Способ контроля работоспособности стеклянного ионоселективного электрода в процессе ионометрического анализа и устройство для его осуществления

 

Использование: экспрессная оценка состояния мембраны и изоляции кабеля стеклянных ионоселективных электродов в процессе ионометрического анализа. Сущность изобретения: состояние электрода рассчитывают благодаря величине емкости и активному сопротивлению мембраны ионселективного электрода (ИСЭ), для чего устанавливают известные величины емкости экранированного кабеля ИСЭ, входную емкость измерительного устройства, напряжение источника калиброванного напряжения , характеристическое время фазы экспоненциального измерения напряжения электродной системы, дополнительно измеряют величину начального скачка напряжения на электродной системе между апериодическими процессами, интервал времени и повторно измеряют установившееся значение напряжения электродной системы после изменения интервала времени , Устройство для реализации способа содержит: электродную систему, высокоомный повторитель напряжения, управляемый перекидной контакт, регистратор установившегося напряжения, источник калиброванного напряжения, дифференциатор , три устройства выборки-хранения, дифференциальный индикатор нуля, сумматор напряжений, индикатор нуля, двухуровневый компаратор, линию задержки, измеритель интервалов времени и дифференциальный усилитель. 2 ил уЁ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (39) (!» (s»s G 01 N 27/416

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844472/25 (22) 03,07.90 (46) 23.12.92. Бюл. М 47 (71) Научно-производственное объединение

"Исари" (72) И. Н. Андреев и Ю. Н, Андреев (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1518769, кл. G 01 N 27/50, 1988. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТЕКЛЯННОГО ИОНСЕЛЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОДА В ПРОЦЕССЕ

ИОНОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: экспрессная оценка состояния мембраны и изоляции кабеля стеклянных ионоселективных электродов в процессе ионометрического анализа. Сущность изобретения: состояние электрода рассчитывают благодаря величине емкости и активному сопротивлению мембраны ионселективного электрода (ИСЭ), для чего устанавливают известные величины емкости экранированного кабеля ИСЭ, входную емИзобретение относится к ионометри, в частности обеспечивает экспресс-оценку состояния.мембраны и изоляции кабеля стеклянных .ионоселективных электродов (ИСЭ) в процессе ионометрического анализа, Известен способ и устройство для определения активного выходного сопротивления системы со стеклянным ИСЭ по падению йапряжения на образцовом сопротивлении, нагруженном на последовательно включенные известную ЭДС электродной системы и ЭДС образцовокость измерительного устройства, напряжение источника калиброванного напряжения, характеристическое время фазы экспоненциального измерения напряжения электродной системы, дополнительно измеряют величину начального скачка напряжения на электродной системе между апериодическими процессами, интервал времени и повторно измеряют установившееся значение напряжения электродной системы после изменения интервала времени, Устройство для реализации способа содержит: электродную систему, высокоомный повторитель напряжения, управляемый перекидной контакт, регистратор установившегося йапряжения, источник калиброванного напряжения, дифференциатор, три устройства выборки-хранения, дифференциальный индикатор нуля, сумматор напряжений, индикатор нуля, двухуровневый компаратор, линию задержки, измеритель интервалов времени и дифференциальный усилитель. 2 ил. го напряжения, Там же указано, что практически для подавляющего числа водных растворов активное выходное сопротивление электродной системы со стеклянным И С Э полностью определяется активным сопротивлением мембраны такого ИСЭ.

