Измеритель импеданса электрохимических систем

(19) 111) 1)4 С 01 Н 27/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕЛЬСТ ТОРСКОМУ С ачительно отличающихся о единицы. с элекательным 5, пористела иья СО ор 7 т фазочу роннонераторсилишин СССР1984.КТРОХИтока в овраща в. Для введе элект коммута й аттет для неосвые в осо яющих К) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ(71) Институт химии твердогопереработки минерального сырАН СССР(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ИМПЕДАНСА ЗЛЕМИЧЕСКИХ СИСТЕМ(57) Изобретение относится кизмерительной технике и спужиповышения точности измеренияновной составляющей импедансабенности при отношениях соста Измеритель содержит ячеикутродами сравнения 2, вспомог3, рабочим 4 и поляризующимтую диафрагму 6, трансформатка, потенциостат 9, блок 11ствительных детекторов, элекуправляемый аттенюатор 12, г13 гармонических колебаний,тель 14, преобразователь 15напряжение, квадратурный фазтель 17 и блок 20 индикатородостижения поставленной целины повторитель 8 напряжениятор 16, электронно-управляемнюатор 18, модульный указатеквазиравновесия и обраэованьфункциональные связи. 1 ил.Изобретение относится к электро- измерительной технике, может быть использовано преимущественно для изучения свойств электрохимических сис 5 тем по результатам измерений импеданса этих систем н широком диапазонечастот при их поляризации заданным током или потенциалом и является усовершенствованием изнестного устройст ва по ант. сн. Ф 1101756.Пель изобретения - повьппение 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. 20Измеритель содержит ячейку 1 сраствором, электрод 2 сравнения,вспомогательный 3, рабочий 4 и поляризующий 5 электроды, пористую диафрагму 6, трансформатор 7 тока, понторитель 8 напряжения, потенциостат 9,соединительный кабель 10, блок 11фазочувствительных Детекторов, первый электронно-упранляемый аттенюатор 12, генератор 13 гармонических 30колебаний, усилитель 14, преобразова -тель 15 тока в напряжение, коммутатор 16, кнадратурный фазонращатель17, второй электронно-управляемый аттенюатор 18, модульный указатель 1935квазиранновесия и блок 20 индикаторов,Причем н ячейку 1 с раствором погружены электрод 2 сравнения, вспомогательный 3, рабочий 4 и поляризующий 5 электроды, Поляризующий электрод 5 отделен от основного объемаячейки пористой диафрагмой 6, чтопредотвращает попадание н основнойобъем ячейки продуктов реакции, образующихся на поляризующем электродепри протекании через него постояннойсоставляющей тока. Рабочий электрод 4через первичную обмотку трансформатора 7 тока и выход повторителя 8напряжения соединен с общим проводомизмерителя, Потенциостат 9 своимипотенциальными входом и выходом соединен соответственно с электродом 2сравнения и поляризующим электродом5. Между общим проводом и вспомогательным электродом 3 через соединительный кабель 10 подключены сигналь 4ный вход блока 11 фазочувствительныхдетекторов и выход первого электронно-упранляемого 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 кнадратурного фазовращателя 17, соединенного своим выходом с вторыми входами опорного блока 11 фазочувствительных детекторов и коммутатора 16, объединенного своим выходом с входом второго электронно- управляемого аттенюатора 18 и первым входом модульного указателя 19, квазиравновесия, второй вход которого соединен с входом повторителя 8 напряжения, первым входом блока 20 индикаторон и выходом электронно-управляемого аттенюатора 18, подключенного управляющим входом к выходу модульного указателя квазиравнонесия, 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 ныход злектронно-управляемого аттенюатора 12, соединительный кабель 10, участок электромеханической ячейки между вспомогательным 3 и рабочим 4 электродами с измеряемым импульсом 2, перничную обмотку трансформатора 7 тока и выход повторителя 8 напряжения, организуется режим заданного значения гармонической составляющей тока 1, Для этого ток 1 Р через трансформатор 7 тока передается в измерительный преобразователь 15 тока в напряжение, формирующий напряжение Пп равноеТ5 ) 1171 г ф (1)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 У 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 1 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 К= К и К, = К, то значение 11 / = У /К К, = К = сопвС и не зависит от изменения измеряемого импеданса 2. В рассматриваемом измерителе направление вектора Б, принято за начало отсчета фазовых углов других векторов. Поэтому напряжение 6в качестве опорного подается на входы блока 17 фазочувствительных детекторов и квадратурного фазовращателя 17.