Устройство для потенциостатических и гальваностатических измерений с автоматической компенсацией ir-погрешности

 

Изобретение относится к устройствам для электрохимических, в том числе для коррозионных измерений, и может быть использовано в нефтегазовой, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Изобретение позволяет компенсировать погрешность измерения электродного потенциала, вызываемого падением напряжения в объеме электролита между электродом сравнения и рабочим электродом, т.е. обеспечивает повышение точности измерения потенциала. Компенсация IR-погрешности реализована по механизму бестокового измерения электродного потенциала. Для этого устройство имеет генератор импульсов 5, прерыватель тока 4 и устройство выборки-хранения 8. В потенциостатическом и гальваностатическом режимах работы к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 20 прикладывается напряжение, пропорциональное заданному значению электродного потенциала или поляризационного тока, а к его инвертирующему входу - измеренные значения потенциала или тока. Выходное напряжение дифференциального усилителя 20 через прерыватель тока 4 прикладывается к вспомогательному электроду 2 и изменяет ток, протекающий через электрохимическую ячейку 1 так, чтобы разность напряжений на входах дифференциального усилителя 20 была минимальной. Бестоковое измерение электродного потенциала выполняется путем прерывания тока и запоминания значения потенциала в устройстве выборки-хранения 8 в моменты времени, когда ток через ячейку 1 не протекает. Синхронная работа прерывателя тока 4 и устройства выборки-хранения 8 обеспечивается генератором импульсов 5. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для электрохимических, в том числе для коррозионных исследований, а именно к потенциостатам или гальваностатам, и может быть использовано в нефтегазовой, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

В электрохимических исследованиях при контролируемом потенциале или токе исследуемого электрода возникает погрешность определения потенциала электрода (IR-погрешность), обусловленная падением напряжения в объеме электролита между исследуемым электродом и электродом сравнения. Эта погрешность пропорциональна величине омического сопротивления и силе протекающего через ячейку тока.

Известно устройство для измерения потенциала при электрохимических исследованиях с компенсацией IR-погрешности, основанное на введении переменной составляющей в поляризующий ток, после демодуляции которой получается оценка величины падения напряжения в объеме электролита, используемая для коррекции потенциала [1].

Устройство включает в себя электрохимическую ячейку, вспомогательный и рабочий электроды, электрод сравнения, измеритель тока.

Недостатком этого устройства является то, что область его применения ограничена условиями, когда постоянную и переменную составляющую поляризационного тока можно считать независимыми. Кроме того, необходимо иметь представление о влиянии переменной составляющей поляризационного тока на кинетику электродных реакций.

Также известно устройство для электрохимических исследований, содержащее электрохимическую ячейку, вспомогательный и рабочий электроды, электрод сравнения, дифференциальный усилитель [2]. В данном устройстве обеспечивается постоянство разности потенциалов между рабочим электродом или электродом сравнения вне зависимости от поляризационного тока.

Недостаток этого устройства состоит в том, что изменение омического сопротивления в объеме электролита приведет к дополнительной погрешности измерения потенциала.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство [3], содержащее электрохимическую ячейку, включающую рабочий электрод, вспомогательный электрод и электрод сравнения, дифференциальный усилитель, буферный усилитель, измеритель тока, переключатель режима, вход устройства, первый и второй выходы устройства, причем электрод сравнения соединен с неинвертирующим входом буферного усилителя, выход этого усилителя соединен с его инвертирующим входом, рабочий электрод соединен с измерителем тока, выход которого соединен со вторым выходом устройства.

Данное устройство обеспечивает компенсацию IR-погрешности за счет введения в контур регулирования обратной связи по току и требует установки глубины обратной связи до начала эксперимента, а изменение величины омического сопротивления электролита во время эксперимента приведет к появлению погрешности определения электродного потенциала порядка 2-10%.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства для потенциостатических или гальваностатических измерений с автоматической компенсацией IR-погрешности.