Недостатком укаэанного способа и устройства для его реализации является то, что они не обеспечивают определения емкости мембраны ИСЭ, по величине которой можно судить о степени загрязнения рабочей поверхности сектал ИСЭ, о толщине мембраны и т, д., а также не дают

1783403

ro изменения напряжения на выходе электродной системь1 в процессе одного единственного апериодического процесса специальной формы, реализованного подачей нэ оплетку кабеля стеклянного ИСЭ перепада напряжения, меняющего характер экранирования этого ИСЭ, а также величин установившегося напряжения до и после реализации указанного апериодического процесса, Поставленная цель достигается тем, что в. способе контроля .работоспособности стеклянного ИСЭ в процессе ионометрического анализа, включающем измерение установившегося значения выходного напряжения электродной системы, созда-. ние апериодического процесса изменения напряжения на выходе электродной системы, осуществляемое подачей на оплетку кабеля ИСЭ перепада напряжения, меняющего характер экранировэния этого электрода, а также измерения интервала времени, соответствующего ха рэктеристическому времени т экспоненциального из5 менения выходного напряжения электродной .системы, дополнительно вводятся следующие операции: измерение величины начального скачка напряжения на выходе электродной системы, осуществляемое в промежутке между операциями создания апериодического процесса и измерения интервала времени; повтОрное измерение установившегося значения напряжения электродной системы, следующее за операцией измерения интервала времени.

Причем о исправности изоляции кабеля

ИСЭ судят по величине разности установившихся значений выходного напряжения электродной системы, измеренных до начала и после окончания апериодического процесса, а затем о величинах емкости Сз и активного сопротивления R мембраны ИСЭ судат по формулам:

15 схему возвращают в исходное состояние, 20

35 элементов, например цепи электродной си- 40

50

Сз =Ск.информации об исправности изоляции кабеля стеклянного ИСЭ. Кроме того; при условии использования образцового сопротивления, близкого к сопротивлению мембраны (рекомендация, ток, протекающий через электродную систему способен вызвать поляризацию стекла ИСЭ, что затрудняет применение такого способа и устройства для его реализации непосредcTBoHHo s процессе ионометрического анализа.

Известен способ получения параметров комплексной электрической цепи заключающийся в том, что к исследуемой комплексной цепи подключают известный по величине (активный или реактивный) элемент, создают в такой цепи апериодический экспоненциальный процесс, измеряют установившееся значение напряжения, затем снова создают тем же напряжением апериодический, экспоненциальный процесс, и измеряют интервал времени от начала экспоненциального процесса до значения напряжения, равного фиксированной величине, после чего о величинах активной и реактивной составляющей комплексной электрической цепи судят по полученным цифровым эквивалентам измеренного установившегося значения напряжения и измеренного интервала времени.

Этот способ, принятый за прототип, предназначен для определения параметров простой комплексной цепи, состоящей из одного активного и одного реактивного элемента и не позволяет осуществлять оценку параметров более сложной комплексной цепи, имеющей в своем составе источник

ЭДС и несколько активных и реактивных стемы со стеклянными ИСЭ. Кроме того, специфика анализа при помощи стеклянных

ИСЭ обусловливает сверхмалые токи в измерительной цепи, что определяет значительную длительность переходных апериодических процессов (до десятков секунд и выше); и, как следствие, последовательное проведение двух апериодических циклов установления напряжения на выходе электродной системы займет значительное время, Цель изобретения состоит в повышении быстродействия и расширении функциональных возможностей способа, заключающихся в обеспечении определения исправности изоляции кабеля ИСЭ, а также емкости и активного сопротивления мембраны стеклянного ИСЭ зэ счет измерения и оценки величин начального скачка и характеристического времени экспоненциэльнойэ= z/(Ñs+Cв) (2) при создании апериодического процесса за счет перехода от экранирования ИСЭ потенциалом источника калиброванного напряжения Оо к его экспоненциальному экранированию, и по формулам

1783403

5 э — х /(Сэ+Св+С») (4) при создании апериодического процесса за счет перехода ль эквипотенциального акранирования ИСЭ к его экранированию по. тенциалом источника калиброванного напряжения Uo, где С» и CB — соответственно, известные величины емкости экранированного кабеля ИСЭ и входной емкости измерительного устройства; анализирующего изменение напряжения на выходе электродной системы, Ua — ЭДС электродной системы.

Известно также устройство для измерения ЭДС от электродных систем со стеклянными ИСЭ, с помощью которого возможно создание апериодичесокго процесса в электродной системе согласно предлагаемому способу, а также измерения установившегося напряжения на выходе электродной системы.

