Измеритель импеданса электрохимических систем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 9) П В 27 02 ИСАНИЕВТОРСКОМУ СВ РЕТЕНИ Зф %МАЙ К ЕЛЬСТ(54) элек дом ным точи дине тора ых детектоегуляторащей тока ячодключен к ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Институт химии твердого телаи переработки минерального сырьяСибирского отделения АН СССР(6) 1. Авторское свидетельство ССС9 732764, кл . 6 01 Е 27/02, 1980,2. Авторское свидетельство СССРР 684465, кл. 6 01 В 27/02, 1979,7) ИЗМЕРИТЕЛЬ ИМПЕДАНСА ЭЛЕКТЧЕСКИХ СИСТЕМ, содержащий охимическую ячейку с электроавнения, рабочим, вспомогатель поляризующим электродами, исгармонических сигналов, соеый с сигнальным входом регуляармонической составляющей тока ячейки, к выходу которого подключены сигнальный вход. блока фазочувствительных детекторов и вспомогательный электрод, потенциостат, входкоторого соединен с электродом срав-нения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью расширения области рабочих частот и класса изучаемых объектов, в него введены измерительныйпреобразователь тока в напрзжение итрансформатор тока, первичная обмотка которого включена между рабочимэлектродом и общей точкой, а вторичная подключена к входу измерительного преобразователя тока в напряжение, к выходу которого подключеныопорный вход блока фазочувствитель- е ов и управляющий входармонической составляю йки, выход потенциоста поляризующему электрод1101756 ная подключена к входу измерительно"го преобразователя тока в напряжение,к выходу которого подключены опорный вход блока Фазочувствительныхдетекторов и управляющий вход регулятора гармонической составляющейтока 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 оплеткукабеля 4 подключен к общей точке.Центральная жила этого кабеля подключена между вспомогательным электродом5 и выходом регулятора б гармойической составляющей тока ячейки, состоящей из выходного узла, которым является аттенюатор 7, сигнальный иуправляющий входы которого соединенысоответственно с выходами источника8 гармонических колебаний и блока 9сравнения, подключенного одним входомк источнику 10 постоянного напряжения, а вторым - через амплитудныйдетектор 11, измерительный преобразователь12 тока в напряжение и соединительный кабель 13 к вторичной обмотке трансформатора 3 тока. Блок14 Фазочувствительных детекторов сое.динен своими сигнальным и опорнымвходами соответственно с выходамиаттенюатора 7 и преобразователя 12тока в напряжение. Блок 15 регулирования тока и потенциала (потенциостат) подключен своим входом к электроду 16 сравнения, а выходом - кполяризующему электроду 17, отделенному от основного объема ячейки пористой диафрагмой 18, препятствующей прохождению продуктов реакции,образующихся на поляризующем электро.де, в основной объем ячейки,Измеритель работает следующим образом. Изобретение относится к электриз.мерительной 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) .10Однако эти устройства непригодныдля измерения импеданса современныхнаиболее совершенных электрохимических систем, представляющих собой ячейку с разделенными анодным и катодным 15пространствами.Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель, содержащий электрохимическуюячейку с электродом сравнения, рабочим, вспомогательным и поляризующимэлектродами, источник гармоническихсигналов, соединенный с сигнальнымвходоМ регулятора гармонической сос:тавляющей тока ячейки, к выходу кото рого подключены сигнальный вход блокафазочувствительных детекторов и вспомогательный электрод,потенциостат,вход которого соединен с электродомсравнения 12 .30Однако известный измеритель призначениях измеряемого импедансабольших 10 Ом и заданной погрешности измерения имеет сравнительнонизкую рабочую частоту, вследствиешунтирования измеряемого импедансапаразитными проводимостями соединительных кабелей и проводимостями:1входов потенциостата и блока фазочувствительных детекторов, выходов регуляторов гармонической и постоянной составляющей тока ячейки. Это значительно сужает класс иэучаеьых электрохимических объектов..Цель изобретения - расширение области рабочих частот и класса иэу- .45чаемых объектов. Поставленная цель достигается тем, что в измеритель импеданса электрохимических систем, содержащий электро- химическую ячейку с электродом срав" нения, 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 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 1 передается во вторичную обмотРку трансформатора 3 тока, а затем воспринимается и преобразуется в напряжение 01 измерительным преобразователем 12 тока в напряжение. Напряжейие 0 = 1К К 1, где К и К 11 - коэффициенты передачи узлов трансформатора 3 и преобразователя 12, детектируется амплитудным детектором 11 и сравнивается в блоке 9 по уровню с постоянным опорным напряжением источника 10, Полученная иусиленная в блоке 9 разность напряжений управляет коэффициентом