Измеритель импеданса электрохимических систем

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и служит для повышения точности измерения неосновной составляющей импеданса, в особенности при отношениях составляющих. значительно отличающихся от единицы. Измеритель содержит ячейку 1 с электродами сравнения 2, вспомогательным 3, рабочим 4 и поляризующим 5, пористую диафрагму 6, трансформатор 7 тока , потенциостат 9, блок 11 фазочувствительных детекторов, электронноуправляемый аттенюатор 12, генератор 13 гармонических колебаний, усилитель 14, преобразователь 15 тока в напряжение, квадратурный фазовращатель 17 и блок 20 индикаторов. Для достижения поставленной цели введены повторитель 8 напряжения, коммутатор 16, электронно-управляемый аттенюатор 18, модульный указатель 19 квазиравновесия и образованы новые функциональные связи. 1 ил. с (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

8812 А 2 (19) (11) (51 ) 4 С 01 R 27/02

4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

00 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1101756 (21) 4129147/24-21 (22) 24.07.86 (46) 23.01.88. Вюл. N 3 (71) Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО

AH СССР (72) С.П. Новицкий и А.А. Волошин (53) 621.317.333 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N> 1101756, кл. G 01 R 27/02> 1984. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ИМПЕДАНСА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и служит для повышения точности измерения неосновной составляющей импеданса, в особенности при отношениях составляющих, значительно отличающихся от единицы.

Измеритель содержит ячейку 1 с электродами сравнения 2, вспомогательным

3, рабочим 4 и поляризующим 5, пористую диафрагму 6, трансформатор 7 тока, потенциостат 9, блок 11 фазочувствительных детекторов, электронноуправляемый аттенюатор 12, генератор

13 гармонических колебаний, усилитель 14, преобразователь 15 тока в напряжение, квадратурный фазовращатель 17 и блок 20 индикаторов. Для достижения поставленной цели введены повторитель 8 напряжения, коммутатор 16, электронно-управляемый аттенюатор 18, модульный указатель 19 квазиравновесия и образованы новые функциональные связи. 1 ил.

1368812

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может быть ис— польэовано преимущественно для изучения свойств электрохимических сис5 тем по результатам измерений импеданса этих систем в широком диапазоне частот при их поляризации заданным током или потенциалом и является усовершенствованием известного устройст- 10 ва по авт. св. Ф 1101756.

Цель изобретения — повышение точности измерения неосновной составляющей импеданса, в особенности при отношениях составляющих, значительно (на порядок и более) отличающихся от единицы.

На чертеже показана функциональная схема измерителя импеданса электрохимических систем. 20

Измеритель содержит ячейку 1 с раствором, электрод 2 сравнения, вспомогательный 3, рабочий 4 и поляризующий 5 электроды, пористую диафрагму 6, трансформатор 7 тока, повто- 25 ритель 8 напряжения, потенциостат 9, соединительный кабель 10, блок 11 фазочувствительных детекторов, первый электронно-управляемый аттенюатор 12, генератор 13 гармонических 30 колебаний, усилитель 14, преобразова— тель 15 тока в напряжение, коммутатор 16, квадратурный фазовращатель

17, второй электронно-управляемый аттенюатор 18, модульный указатель 19

35 квазиравновесия и блок 20 индикаторов, Причем в ячейку 1 с раствором погружены электрод 2 сравнения, вспомогательный 3, рабочий 4 и поляризующий 5 электроды. Поляризующий элек- 40 трод 5 отделен от основного объема ячейки пористой диафрагмой 6, что предотвращает попадание в основной объем ячейки продуктов реакции, образующихся на поляризующем электроде при протекании через него постоянной составляющей тока. Рабочий электрод 4 через первичную обмотку трансформатора 7 тока и выход повторителя 8 напряжения соединен с общим проводом измерителя. Потенциостат 9 своими потенциальными входом и выходом соединен соответственно с электродом 2 сравнения и поляризующим электродом