Технический результат, который может быть получен при использовании разработанного устройства, - повышение точности измерения потенциала.

Предлагаемое устройство содержит электрохимическую ячейку, включающую рабочий электрод, вспомогательный электрод и электрод сравнения, дифференциальный усилитель, буферный усилитель, измеритель тока, переключатель режима, вход устройства, первый и второй выходы устройства, причем электрод сравнения соединен с неинвертирующим входом буферного усилителя, выход буферного усилителя соединен с его инвертирующим входом, рабочий электрод соединен с измерителем тока, выход которого соединен со вторым выходом устройства и дополнительно содержит устройство выборки-хранения, генератор импульсов и прерыватель тока, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход с вспомогательным электродом, вход устройства выборки-хранения соединен с выходом буферного усилителя, а выход - с первым выходом устройства и с первым неподвижным контактом переключателя режима, второй неподвижный контакт которого соединен с выходом измерителя тока, выход генератора импульсов соединен с управляющим входом прерывателя тока и с управляющим входом устройства выборки-хранения, инвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с подвижным контактом переключателя режима, а неинвертирующий вход - с входом устройства.

На чертеже представлена структурная схема устройства для потенциостатических или гальваностатических измерений с автоматической компенсацией IR-погрежности.

Схема предлагаемого устройства содержит электрохимическую ячейку 1, вспомогательный электрод 2, который соединен с выходом 3 прерывателя тока 4, генератор импульсов 5, выход которого соединен с управляющим входом 6 прерывателя тока 4 и управляющим входом 7 устройства выборки-хранения в, буферный усилитель 9, неинвертирующий вход которого соединен с электродом сравнения 10, а выход соединен с его инвертирующим входом и входом 11 устройства выборки-хранения в, выход 12 которого соединен с первым выходом 13 устройства и с первым неподвижным контактом 14 переключателя режима 15, измеритель тока 16, вход которого соединен с рабочим электродом 17, а выход со вторым выходом 18 устройства и со вторым неподвижным контактом 19 переключателя режима 15, дифференциальный усилитель 20, неинвертирующий вход которого соединен с входом 21 устройства, а инвертирующий вход с подвижным контактом переключателя режима 15, выход дифференциального усилителя 20 соединен с входом 23 прерывателя тока 4.

Устройство работает следующим образом.

Режим работы устройства в качестве потенциостата или гальваностата задается переключателем режима 15.

В режиме потенциостата подвижный контакт 22 переключателя 15 соединен с первым неподвижным контактом 14. На вход 21 подается напряжение, равное заданному значению потенциала рабочего электрода 17. Это напряжение прикладывается к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 20. Текущее значение потенциала рабочего электрода 17, измеренное с помощью электрода сравнения 10, через буферный усилитель 9 запоминается в устройстве выборки-хранения в и через переключатель режима 15 прикладывается к инвертирующему входу усилителя 20. На выходе усилителя 20 формируется напряжение, пропорциональное разности значений заданного и измеренного потенциалов рабочего электрода 17. Это напряжение через прерыватель тока 4 прикладывается к вспомогательному электроду 2 и определяет силу поляризационного тока через ячейку 1, который изменяет потенциал рабочего электрода 17 так, чтобы последний был равен заданному (с погрешностью контура регулятора).

Исключение IR-составляющей из контура регулирования потенциала осуществляется по механизму бестокового измерения потенциала, т.е. потенциал рабочего электрода измеряется в моменты, когда через ячейку не протекает ток.

Этот механизм реализуется следующим образом. Генератор импульсов 5 периодически на короткие моменты времени посредством прерывателя тока 4 (например, мощный транзисторный ключ с большим сопротивлением в разомкнутом состоянии) обесточивает ячейку 1.

