Измеритель импеданса электрохимических систем

 

ИЗМЕРИТЕЛЬ ИМПЕДАНСА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ, содержащий электрохимическую ячейку с электродом сравнения/ рабочим, вспомогател ным и поляризующим электродами, источник гармонических сигналов, соединенный с сигнальным входом регулятора гармонической составляющей тока ячейки, к выходу которого подключены сигнальный вход блока фазочувствительных детекторов и вспомогательный электрод, потенциостат, вход которого соединен с электродом сравнения , отличающийся тем, что, с целью расширения области рабочих частот и класса изучаемых объектов , в него введены измерительный преобразователь тока в напряжение и трансформатор тока, первичная обмот-ка которого включена между рабочим электродом и общей точкой, а вторичная подключена к входу измерительного преобразователя тока в напряжение , к выходу которого подключены опорный вход, блока фазочувствительных детекторов и управляющий вход (Л регулятора гармонической составляющей тока ячейки, выход потенциостата подключен к поляризующему электроду.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51) G 01 R 27 02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ ..-ь;,,-;,„:, {!

1 (21) 3479699 /18-21 (22) 30.07.82. (46) 07. 07.84. Бюл . 9 25 (72) С.П.Новицкий и A.A.Âîëîøèí (71) Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья

Сибирского отделения AH СССР (53) 621.317.75 (088.8) (зб) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 732764, кл . G 01 R 27/02, 1980, 2. Авторское свидетельство СССР

9 684465, кл. G 01 R 27/02, 1979. (.54)(57) ИЗМЕРИТЕЛЬ ИМПЕДАНСА ЗЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ, содержащий электрохимическую ячейку с электродом сравнения, рабочим, вспомогател ным и поляризующим электродами, источник гармонических сигналов, соединенный с сигнальным входом регулятора гармонической составляющей тока ячейки, к выходу которого подключены сигнальный вход. блока фазочувствительных детекторов и вспомогательный электрод, потенциостат, вход которого соединен с электродом срав- нения, отличающийся тем, что, с целью расширения области рабочих частот и класса изучае(ых объектов, в него введены измерительный преобразователь тока в напрзжение и трансформатор тока, первичная обмот-. ка которого включена между рабочим электродом и общей точкой, а вторичная подключена к входу измерительного преобразователя тока в напряжение, к выходу которого подключены опорный вход блока фазочувствитель- Е ных детекторов и управляющий вход регулятора гармонической составляющей тока ячейки, .выход потенциостата подключен к поляризующему электроду. С

1101756

Изобретение относится к электр измерительной технике и может быть использовано преимущественно для изучения свойств электрохимических сис.тем по результатам измерений импеданса этих систем в широком диапазоне частот при их поляризации заданным током или потенциалом, Известны мостовые измерители импеданса объектов, поляризуемых постоянным напряжением (1) .

Однако эти устройства непригодны для измерения импеданса современных наиболее совершенных электрохимических систем, представляющих собой ячейку с разделенными анодным и катодным 15 пространствами.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель, содержащий электрохимическую ячейку с электродом сравнения, рабо- 20 чим, вспомогательным и поляризующим электродами, источник гармонических сигналов, соединенный с сигнальным входоМ регулятора гармонической сос :тавляющей тока ячейки, к выходу кото-25 рого подключены сигнальный вход блока фазочувствительных детекторов и вспо-. могательный электрод,потенциостат, вход которого соединен с электродом сравнения j2j .

Однако известный измеритель при значениях измеряемого импеданса больших 10 OM и заданной погрешности измерения имеет сравнительно низкую рабочую частоту, вследствие шунтирования измеряемого импеданса паразитными проводимостями соединительных кабелей и проводимостями: ! входов потенциостата и блока фазочувствительных детекторов, выходов регуляторов гармонической и постоян- 40 ной составляющей тока ячейки. Это значительно сужает класс иэучаеьых электрохимических объектов. .Цель изобретения - расширение области рабочих частот и класса иэу- .45 чаемых объектов.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель импеданса электрохимических систем, содержащий электрохимическую ячейку с электродом-сравнения, рабочим, вспомогательным и поляризующим электродами, источник гармонических сигналов, соединенный с сигнальным входом регулятора гармонической составляющей тока ячейки, к выходу которого подключены сигнальный вход блока фазочувствительных детекторов и вспомогательный электрод, потенциостат, вход которого соединен с электродом сравнения, 60 дополнительно введены измерительный преобразователь тока в напряжение и трансформатор тока,. первичная обмотка которого включена между рабочим электродом и общей точкой, а вторич- 65 ная подключена к входу измерительного преобразователя тока в напряжение, к выходу которого подключены опорный вход блока фазочувствительных детекторов и управляющий вход регулятора гармонической составляющей тока ячейки, выход потенциостата подключен к поляризующему электроду.