Это устройство, принятое за прототип, предназначено лишь для определения уста- новившегося значения ЭДС электродной системы и не позволяет измерить во время . апериодического процесса величину начального скачка выходного напряжения электродной системы и величину интервала времени, соответствующего характеристическому времени z экспоненциального изменения выходного напряжения, следующего вслед за начальным скачком выходного напряжения, Кроме того, применение перехода от экспоненциального экранирования к экранированию ИСЭ нулевым потенциалом и перехода в обратном направлении делает неэффективным создание апериодического процесса для

ЭДС электродной системы, близких к нулевому значению.

Цель изобретения состоит в расширении функциональных возможностей устройства, заключающемся в обеспечении измерения во времени апериодического . процесса изменения напряжения на вь1ходе электродной системы, величины начального скачка выходного напряжения и величины интервала времени, соответствующего характеристическому времени экспоненциального изменения выходного напряжения, следующего вслед за начальным скачком, а также в обеспечении реализации эффектив. ного апериодического процесса для всего диапазона изменения ЭДС электродных си-. стем.

Поставленная цель достигается тем,.что в устройство для контроля работоспособности стеклянного ИСЭ в процессе ионометрического анализа, содержащем электродную систему, один вывод которо1 от электрода сравнения подключен к o6 ej: шине устройства, другой вывод от стеклян ного ИСЭ экранированным кабелем подср5 единен к входу высокоомного повторителя напряжения (ВПН), управляемый перекидной контакт, общий вывод которого подклю, чен к оплетке экранированного кабеля ИС3, нормальноразомкнутый вйвод которого со10 вместно со входом регистратора устайови шегося напряжения (PYH) подсоединены ф выходу ВПН. Дополнительно введены ие точник калиброванного напряжения (MKH), . подключенный к нормальнозамкнутому вы15 воду управляемого перекидного контакта дифференциатор и три устройства выборкихранения (УВХ), все четыре входа которых подсоединены к выходу ВПН, дифференциальный индикатор нуля (ДИН). один вход

20 которого подключен к выходу ВПН, а другой вход — к выходу сумматора йапряжений, индикатор нуля (ИН) и двухуровневый компаратор (Д К), входы которых совместно подсоединены к выходу дифференциатора, .

25 линия задержки (ЛЗ), своим входом подключенная к выходу ДК, а также измеритель интервалов времени (ИИВ) и дифференциальный усилитель (ДУ), причем к управляющему запуском РУН-входу, на вход

30 обнуления показаний ИИВ и к стробирующему выборку входу первого УВХ подключена шина, по которой подается управляющий сигнал на измерение первого значения ус- тановившегося напряжения на выходе элек35 тродной системы ко входу запуска ИИВ, к отпирающему входу ДИН и стробирующему выборку входу второго УВХ подключен выход ЛЗ, выход ИН подсоединен к стробирующему выборку входу третьего УВХ, выход

40 которого подключен к шине, по которой регистрируется второе значение установившегося напряжения на выходе электродной системы, Выход ДИН подключен ко входу остановки ИИВ и к отпирающему входу ИН, 45 выходы первых двух УВХ подсоединены, соответственно, на оба входа ДУ, выход которого подключен к шине, по которой регистрируется нормированное значение начального скачка напряжения на выходе

50 электродной системы, и к одному из входов сумматора напряжений подключен выход второго УВХ.

На фиг. 1 схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый

55 способ контроля работоспособности стеклянного ИСЭ в процессе ионометрического анализа; на фиг.. 2 — эквивалентная схема предлагаемого устройства, позволяющая описать поведение электродной системы со

1783403 стеклянным ИСЭ при изменении характера экранирования такого ИСЭ.