IR-составляюцая - падение напряжения в объеме электролита между электродом сравнения 10 и рабочим электродом 17 исчезает с прекращением тока и на выходе буферного усилителя 9 устанавливается напряжение без IR-составляющей, которое запоминается в устройстве выборки-хранения 8 до следующего прерывания тока через ячейку 1. Измеритель тока 16 в цепи рабочего электрода измеряет среднее значение тока через рабочий электрод и величина тока в виде напряжения прикладывается ко второму выходу 18 устройства. Первый выход 13 и второй выход 18 устройства используются для регистрации вольтамперных зависимостей исследуемых электродов: электродного потенциала и поляризационного тока соответственно.

В режиме гальваностата подвижный контакт 22 переключателя режима 15 соединен со вторым неподвижным контактом 19. В этом режиме на вход 21 устройства подается напряжение, пропорциональное заданному току поляризации, которое прикладывается к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 20, на инвертирующем входе которого действует напряжение, пропорциональное измеренному значению тока через ячейку 1. Выходное напряжение дифференциального усилителя 20, пропорциональное разности между заданным и измеренным значениями тока через прерыватель тока 4, прикладывается к вспомогательному электроду 2 и задает ток через ячейку 1 с точностью до ошибки контура регулирования.

Как и в режиме работы потенциостата, на первом выходе 14 устройства будет действовать напряжение, пропорциональное величине электродного потенциала и не содержащее IR-составляющей погрешности, так как оно измеряется в моменты прерывания тока через ячейку 1.

При прохождении поляризационного тока через электролитическую ячейку 1 напряжение U на выходе электрода сравнения 10 будет состоять из собственно электродного потенциала E рабочего электрода 17 и напряжения, равного произведению поляризационного тока 1 на сопротивление R в объеме электролита между электродом сравнения 10 и рабочим электродом 17, а именно U=E+IR. При величине тока I= 10 мА и сопротивлении R=(2-5) Oм произведение IR составит 20-50 мВ. Однако действующее на выходе устройства выборки-хранения 8 напряжение не содержит IR составляющей, так как оно запоминается в моменты прерывания тока I=0.

Дополнительно введенные устройство выборки хранения генератор импульсов и прерыватель тока с соответствующими связями обеспечивают механизм беcтокового измерения электродного потенциала.

Таким образом, предлагаемое устройство за счет введения механизма беcтокового измерения потенциала приводит к компенсации погрешности электрохимических измерений, равной по абсолютной величине напряжению в объеме электролита между электродом сравнения и рабочим электродом и вызываемой проходящим через ячейку поляризационным током, т.е. обеспечивает повышение точности измерения потенциала.

На практике общая погрешность измерений уменьшается с 2-10% до 0,5% и менее.

Список литературы 1. А. с. СССР N 958951, G 01 N 27/48, 1982.

2. А. с. СССР N 864097, B 01 N 27/48, 1981.

3. Патент США N 4500840, G 01 N 27/48, 1985.

Формула изобретения

Устройство для потенциостатических и гальваностатических измерений с автоматической компенсацией IR-погрешности, содержащее электрохимическую ячейку, включающую рабочий электрод, вспомогательный электрод и электрод сравнения, дифференциальный усилитель, буферный усилитель, измеритель тока, переключатель режима, вход устройства, первый и второй выходы устройства, причем электрод сравнения соединен с неинвертирующим входом буферного усилителя, выход буферного усилителя соединен с его инвертирующим входом, рабочий электрод соединен с измерителем тока, выход которого соединен со вторым выходом устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит устройство выборки-хранения, генератор импульсов и прерыватель тока, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход - с вспомогательным электродом, вход устройства выборки-хранения соединен с выходом буферного усилителя, а выход - с первым выходом устройства и с первым неподвижным контактом переключателя режима, второй неподвижный контакт которого соединен с выходом измерителя тока, выход генератора импульсов соединен с управляющим входом прерывателя тока и с управляющим входом устройства выборки-хранения, инвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с подвижным контактом переключателя режима, а неинвертирующий вход - с входом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1