Низкочастотный измеритель комплексных проводимостей Советский патент 1979 года по МПК G01R27/00 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для электрохимических исследований.

Известен низкочастотный измеритель комплексных проводимостей, содержавший мостовую измерительную цепь, в одно из плеч которой включен исследуемый объект (электрохимическая ячейка), источники задающих напряжений, устройство поддержания .заданного напряжения на объекте, измеритель постоянной составляющей потенциала рабочего электрода и нуль-индикатор достижения равновесия измерительной цепи по переменному току 1.

Однако этот измеритель из-за ручного уравновещивания и переходных процессов, возникающих при коммутации элементов плеча сравнения, имеет низкое быстродействие, узкий диапазон рабочих частот и не позволяет проводить изучение исследуемого объекта в равновесных условиях, когда постоянная составляющая тока, протекающего через исследуемый объект, равна нулю.

Наиболее близким техническим рещением к изобретению является измеритель комплексных проводимостей, содержащий источники программно-изменяющегося и синусоидального напряжения, соединенные с входом сумматора, выход которого соединей с входом устройства сравнения, выход которого через усилитель сигнала рассогласования соединен с преобразователем напряжение-ток, выход которого соединен с вспомогательным электродом электрохимической ячейки, содержащей рабочий электрод и электрод сравнения, а также ключ, соединенный с одним входом фазового детектора, выходы которого соединены с индикатором, а другой вход - с выходом фазовращателя 2.

Недостатком этого измерителя комплексных проводимостей является узкий диапазон функциональных возможностей, так как невозможно производить измерения комплексной проводимости исследуемых объектов в равновесных условиях, что исключает возможность изучения этих объектов без нарущения действительной природы процессов.

Цель изобретения - расщирение диапазона рабочих частот.

Поставленная цель достигается тем, что в низкочастотный измеритель комплексных проводимостей, содержащий источник программно-изменяющегося напряжения, источник синусоидального напряжения, сумматор, повторитель напряжения, соединенный со сравнивающим электродом, введенным в электрохимическую ячейку, содержащую рабочий электрод, соединенный с общей шиной измерителя, и вспомогательный электрод, ключ, блок фазовых детекторов, выходы которого соединены с входом устройства индикации, введены фиксатор уровня, тактовый генератор, два дифференциальных усилителя, переключатель режима работы и резистор, причем выход источника программно-изменяющегося напряжения соединен с первым входом переключателя раОоты, второй вход которого соединен с выходом фиксатора уровня, а третий вход - с одним из выходов тактового генератора. Первый выход переключателя режима работы соединен с одним входом сумматора, а BTOpoii выход - с общей щиной измерителя. Быход сумматора соединен с одним входом первого дифференциального усилителя, другой вход которого соединен с одним из входов фиксатора уровня и с выходом повторителя напряжения. Другой вход фиксатора уровня соединен с другим выходом тактового генератора и с одним из входов ключа, другой вход последнего, соединен с вспомогательным электродом, а выход ключа непосредственно с одним входом и через резистор с другим входом второго дифференциального усилителя. Другой вход последнего соединен с выходом первого дифференциального усилителя. Выход второго дифференциального усилителя соединен с первым входом блока фазовых детекторогз, второй и третий входы которого соответственно соединены с одним и другим выходами источника синусоидального напряжения, другой выход последнего соединен с другим входом сумматора.

Фиксатор уровня выполнен из последовательно соединенных запоминающего элемента, аналого-цифрового преобразователя, счетчика импульсов, буферного регистра и цифро-аналогового преобразователя.

На чертеже приведена функциональная электрическая схема измерителя.

Исследуемым объектом является электрохимическая ячейка 1, выполненная в виде кюветы с электролитом, в который погружены рабочий 2 и вспомогательный 3 электроды, а также электрод 4 сравнения. Вспомогательный электрод 3 через ключ 5 и резистор 6 подключен к выходу дифференциального усилителя 7, один вход которого через повторитель 8 напряжения подключен к электроду 4 сравнения, а второй через сумматор 9 - к синфазному выходу источника 10 синусоидального напряжения и через переключатель И режима - к источнику 12 программно-изменяющегося напряжения или к выходу фиксатора 13 уровня, один вход которого соединен с выходом повторителя 8 напряжения. Входы ключа 5 и фиксатор 13 уровня подключены к тактовому генератору 14, который через переключатель 11 режима работы подключен к общей щине.

Блок 15 фазовых детекторов состоит из измерителя постоянной составляющей и измерителей действительной и мнимой компонент переменной составляющей напряжения на входе 16, подключенного через дифференциальный усилитель 17 к резистору 6. Входы 18 и 19 блока фазовых детекторов подключены к выходам источника 10 синусоидального напряжения. Выходы блока фазовых детекторов соединены с устройством 20 индикации.

Фиксатор 13 уровня состоит из последовательно соединенных запоминающего элемента 21, аналого-цифрового преобразователя 22, счетчика 23 импульсов, буферного регистра 24 и цифро-аналогового преобразователя 25.

Измеритель работает следующим образом.

При установке переключателя 11 режима работы в положение, изображенное на чертеже, измеритель работает в равновесном режиме. В этом режиме тактовый генератор 14, который своим выходным импульсом размыкает ключ 5 и отключает вспомогательный электрод 3 от измерительной цепи. Одновременно импульс тактового генератора 14 поступает на вход фиксатора уровня. При этом запоминающий элемент 21 . фиксирует текущее значение разности напряжений между электродом 4 сравнения и рабочим электродом 2.