На чертеже представлена электрическая функциональная схема предлагаемого измерителя.

Измеритель содержит электрохимическую ячейку .1, рабочий электрод 2, который через первичную обмотку трансформатора 3 тока и экранную оплетку кабеля 4 подключен к общей точке.

Центральная жила этого кабеля подклю-. чена между вспомогательным электродом

5 и выходом регулятора б гармойической составляющей тока ячейки, состоящей из выходного узла, которым является аттенюатор 7, сигнальный и управляющий входы которого соединены соответственно с выходами источника

8 гармонических колебаний и блока 9 сравнения, подключенного одним входом к источнику 10 постоянного напряжения, а вторым - через амплитудный детектор. 11, измерительный преобразователь 12 тока в напряжение и соединительный кабель 13 к вторичной обмотке трансформатора 3 тока. Блок

14 фазочувствительных детекторов сое динен своими сигнальным и опорным входами соответственно с выходами аттенюатора 7 и преобразователя 12 тока в напряжение.: Блок 15 регулирования тока и потенциала (потенциостат) подключен своим входом к элект роду 16 сравнения, а выходом — к поляризующему электроду 17, отделенному от основного объема ячейки пористой диафрагмой 18, препятствующей прохождению продуктов реакции, образующихся на поляризующем электроде, в основной объем ячейки.

Измеритель работает следующим образом.

Напряжение источника 8 гармонических сигналов через аттенюатор 7 прикладывается к последовательно соединенным участку электрохимической ячей ки между вспомогательным 5 и рабочим

2 электродами и первичной обмотке трансформатора 3 тока. Протекающий при этом через рабочий электрод 2 ток i передается во вторичную обмотP ку трансформатора 3 тока, а затем воспринимается и преобразуется. в напряжение 0, измерительным преобразователем 12 тока в напряжение. Напряжейие 0 = 1 К К1, где К3 и

К - коэффициенты передачи узлов трансформатора 3 и преобразователя

12, детектируется амплитудным детектором 11 и сравнивается в блоке 9 по уровню с постоянным опорным на1101756 пряжением источника 10. Полученная и усиленная в блоке 9 разность напряжений управляет коэффициентом переда- . чи аттенюатора 7 так, что ток I пренебрегая погрешностью статизма цепи автоматического регулирования, остается неизменным по модулю и равным

Поляризация рабочего электрода 2 заданным потенциалом производится с помощью потенциостата (регулятора по тенциала) 15. Для этого входная разность потенциалов между. рабочим .электродом 2 и электродом 16 сравнения сопоставляется по уровню с напряжением,. задаваемым потенциостатом 15. При этом на выходе потенцио-!

11= Ч /1К К1К Р 1о 1 3 11 12 (1) стата 15, подключенном к поляризующе10 му электроду 17 и общей точке, устагде К вЂ” коэффициент передачи ампли- нввливается такое напряжение, что

11 тудного детектора ll; отклонение его входной разности позначение напряжения источ- тенциалов от задаваемого значе-. о ника 10. ния напряжения не превышает поИз (1) видно, что при неизменных )$ грешности статизма петли автомаи известных значениях K> K« и К, тического регулирования потенциомодуль тока I однозначйо определяет- стата 15.

P ся значением напряжения Ч, . Следова- Вследствие подключения к первичтельно ной обмотке трансформатора 3 тока ветви, состоящей из последовательно

lIp! = Ч о / LK> К, K„(= K > (2). соединенных выхода регулятора 6 гармонической составляющей тока .ячейки где (К I — постоянная величина. и участка электрохимической ячейки

Ток I, протекающий на участке между вспомогательным 5 и рабочим ячейки между рабочим 2 и вспомога- >5 2 электродами, а также ветви, состельным 5 электродами с измеряемым тоящей из последовательно соединенных импедансом Ец, создает падение напря- выхода потенциостата 15 и участка жения Чц = I Е =. !К)Ец, равное выход- электрохимической ячейки между поляному напряжению ut аттенюатора 7Ф ризующим 17 и рабочим 2 электродами, т.е. исключено влияние на результаты измерения искомого импеданса проводимос-.

