Низкочастотный измеритель комплексных проводимостей
Г, -":., . 7 ;
ОПИСАНИЕ 5
Срюв Советских
Социалистических
Республик i i! 67694
g 3 () 6 P E T E H I4 I
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 01.06.77 (21) 2489406/18-21 с присоединением заявки M— (51) М. КлР
G 01R 27/00
Государственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.07.79. Бюллетень Ке 28 (53) УДК 621.31733 (088.8) (45) Дата опубликования описания 30.07.79 по делам изобретений н открыгнй (72) Авторы изобретения
В. И. Кензин и С. П. Новицкий (71) Заявитель
Институт физико-химических основ переработки минерального сырья Сибирского отделения АН СССР (54) НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОМПЛЕКСНЫХ
ПРОВОДИМОСТЕЙ
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для электрохимических исследований.
Известен низкочастотный измеритель комплексных проводимостей, содержащий 5 мостовую измерительную цепь, в одно из плеч которой включен исследуемый объект (электрохимическая ячейка), источники задающих напряжений, устройство поддержания заданного напряжения на объекте, 10 измеритель постоянной составляющей потенциала рабочего электрода и нуль-индикатор достижения равновесия измерительной цепи по переменному току (1).
Однако этот измеритель из-за ручного 15 уравновешивания и переходных процессов, возникаю|цих при коммутации элементов плеча сравнения, имеет низкое быстродействие, узкий диапазон рабочих частот и не позволяет проводить изучение исследуемо- 20
ro объекта в равновесных условиях, когда постоянная составляющая тока, протекающего через исследуемый объект, равна нулю.
Наиболее близким техническим решени- 25 ем к изобретению является измеритель комплексных проводимостей, содержащий источники программно-изменяющегося и синусоидального напряжения, соединенные с входом сумматора, выход которого соеди- 30 нен 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 нарушения действительной природы процессов.
Цель изобретения — расширение 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, содер676945 жащую 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-изменяющсгося 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 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 послсднего соединен с вспомогательным электродом, а выход ключа непосредственно с одним входом и через резистор с другим входом второго дифф»ренциального усилителя. Другой вход последнего соединен с выходом первого ди<рференциального 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.
Фиксатор уровня выполнен из последовательно соединенных запоминающего эле-. мента, 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 диффсренциального усилителя 7, один вход которого через повторитель 8 напряжения подключен к электроду 4 сравнения, а второй через сумматор 9 — к синфазному выходу источника !О синусоидального напряжения и через переключатель 11 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 чсрез псре5
55 б0 ключатель 11 режима работы подключен к общей шине.
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 цифра-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 генерагор 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 йреобразоватслем 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 рсгистр 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 поддерживается равной напряжению источника 10 синусоидального напряжения, то выходной ток дифференциального усилителя 7, протекающий через резистор 6 и электрохимическую ячейку 1, равен
I,,— : 2 — 4 1. 2 — 4 о12 — 4
676945 где д -4 и Y < — напряжение и комплексная проводимость между рабочим электродом 2 и электродом 4 сравнения;
Up — напряжение исто вцика 10
5 синусоидального напряжения, Ток Ii обусловливает на резисторе 6 падение напряжения Uq, равное 10 в ЛВ УрR 12 — 4: Г 2 — 4, где К = UpRg — — const;
Яб — сопротивление резистора 6, прямо пропорциональное комплексной прово- 15 димости участка рабочий электрод 2— электрод 4 сравнения.
Напряжение Up воспринимается дифференциальным усилителем 17 и поступает в блок фазовых 15 детекторов, где разделя- 20 ется на действительную и мнимую составляющие, которые и индицируются устройством 20 индикации.
С приходом переднего фронта следующего импульса тактового генератора 14 опе- 25 рации в измерителе повторяются, вследствие этого исключается протекание тока через электрохимическую ячейку 1 и обеспечивается поддержание равновесных условий. 30
Переход измерителя в режим заданного напряжения рабочего электрода 2 производят установкой переключателя 11 режима в положение, противополо>кное указанному на чертеже. В этом режиме тактовый гене- 35 ратор 14 выключен, а к входу сумматора 9 подключен источник 12 программно-изменяющегося напряжения U> . С помощью дифференциального усилителя 7 между рабочим 2 и сравнивающим 4 электродами 40 поддерживается напряжение, равное
Уо+Уд. Следовательно, .выражение для напряжения на резисторе 6 имеет вид
Ue — (а R2 — 4 + 0 р 1 2 — 4) ° Rg g
45 где R — сопротивление участка рабочий электрод 2 — электрод 4 сравнения по постоянному току.
Учитывая, что Ugg, Up u Rg — известные величины, из последнего выражения следу- 50 ет, что первое слагаемое однозначно определяет постоянную составляющую тока электрохимической ячейки 1 (U12/R2 — I), второе — искомую комплексную проводимость Ъ" <. 55
Предложенное устройство по сравнению с известными позволяет производить изучение объектов с помощью переменного тока при сохранении равновесного режима объекта по постоянному току, т. е. позво- 60 ляет исключить влияние измерительной цепи на природу процессов в объекте; расширить диапазон рабочих частот. в инфранизкую область от единиц герц до нулевого значения. 65
Формула изобрстсния
1. 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 вспомогателы;ый электрод, ключ, блок фазовых детекторов, выходы которого соединены с входом устройства индикации, о т л и ч а юшийся 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 TBKTOBQI o генератора, первый выход переключателя режима работы соединен с одним входом сумматора, а второй выход — с общей шиной измерителя, выход 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 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 сумм атор а.
2. Низкочастотный измеритель по п. 1, отличающийся тем, что фиксатор уровня выполнен из последовательно соединенных запоминающего элемента аналого-цифрового преобразователя, счетчика импульсов, буферного регистра и цифроаналогового преобразователя.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Соколов Ю. М., Тедорадзе Г. А., Аракелян Р. А. Измерение емкости двойного слоя на частотах от 1 до 20 Гц. «Электрохимия», Хо 4, т. 9, 1973, с. 554.
2. Авторское свидетельство СССР
М 513326, кл. G 01R 27i00, 1974.
Составитель Л. Сотникова
Редактор Е. Караулова Техред А. Камышникова
Корректор А. Степанова
Заказ 1542/1 Изд. № 439 Тираж 1090 Подписное
НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 типография, пр. Сапунова, 2