Напряжение запоминающего элемента 21 преобразуется аналого-цифровым преобразовате.;1ем 22 в последовательный время-импульсный код, который считывается счетчиком 23 импульсов и затем задним фронтом импульса тактового генератора 14 засылается в параллельном коде в буферный регистр 24 для долгосрочного хранения. Параллельный код буферного регистра 24 преобразуется цифро-аналоговым преобразователем 25 в напряжение, равное напряжению рабочего электрода 2, которое через сумматор 9 поступает на вход дифференциального усилителя 7.

Во время паузы между импульсами тактового генератора 14 ключ 5 замкнут, и электрохимическая ячейка 1 подключена через резистор 6 к выходу дифференциального усилителя 7. Так как постоянные составляющие напряжений на входах дифференциального усилителя 7 равны, а из-за большого усиления дифференциального. усилителя переменная составляющая напряжения рабочего электрода 2 поддержи,- . вается равной напряжению источника 10 синусоидального напряжения, то выходной ток дифференциального усилителя 7, протекающий через резистор 6 и электрохимическую ячейку 1, равен

/1 92-4- ; ,

где ф2-4 и Т2-4 - напряжение и комплексная проводимость между рабочим электродом 2 и электродом 4 сравнения;

UQ - напряжение источника 10 синусоидального напряжения.

Ток /1 обусловливает на резисторе 6 падение напряжения f/e, равное

и, - f,R, ад, 2-4 К V2-4,

где К UoRe const;

jRe - сопротивление резистора 6, пря: МО пропорциональное комплексной проводимости участка рабочий электрод 2 - электрод 4 сравнения.

Напряжение 0 воспринимается дифференциальным усилителем 17 и поступает в блок фазовых 15 детекторов, где разделяется на действительную и мнимую составляющие, которые и индицируются устрой-. ством 20 индикации. С приходом переднего фронта следующего импульса тактового генератора 14 операции в измерителе повторяются, вследствие этого исключается протекание тока через электрохимическую ячейку 1 и обеспечивается поддержание равновесных условий.

Переход измерителя в режим заданного напряжения рабочего электрода 2 производят установкой переключателя 11 режима в положение, противоположное указанному на чертеже. В этом режиме тактовый генератор 14 выключен, а к входу сумматора 9 подключен источник 12 программно-изменяющегося напряжения t/ia. С помощью дифференциального усилителя 7 между рабочим 2 и сравнивающим 4 электродами поддерживается напряжение, равное . Следовательно, .выражение для напряжения на резисторе 6 имеет вид

f/6 (,, + и, Г2-4) ,

где Rz-i - сопротивление участка рабочий электрод 2 - электрод 4 сравнения по постоянному току.

Учитывая, что f/i2, Uo и R - известные величины, из последнего выражения следует, что первое слагаемое однозначно определяет постоянную составляющую тока электрохимической ячейки 1 (Uiz/Rz-i}, второе - искомую комплексную проводимость Т2-4.

Предложенное устройство по сравнению с известными позволяет производить изучение объектов с помощью переменного тока при сохранений равновесного режима объекта по постоянному току, т. е. позволяет исключить влияние измерительной цепи на природу процессов в объекте; расширить диапазон рабочих частот в инфранизкую область от единиц герц до нулевого значения.

6 Формула изобретения

1.Низкочастотный измеритель комплексных проводимостей, содержащий источник

программно-изменяющегося напряжения, источник синусоидального напряжения, сумматор, повторитель напрял ения, соединенный со сравнивающим электродом, введенным в электрохимическую ячейку, содержащую рабочий электрод, соединенный с общей щиной измерителя, и вспомогательный электрод, ключ, блок фазовых детекторов, выходы которого соединены с

входом устройства индикации, отличающ ий с я тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот, в него введены

фиксатор уровня, тактовый генератор, два дифференциальных усилителя, переключатель режимов работы и резистор, причем

выход источника программно-изменяющегося напряжения соединен с первым входом переключателя режима работы, второй вход которого соединен с выходом фиксатора уровня, а третий вход - с одним из

выходов тактового генератора, первый выход переключателя режима работы соединен с одним входом сумматора, а второй выход - с общей шиной измерителя, выход сумматора соединен с одним входом первоо дифференциального усилителя, другой вход которого соединен с одним из входов фиксатора уровня и с выходом повторителя напряжения, другой вход фиксатора уровня соединен с другим выходом тактового

генератора и с одним из входов ключа, другой вход последнего соединен с вспомогательным электродом, а выход непосредственно с одним входом и через резистор с другим входом второго дифференциального усилителя, при этом другой вход последнего соединен с выходом первого дифференциального усилителя, выход второго дифференциального усилителя соединен с первым входом блока фазовых детекторов,

второй и третий входы которого соответственно соединены с одним и другим выходами источника синусоидального напряжения, другой выход последнего соединен с другим входом сумматора.

2. Низкочастотный измеритель по п. 1, отличающийся тем, что фиксатор уровня выполнен из последовательно соединенных заломинающего элемента аналого-цифрового преобразователя, счетчика

импульсов, буферного регистра и цифроаналогового преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I. Соколов Ю. М., Тедорадзе Г. А., Аракелян Р. А. Измерение емкости двойного слоя на частотах от 1 до 20 Гц. «Электрохимия, № 4, т. 9, 1973, с. 554.

2.Авторское свидетельство СССР № 513326, кл. G 01R 27/00, 1974.