода 6 ток возрастает, у правого - падает, а разность их гаропор.циональна скорости течения электролита, а следовательно, и разности давлений. Изменение величин токов электродов 6 воздействует на регуляторы 4 и приводит к изменению напряжений смещения электродов 6, поэтому поддерживается неизменной начальная величина концентрации реагента у поверхностей этих электродов. Тем устраняется естественная диффузия реагента через отверстия в электродах 6, что, как ,и в интеграторе (фиг. 2), приводит К повышению линейности характеристики иреобразования, уменьшению дрейфа выходного тока и расширению динамического дианазона работы. Испытания приведенных устройств подтвердили эффективность предложенного способа регулирования характеристик электрохимическ1их преобразователей и его преимущества перед известными способами: в усилителе уменьшено потребление тока источника входного сигнала, в интеграторе и датчике повышена линейность характеристики преобразования и расширен диапазон работы, во всех устройствах уменьшен дрейф выходного сигнала. Формула изобретения 1. Способ регулирования характеристик электрохимических преобразователей путем использования сигнала с экранируюш,вго электрода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона работы (посредством устранения естественной диффузии реагента электролита, поддерживают неиЗМенной начальную величину концентрации реагента у поверхности экранирующего электрода путем регулирования его напряжения смещения с помощью сигналов, полученных измерением тока, например, электрода в экранируемом отсеке и концентрационной э. д. с. между экранирующим электродом и электродом сравнения, расположенным вне экранируемого отсека в зоне электролита с концентрацией реагента, близкой к концентрации у поверхности экранирующего электрода. 2.Способ по п. 1, о г л и ч а ю щ и и с я тем, что, при регулировании по току напряжение см€Щ|ения экранирующего электрода изменяют на величину, определяемую соотношением Нернста для концентрационной э. д. с., в котором отношение концентраций заменяют отнощением текущего и начального значений измеряемого тока. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что при регулировании по концентрационной э. д. с. поддерживают неизменной начальную величину этой э. д. с. 4.Способ по пп. 1 и 3, отличающийс я тем, что в преобразователях с нескольюиМ:И экранированными отсеками и отдельными источниками напряжений смещения экранирующих электродов в качестве электрода сравнения берут экранирующий электрод другого экранированного отсека, а начальную величину концентрационной э. д. с. между ними устанавливают равной нулю при закороченных противоэлектродах экранируемых цепей. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Фиш М. Л. «Химотронные приборы в автоматике, Киев, 1967, с. 28-29. 2.Трейяр В. В. «Электрохимические интегрирующие и аналоговые и запоминающие элементы, М., 1971, с. 70-71. 3.Фкш М. Л. и др. «Некоторые вопросы проектирования линейных химотронных датчиков давления. Сб. Приборостроение, Киев, 1968, выл. 5, с. 18-22.

0

Риг 3