Ток 1, протекая через измеряемый импеданс 2 н, создает на нем падение напряжения 1 2= К/2/(сов(+ 3 вдпср) = КК+ КХ, (3) фазовый сдвиг между вектоами О и 1- 1;2,совМ.;(2( впд - действительныйи мнимый компоненты импеданоса 2;векторы 1 и 13, противофазны.Так как в исходном состоянии измерителя напряжения на первичной обмотке трансформатора 7 тока и на 30 35 40 45 50 выходе повторителя 8 напряжения равны нулю (вторичная обмотка трансформатора работает в режиме, близком к короткому замыканию из-эа низкого входного сопротивления измерительного преобразователя 15 тока в напряжение), а коммутатор 16 в исходном состоянии измерителя установлен в положение "0", т.е. подключен к общему1проводу, то напряжение Уд , сформированное на выходе первого электронно-управляемого аттенюатора 12, равно Б. Напряжение Ц поступает в блок 11 фазочувствительных детекторов, где раскладывается на действительный и мнимый компоненты КеУ = К(2 сов%, = КК;1 шО, = К /2 / в 1 п /р = КХ,по которым непосредственно отсчитывают искомые К и Х компоненты измеряемого импеданса 2, выражение (3).Если в измеряемом импедансе преобладает один из компонентов, то с цельюобеспечения повышения точности измерения неосновного компонента коммутатор 16 устанавливают в положение, соответствующее характеру преобладающего компонента. В электрохимических системах соотношения 1 Т 83 = К/Х)1 традиционны.Рассмотрим пример работы устройства в случае измерения импеданса 2 н с преобладающим компонентом К. При указанном соотношении компонентов 2 я коммутатор 16 устанавливают в положение К, и на входы электронно- управляемого аттенюатора 18 и модульного указателя 19 квазиравновесия поступает напряжение У, с выхода измерительного преобразователя 15 тока в напряжение. Напряжение У, масштабируется по уровню в электронно- управляемом 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, Фи У,в синфазны и, следовапротивофаэны напранлению тоЗначение коэффициента К,8 ус 1368812танавливается модульным указателем 19 квазиравновесия таким образом, что в измерительной цепи имеет место квазиравновесие характеризуемое соотФ5 ношениемгде К - коэффициент передачи указателя 19.Если соотношение (4) не выполняется, т. е. ЬУ, ) О или ЬУ, (О, то на выходе модульного указателя 19 квазиравновесия формируется соответственно положительное напряжение и К,в возрастает или отрицательное напряжение и К, уменьшается. Изменение К,8 происходит до тех пор, пока соот ношение (4) не будет выполнено. При этом в измерительной цепи справедливы следующие соотношения:- Б, ; Ке 13, = Вп 0, = О;(Б(= 1 шО= К 2 з 1 пс; (5) Б,в еПв К 2 созыв (6) При преобладающем значении мнимого компонента (Х) цмпеданса 2 ц коммутатор 16 устанавливают в положение Х. В этом случае входы электронно-управляемого аттенюатора 18 и модульного указателя 19 кваэиравновесия подклю чены к выходу квадратурного фазовращателя 17, формирующего напряжение Б, =Б . При достижении кваэиравновесия, характеризуемого равенством 40ши =/и.-(и- ыю)/ - /и, - з(П+ Ы/, )1 К, = О, (7)45в измерительной цепи имеют место соотношенияП = Пн П ве 3 Пв= 1 шО = О50 /П, = Ве 3= К 2 созе;(8) / 3 Ов/ = 1 шПн К 2 и я 1 пср, (9)Как следует из выражений (5), (6) и (8), (9) при достижении в измерительной цепи кваэиравновесий (4) или (7) искомые значения компонентов К и Х импеданса 2 можно непосредственно отсчитать по значениям модулей выходных напряжений П, (0, ) и Пщ (3 в) электронно-управляемых аттецюаторов 12 и 18 или по значениям их коэффициентов передачи К, и К,в .Если условие квазиравцовесия установлено грубо (например, в случае необходимости достаточно высокого быстродействия модульного указателя квазиравновесия дискретность установки коэффициента передачи электронно-управляемого аттенюатора Ь выбирается большой, в частности дК,в = 0,01 вмос)то вектор напряжения Б, (или Б, ) содержит в себе информацию как о неосновной компоненте П так и о пере или недокомпенсированцом значении преобладающей компоненты. В этом случае отсчет преобладающего компонента 2 ц производят по сумме отсчетов значения модуля компенсирующего напряжения , и )П,в и выходного напряжения (с учетом полярности) блока 11 фазочувствительных детекторов, опорный сигнал которого коллениарен преобладающему компоненту 2, 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения цеосновной 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 иэмерителя импеданса, а вход соединен с первыми входами модульного указателя квазиравновесия и блока отсчетных устройств и выходом второго электронно-управляемого аттецюатора, соЕ- диненцого 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 измерительного преобразователя тока в напряжение, а второй вход соединен с выходом квадратурного фазовращателя, а третий - с общей шиной измерителя импедацса.