5. Между общим проводом и вспомогательным электродом 3 через соединительный кабель 10 подключены сигналь4 ный вход блока 11. фазочувствительных детекторов и выход первого электронно-управляемого аттенюатора 12, сигнальный вход которого соединен с генератором 13 гармонических колебаний, а управляющий вход через обнаружитель и усилитель сигнала ошибки задания требуемого значения переменной составляющей тока рабочего электрода 4 и измерительный преобразователь 15 тока в напряжении соединен с первым выводом вторичной обмотки трансформатора 7 тока. Выход измерительного преобразователя 15 тока в напряжение соединен с первым входом коммутатора 16, опорным входом блока 11 фазочувствительных детекторов и с входом квадратурного фазовращателя 17, соединенного своим выходом с вторыми входами опорного блока 11 фазочувствительных детекторов и коммутатора 16, объединенного своим выходом с входом второго электронноуправляемого аттенюатора 18 и первым входом модульного указателя 19, квазиравновесия, второй вход которого соединен с входом повторителя 8 напряжения, первым входом блока 20 индикаторов и выходом электронно-управляемого аттенюатора 18, подключенного управляющим входом к выходу модульного указателя квазиравновесия, второй и третий входы блока индикаторов соединены с выходами блока фазочувствительных детекторов.

Измеритель импеданса электрохимических систем работает следующим образом.

В исходном состоянии коммутатор 16 установлен в положение, соответствующее нулевому потенциалу на его выходе. В цепи измерителя, включающей в себя последовательно соединенные выход электронно-управляемого аттенюатора 12, соединительный кабель 10, участок электромеханической ячейки между вспомогательным 3 и рабочим 4 электродами с измеряемым импульсом

Z„, первичную обмотку трансформатора 7 тока и выход повторителя 8 напряжения, организуется режим заданного значения гармонической составляющей тока Ip. Для этого ток Ip через трансформатор 7 тока передается в измерительный преобразователь 15 тока в напряжение, формирующий напряжение

Б,, равное

I1Kx K<5 IKlKis

1368812

20

/UÄ / (2) 25 ют

Л, / = и, /// к, к „!

rye Чн

П,5 Е, Е8

Ке

Kie

55 причем тельно, Ф ка ? где К, и К« — соответственно коэффициенты передачи трансформатора 7 тока и измерительного преобразователя 15 тока в напряжение.

Напряжение Б« в обнаружителе и усилителе 14 сигнала ошибки детектируется, сопоставляется по уровню с заданным образцовым U» после чего выделенный сигнал ошибки здесь же усиливается и поступает на управляющий вход электронно-управляемого аттенюатора 12, изменяя его выходное напряжение, а следовательно, величину тока I так, что пренебрегая погрешностью статиэма, на входе обнаружителя и усилителя 14 сигнала ошибки имеет место равенство

Из выражения (2) с учетом (1) имеЕсли в рабочей области частот измерителя К7 K> H K1,s K<>, zo эначе

)Ip(= U0/К1 V« = V = const u зависит от изменения измеряемого импеданса Z В рассматриваемом измерителе направление вектора U принято за начало отсчета фазовых углов других векторов. Поэтому напряжение U в качестве опорного подается на входы блока 17 фазочувствительных детекторов и квадратурного фазовращателя 17.

Ток Ip, протекая через измеряемый импеданс Z, создает на нем падение напряжения

Ue = Ip Z „= K l Z„) (co s (p„+ j s in „)

= КК+ КХ, (3) фазовый сдвиг между вектоами О„ и I — 1;

) Z„ /cos(p„;

rZ / sing„— действительный и мнимый компоненты импедано

2н векторы I u U противофазны.

Так как в исходном состоянии измерителя напряжения на первичной обмотке трансформатора 7 тока и на

50 выходе повторителя 8 напряжения равны нулю (вторичная обмотка трансформатора работает в режиме, близком к короткому замыканию из-за низкого входного сопротивления измерительного преобразователя 15 тока в напряжение), а коммутатор 16 в исходном состоянии измерителя установлен в положение "0", т.е. подключен к общему проводу, то напряжение Уд, сформированное на выходе первого электронно-управляемого аттенюатора 12, равно U Напряжение Ц поступает в блок

11 фазочувствительных детекторов, где раскладывается на действительный и мнимый компоненты

ReU, = К)Е„! cost/„= KR;

ImU,1 = K/Z„/ sin(p„= КХ, по которым непосредственно отсчитывают искомые R H X компоненты измеряемого импеданса Z„, выражение (3).

Если в измеряемом импедансе преобладает один из компонентов, то с целью обеспечения повышения точности измерения неосновного компонента коммутатор 16 устанавливают в положение, соответствующее характеру преобладающего компонента. В электрохимических системах соотношения 1 c tg 8 = R/Х >)! традиционны.

Рассмотрим пример работы устройства в случае измерения импеданса

Ен с преобладающим компонентом R.