Ч = Ч = I Е = lK1Z> (3) тей следующих цепей: а) вспомогатель-..

Н 7 Р П ный электрод 5, электрод 16 сравнеИз уравнений (2) и (3) видно, что ния, вход потенциостата 15; б) вспоимпеданс Е может быть непосредствен- могательный электрод 5, диафрагма

И но отсчитан по выходному напряжению 35 18, поляризующий электрод 17, выход относительно вектора тока Х . потенциостата 15; в) паразиткой пропринятогО за начало фазового отсчета. водимости кабеля 4, центральная жила

Напряжение Ч7 поступает на сигналь-, которого пОдключена между выходом ный вход блока 14 фазочувствитель- регулятора 6 гармонической составляю4ых детекторов. На опорный вход это 4() щей тока ячейки и вспомогательным го блока подается напряжение li12 с электродом 5. Это достигнуто вследвыхода и мЬрительного преобразователя craze того, что токи, протекающие тока в напряжение 12,.равное v12 = через указанные проводимости, не про.I К K : и синфазное вектору тока текают через первичную обмотку р.з и при K = /К / и K = /K1 /.. B 45 трансформатора 3 тока, и, следователь.

Р 3 1г - 2 этом случае выходные напряжения . но, не влияют на величину рабочего блска фазОчУвствительных Детекто- тока ?о и величинУ выходного напРЯжеров прямо пропорциональны искомым ния Чт аттенюатора 7, однозначно хасоставляющим импеданса „ и равны рактеризующего, в соответствии с уравнением (3), величину измеряемо

Re (Ч1 V» J = l К!К11! Z>!созЧ. (4) ro импеданса Е>, т.е. эти проводиI> $V> Ч 2 = К)К11 Ен! sing мости не вносят частотно-фазовых, искажений в значение измеряемого где q -- угол сдвига фаз между током импеданса. Учитывая, что проводимость и напряжением (выражение ветви: вспомогательный электрод 5, ()) диафрагма 18, поляризующий электрод

К вЂ” коэффициент передачи блока

1ф 17 и выход потенциостата 15, не фаз очувствительных детекто влияет на значение измеряемого им-ров. педанса Е1,, потенциостат в отличие

В системе уравнений (4) вектор У12 от известного, может иметь любое вын т за начало фазового отсчета. во ходное сопротивление, т,е. в предобИскомые значения компонентов измеряе» ложенном измерителе отпадает Нео мого импеданса Z>,íåïocðåäcraåíío ходимость включения на выходе поотсчитывают по выходным напряжениям тенциостата преобразователя напряже(4) блока 14 фазочувствительных детек. ния в ток с большим выходным сопротив торов, . 65 лением.

1101756

Составитель Л.Сорокина

Редактор Н.Данкулич Техред С. Легеза Корректор С. Шекмар

Заказ 475 8/29 Тираж 7ll Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Включение между трансформатором 3 тока и входами 14 блоков фаэочувствительных детекторов и регулятора 6 гармонической составляюшей тока ячейки измерительного преобразователя 12 тока в напряжение обеспечивает вследствие низкого входного сопротивления преобразователя практически идеальный режим работы трансформатора 3 тока - режим короткого заьыкания но вторичной обмот- 10 ке; эквипотенциальность центральной жилы и экрана кабеля 13, соединяюшего трансформатор 3 тока и вход измерительного преобразователя 12. Такое включение позволило обеспечить 15 передачу значения рабочего тока Е н его преобразование в напряжение У„ с пренебрежимо малой (менее 0,5%) фазовой погрешностью во всей рабочей области частот измерителя.

Таким образом, описанное построение измерителя импеданса и использование в нем новых элементов (трансформатора 3 тока и измерительного преобразователя 12 тока в напряжение) позволило при измерении больших импедансов (больших 10 Ом) расширить.. не менее чем на порядок область рабочих частот, а следовательно, и значительно расширить класс изучаемых электрохимических объектов.