передачи аттенюатора 7 так, что ток 1пренебрегая погрешностью статизмацепи автоматического регулирования,остается неизменным по модулю и равным Поляризация рабочего электрода 2заданным потенциалом производится спомощью потенциостата (регулятора потенциала) 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/К,Р 1 о3 1 12 ф (1) стата 15, подключенном к поляризующе.10 му электроду 17 и общей точке, устагде К - коэффициент передачи ампли- нввливается такое напряжение, чтоИтудного детектора 11; отклонение его входной разности позначение напряжения источ- тенциалов от задаваемого значеоника 10. ния напряжения не превышает поИз (1) видно, что при неизменных 15 грешности статизма петли автомаи известных значениях К, Ки и К, тического регулирования потенциомодуль тока 1 однозначйо определяет- стата .15,Рся значением напряжения Ч, . Следова- Вследствие подключения к первичтельно ной обмотке трансформатора 3 токаветви, состоящей из последовательно11 Р 1 = Чо / К 3 К, К,=К (2) соединенных выхода регулятора 6 гармонической составляющей тока .ячейкигде К- постоянная величина.и участка электрохимической ячейкиТок 1 Р, протекающий на участке между вспомогательным 5 и рабочимячейки меЖду рабочим 2 и вспомога" 5 2 электродами, а также ветви, состельным 5 электродами с измеряемым тоящей из последовательно соединенныхимпедансом Ец, создает падение напря- выхода потенциостата 15 и участкажения Ч = 1 2 =, К)Ец, равное выход- электрохимической ячейки между поляному напряжению Чг аттенюатора 7 У ризующим 17 и рабочим 2 электродами,т.е. исключено влияние на результаты измерения искомого импеданса проводимос-.Ч= Ч = 1 оЕ = КЕк (3) тей следующих цепей: а) вспомогатель- .н г о иный электрод 5, электрод 16 сравнеИз уравнений (2) и (3) видно, что ния, вход потенциостата 15; б) вспоимпеданс Е может быть непосредствен- могательный электрод 5, диафрагмаИно отсчитан по выходному напряжению 35 18, поляризующий электрод 17, выходотносительно вектора тока 1. потенциостата 15; в) паразиткой пропринятогО за начало фазового отсчета, водимости кабеля 4, центральная жилаНапряжение М 7 поступает на сигналь- , которого пОдключена между выходомный вход блока 14 фазочувствитель- регулятора 6 гармонической составляюЪых детекторов. На опорный вход это щей тока ячейки и вспомогательнымго блока подается напряжение Ог с электродом 5. Это достигнуто вследвыхода имЬрительного преобразователя ствие того, что токи, протекающиетока в напряжение 12 равное Ч = через указанные проводимости, не про.1 К К : и синфазное вектору тока текают через первичную обмоткур.з и1 при К = /К / и К = /К 1 /. В 45 трансформатора 3 тока, и, следовательР 3- Ь г - гэтом случае выходные напряжения . но, не влияют на величину рабочегоблока фазочувствительных детекто- тока 1 Р и величину выходного напряжеров прямо пропорциональны искомым ния Чт аттенюатора 7, однозначнохасоставляющим импеданса Е и равны рактеризующего, в соответствии суравнением (3), величину измеряемоПе Ч 1 Чг 1 =ККц 1 Ен созЧ (4) го импеданса Е, т.е. эти проводи 1 оЧ. Ч а=К ) К 1Е нып(Р мости не вносят частотно-фазовых,искажений в значение измеряемогогде (Р - угол сдвига фаз между током импеданса. Учитывая, что проводимостьи напряжением (выражение ветви: вспомогательный электрод 5,(диафрагма 18, поляризующий электродК - коэффициент передачи блокаН 17 и выход потенциостата 15, нефаз очувствительных детекто влияет на значение измеряемого им-.ров. педанса Еи, потенциостат в отличиеВ системе уравнений (4) вектор 7 от известного, может иметь любое вын т за начало фазового отсчета. 40 ходное сопротивление, т,е. в пред- обИскомые значения компонентов иэмеряе" ложенном измерителе отпадает неомого импеданса Е,непосредственно ходимость включения на выходе поотсчитывают по выходным напряжениям тенциостата преобразователя напряже(4) блока 14 фазочувствительных детек ния в ток с большим выходным сопротивторов, . 65 лением,1101756 Составитель Л.СорокинаРедактор Н.Данкулич Техред С. Легеза Корректор С, Шекмар Заказ 4758/29 Тираж 711 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ПППфПатентф, 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 обеспечи. вает вследствие низкого входного сопротивления преобразователя практически идеальный режим работы трансформатора 3 тока - режим корот" кого заьикания но вторичной обмот О 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 Ен его преобразование в напряжение Ус пренебрежимо малой (менее 0,5)фазовой погрешностью во всей рабочейобласти частот измерителя.Таким образом, описанное построение измерителя импеданса и использование в нем новых элементов (трансформатора 3 тока и измерительногопреобразователя 12 тока в напряжение)позволило при измерении больших импедансов (больших 10 Ом) расширить.,не менее чем на порядок область рабочих частот, а следовательно, и эначительно расширить класс изучаемыхэлектрохимических объектов,