При указанном соотношении компонентов Z я коммутатор 16 устанавливают в положение R и на входы электронноуправляемого аттенюатора 18 и модульного указателя 19 квазиравновесия поступает напряжение U s с выхода измерительного преобразователя 15 тока в напряжение. Напряжение U« масштабируется по уровню в электронноуправляемом аттенюаторе 18 и затем через повторитель 8 напряжения прикладывается между вторым концом первичной обмотки трансформатора 7 тока и общим приводом. При этом напряжение

1; значение коэффициентов передачи соответстнующюх узлов, Ф и U,e синфазны и, следовапротивофаэны напранлению тоЗначение коэффициента К, ус1368812 танавливается модульным указателем

19 квазиравновесия таким образом, что в измерительной цепи имеет место квазиравновесие характеризуемое соотФ

5 ношением (,u„=tI u„-(u„- оо„)(-(о„-(u„+

+ «о„)() <:„= (Iu<(-)uu<1) <:„= v, (()

10 где К вЂ” коэффициент передачи указа 9 теля 19.

Если соотношение (4) не выполняется, т.е. bU(9 > 0 или h,U, (0, то на выходе модульного указателя 19 квазиравновесия формируется соответственно положительное напряжение и К,< возрастает или отрицательное напряжение и К, уменьшается. Изменение

К,в происходит до тех пор, пока соот- 20 ношение (4) не будет выполнено. При этом в измерительной цепи справедливы следующие соотношения:

" в R(- U(г Ип0, = О;

) U, ) = ImU„= KZ„s in „; (5)

/ U(s / = ReU,I) = KZ )< cos(gI< . (6)

При преобладающем значении мнимого компонента (Х) импеданса Z)j коммутатор 16 устанавливают в положение Х.

В этом случае входы электронно-управляемого аттенюатора 18 и модульного указателя 19 кваэиравновесия подклю- 35 чены к выходу квадратурного фазовращателя 17, формирующего напряжение

U I = j U(. При достижении кваэиравновесия, характеризуемого равенством 40

<о,, =(/о.-j(u, ьо„)) — /v,—

— j(v„+ <,u„)() «„= v, (7)

45 в измерительной цепи имеют место соотношения

U, U„- jU(s, е о,в} ImU, О, 50

j U

) j U<в/ = ImU„= KZ„sing„. (9)

Как следует из выражений (5), (6) и (8), (9) при достижении в измерительной цепи кваэиравновесий (4) или (7) искомые значения компонентов R и Х импеданса 2„ можно непосредственно отсчитать по значениям модулей выходных напряжений 0„ (U12 ) и Ugg ()1)ш) электронно-управляемых аттенюаторов

12 и 18 или по значениям их коэффициентов передачи К, и К, .

Если условие квазиравновесия установлено грубо (например, в случае необходимости достаточно высокого быстродействия модульного указателя квазиравновесия дискретность установки коэффициента передачи электронно-управляемого аттенюатора ЬК(выбирается большой, в частности д К,в = О, 01

Ке „„,), то вектор напряжения U< (или

U, ) содержит в себе информацию как о неосновной компоненте U„, так и о пере или недокомпенсированном значении преобладающей компоненты. В этом случае отсчет преобладающего компонента Z д производят по сумме отсчетов значения модуля компенсирующего напРЯжениЯ U и jU(s и выходного напряжения (с учетом полярности) блока 11 фазочувствительных детекторов, опорный сигнал которого коллениарен преобладающему компоненту ZI,, отсчет неосновного компонента производят по значению выходного напряжения фазочувствительного детектора, опорный сигнал которого коллениарен с неосновным компонентом.

Формула изобретения

Измеритель импеданса электрохимических систем по авт. св.

У 1101756, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения неосновной составляющей импеданса, в него дополнительно введены коммутатор, модульный указатель кваэиравновесия, электронно-управляемый аттенюатор и повторитель напряжения, выход которого включен между вторым зажимом первичной обмотки трансформатора тока и общей шиной иэме рителя импеда н са, а вход соедине н с первыми входами модульного указателя квазиравновесия и блока отсчетных устройств и выходом второго электронно-управляемого аттенюатора, соЕдиненного своим управляющим входом с выходом модульного указателя квазиравновесия, а сигнальным входом с вторым входом модульного указателя квазиравновесия и выходом коммутатора, первый вход которого соеди— нен с выходом измеритеJIhHol преобразователя тока в напряжение, а второй вход соединен с выходом квадратурного фазовращателя, а третий — с общей шиной измерителя импеланса.