Устройство содержит. электродную сис тему 1, один вывод 2 которой от электрода сравнения подключен к общей шине устройства и другой вывод 3 которой от стеклянного ИСЭ экранированным кабелем подсоединен ко входу ВПН 4, управляемый перекидной контакт 5, общий вывод которого подключен к оплетке 6 экранированного кабеля ИСЭ, нормальноразомкнутый вывод которого совместно со входом PYH 7 подсоедйнены к выходу ВПН 4. ИКН 8, подключенный к нормальнозамкнутому выводу контакта 5, дифференциатор 9 и три УВХ 10, 11, 12, все четыре входа которых подсоединены к выходу ВПН 4, ДИН 13, один вход которого подключен к выходу ВПН 4, а другой вход —. к выходу сумматора напряжений

14, ИН 15 и ДК 16, входы которых совместно подсоединены к выходу дифференциатора

9. ЛЗ 17, своим входом подключенную к выходу ДК 16, а также ИИВ 18 и ДУ 19, причем к управляющему запуском РУН ? входу 20, на вход 21 обнуления показаний

ИИВ 18 и к стробирующему выборку входу

22 YBX 10 подключена шина 23, по которой подается управляющий сигнал на измерение первого значения установившегося напряжения на выходе электродной системы, ко входу 24 запуска ИИ В 18, к отпирающему входу 25 ДЙН 13 и стробирующему выборку входу 26 УВХ 11 подключен выход ЛЗ 17, выход ИН 15 подсоединен к стробирующему выборку входу 27 YBX 12, выход которого подключен к шине 28, по которой регистрируется второе значение установившегося йапряжения на выход электродной системы, выход ДИН 13 подключен ко входу 29 остановки ИИВ 18 и к отпирающему входу

30 ИН 15, выходы УВХ 10 и УВХ 11 подсоединены, соответственно, на оба входа ДУ

19; выход которого подключен к шине 31, по которой регистрируется нормированное значение начального скачка напряжения на выходе электродной системы; и к одному из входов сумматора напряжений 14, второй вход которого подключен к выходу УВХ 11.

Для анализа сущности предлагаемого способа и наглядного объяснения принципа работы устройства, реализующего этот способ, рассмотрим эквивалентную схему на фиг, 2, с помощью которой оценим характер установления выходного напряжения электродной системы (точка А) после переключения контакта S, меняющего характер экранирования ИСЭ. U>, R>, Сэ — соответственно, ЭДС электродной системы, сопротивление и емкость стеклянной мембраны

ИСЭ; Сг и R» — соответственно, емкость и сопротивление изоляции подводящего экранированного кабеля ИСЭ; Св — входная емкость измерительного устройства, анализирующего изменение напряжения на выходе электродной системы (в случае предлагаемого устройства — входная емкость ВПН), а U — напряжение ИКН. Эквивалентная схема составлена с учетом условия, что Ra.пренебрежимо мало по срав10 нению со входным сопротивлением ВПН

Рассмотрим переход от экранирования

ИСЭ потенциалом Uo к эквипотенциальному экранированию, т.е, контакт S переключается из положения 1) в положение 2). В исходном состоянии (в статике) на выход электродной системы установившееся напряжение U1 определяется соотношением

Оо э

U1 =Us+ +R Rs (5) 20

Установившееся значение напряжения на выходе электродной системы Uz после переключения S в положение 2) определяет25 ся величиной U, т.е (6) 02=0э

Очевидно, что если в результате измерения U1 и Uz они различаются на величину, 30 не превышающую погрешность ВПН, то можно считать изоляцию кабеля исправной, т.е. из формул (5) и (6) следует, что R «R», т.е, считаем что при исправной изоляции

01=02=Ua (7) ключения, определяемый быстродействием

ВПН (время нарастания сигнала на выходе р), происходит перераспределение заряда на емкостях С», Сэ, Св. При выборе быстро45 действующего ВПН, когда время отклика сигнала на выходе ВПН (т. А ), toy (tog— практически определяется соотношением

Ь/р, где Л вЂ” диапазон измеряемых напряжений на ВПН) существенно меньше вели50 чин йэСэ, ЯэС» ВэСв заряды на емкостях Св, С» и Сэ в течении интервала времяни (О, to ) можно считать постоянными, т,е, при условии выполнения формулы (7) (Св+Сэ)цэ+Ск(Оэ Оо)=0=(Сэ+Св), (8) где U-- напряжение на входе и выходе ВпН по прошествии времни to . Отсюда легко

Рассмотрим динамику процесса при смене характера акранирования (1) — э-.2)).

40 В начальный интервал времени после пере1783403

10 получить выражение (1), сделав подстановку пряжение О ь=О=-0,6321у, с которым на рО- — U, для начального скачка напряже- ДИН 13 сравнивается выходной сигнал йд .

1 ния. Как только Од сравняется с Оф узким имДальнейшее изменение напряжения.на пульсом с выхода ДИН 13 по входу 26 оставыходе электродной системы проходитэкс- 5 навливается счет времени в ИИВ 18, поненциэльно за счет протекания заряда фиксирующем значение времени, соответчерез R . Отсюда измерение характеРийти- ствующее величине т экспоненциального

1 ческого времени T:, т.е, времени за.котО спадания UA . Этим импульсом самозапиравеличина выходного напряжения электрбд- ется выход ДИН 13 и отпирается ИН 15 по. ной системы от значения U- изменяется"до 1О входу30. Кактолько Од выйдет к установив1 фиксированной величины (U- -0,6321 ф ) и "::,""" "Шемуся значению, напряжение на выходе позволяет определить через известные па- :.. ::: " дифференциатора 9 станет равным нулю, а раметры величину R3 по формуле (2). Йй выходе ИН 15 появится импульс, самоза. Аналогично рассуждая для переключе- . ьфЭЮщий выход ИН 15 и стробирующий ния контакта Sиэположения2)вположение 15 su65pej нэ УВХ 12 по входу 27, При этом с

1), получим следующие выражения (3) и (4). вых6 9в УВХ 12 по шине 28 осуществляется

Предлагаемое устройство работает сле- . регйстфация второго установившегося знадующим образом. В исходном состоянии чения Ог нэ выходе электродной системы. положение перекидного контакта 5 может Таким обрМом, s результате с помощью быть выбрано произвольно: либо оплетка 6. 20 предлагаемого устройства регистрируются подключена к ИКН 8, либо к ней подключен значения U>, U- Уа, т, по которым опредевыход ВПН 4. Вначале проводится измере- ляется исправность изоляции кабеля стекние первоначального установившегося на- лянного ИСЭ и можно судить о значениях пряжения на выходе системы 1. Коротким величин С и R>, импульсом по шине .23, соответствующим 25 Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я команде "измерить U>", со входа 20 запуска- 1, Способ контроля работоспособности ется разовое измерение на РУН 7, по входу стеклянного ионселективного электрода в

21 обнуляется содержимое счетчика ИИВ процессе ионометрического анализа, вклю18 и с помощью УВХ 10 осуществляется вы- чающий измерение установившегося значеборказначения напряжения повыходуВПН, 30 ния напряжения электродной системы, 4 стробированием этого YBX no входу 22. создание апериодического процесса на:

ПослерегистрацииUt по РУН7 проводится электродной системе путем подачи на оппереключение контакта S. в результате чего летку кабеля ионселективного электрода на выходе ВПН 4 появляется фронт напря- скачка напряжения иизмерение интервала жения, определяемый скоростью нэраста- 35 времени, соответствующего характеристиния р ВПН. Дифференциатор 9 íà своем ческому времени фазы экспоненциального выходе реагирует нэ такой- резкий скачок изменения напряжения электродной систенапряжения на выходе ВПН 4 появлением мы, отличающийся тем, что, с целью импульса большой амплитуды. соответству- повышения быстродействия измерения и ющей величине р(т.к. (dUA ° /dt)m®= p). ДК 40 расширения функциональных возможно16, настроенный на уровне «p /й, где стей способа, дополнительно измеряют веN>1, фиксирует выход сигнала Щд /бт за личину начального скачка напряжения на пределы (-p /й, +p /й), выдавая одиноч- электродной системе между апериодйченый узкий импульс по выходу. Время задер- скими процессами, измеряют интервал врежки ЛЗ 17 выбирается на уровне ipse ВПН 4, 45 мени и повторно измеряют установившееся вследствие чего узкий импульс на выходе эначениенапряженияэлектроднойсистемы

ЛЗ, обеспечивающий запуск ИИВ 18 повхо- после измерения интервала времени и по ду 24, отпирание вйходэ ДИН 13 по входу. величине разности установившихся значе. 25 и стробирование выборки УВХ 11 по вхо- ний напряжения электродной системы, изду26, появляется в момент, когда выходное 50 меренных до начала и после окончания напряжение ВПН 6 достигает пикового знэ- эперйодического процесса, судят о работочения скачка. Зафиксированные на выходах способности стекляйного ионселективного

УВХ 10 и УВХ 11 сигналы подаются на.вход электрода.

ДУ 19 с коэффициентом усиления К-0.6321, 2. Устройство для контроля рабьтоспов результате чего нэ выходе ДУ 19, а следо- 55 собности стеклянного ионселективного вательно, и на шине 31, формируется нор- электрода в процессе ионометрического мированное значение величины скачка анализа,содержащееэлектроднуюсистему, (-0,6321 д) и, как следствие, на выходе сум- один вывод которой отэлектродасравнения маторэ 14 выставляется фиксированное нэ- подключен к общей шине устройства, а дру1783403 гой вывод от стеклянного ионселективного равляющему запуском входу регистратора электрода экранированным кабелем подсо- установившегося напряжения на входобнуединен к входу высокоомного повторителя ления показаний измерителя интервалов напряжения, управляемый перекидной кон- времени и к стробирующему выборку входу такт, общий вывод которого подключен к 5 первого устройства выборки-хранения подоплетке экранированного кабеля ионселек- ключена шина, по которой подается управтивного электрода, а нормально замкнутый ляющий сигнал на измерение первого вывод с входом регистратора установивше- значения установившегося напряжения на гося напряжения подсоединены к выходу электродной системе, к входу запуска измевысокоомйого повторителя напряжения, о т- 10 рителя интервалов времени, к отпирающе-. л и ч-а ю щ е е с-я тем, что, с целью расши- му входу дифференциального индикатора рения функцибнальных возможйостей, в ус- нуля и стробирующему выборку входутретьтройство дополнительно введейы источник его устройства выборки-хранения, выход кокалиброванного напряжения, подключен- торого подключен к шине, по которой нйй к нормально замкнутому выводу управ- 15 регистрируется второе значение установивляемого перекидного контакта, шегося напряжения на выходе электродной дифференциатор и три устройства выборки- системы, выход дифференциального индихранения, все четыре входа которых подсо- катора нуля подключен к входу остановки единичны к выходу высокоомного . измерителяинтерваловвремениикотпираповторителя напряжения, дифференциаль-,20 ющему входу индикатора нуля, выводы перный индикатор нуля, один вход которого. вых двух устройств выборки-хранения, подключен к выходу высокоомного повтори - . подсоединены соответственно на оба входа теля напряжения, а другой вход — к выходу . дифференциального усилителя, выход котосумматора напряжений, индикатор нуля и рого подключен к шине, по которой регистдвухуровневый компаратор, входы которых 25 рируется нормированное значение подсоединены к выходу дифференциатора, начального скачка напряжения на электродлиния задержки, выход которой подсоеди- ной системе, и к одному из входов сумматонЬй квыходу- двухуровневого компаратора, ра напряжений, второй вход которого. а также измеритель интервалов времени и подсоединен к выходу второго устройства дифференциальный усилитель; причем к уп- 30 выборки-хранения.

Р 5

1783403

Составитель И. Андреев

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор Г. Бельская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4511 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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