Устройство для измерения концентрации ионов

эле о подвижн ос тканале;удельная ерика; лект сть 5 ина ка трандлина и шизистора;разность ррона из.ма да сравнен и бот выхериалая и пол а элек ектро- роводника;заряд на границе рполупроводник - ди дел ектрик,Бд 1 п --иэлектрона;иная Больцм заря пост а Изобретение относится к измери-,тельной технике, а именно к измерению концентрации ионов в растворахэлектролитов, и может быть использовано для контроля химического соста. 5ва малых объемов исследуемыхпроб.Цель изобретения - повышение точности устройства в условиях изменяющейся температуры исследуемого раствора путем устранения влияния порогового напряжения и температурной чувствительности полевого транзистора.На чертеже представлена структур"ная схема устройства.15Устройство для измерения концент-,рации ионов содержит ионочувствитель-,ный полевой транзистор (ИЧПТ) 1 иэлектрод 2 сравнения, помещенные вэлектрохимическую ячейку 3 с контро"лируемым раствором электролита, шестьисточников 4-9 напряжения, четыре сумматора 10-13, генератор 14 синусои-;дального напряжения, резистор 15операционный усилитель 16, развязываю.25щий конденсатор 17, детектор 18,йильтр 19 нижних частот, блок 20 аналогового деления, вольтметр 21 и триключа 22-24,.Выход первого источника 4 напряжения подключен к первому входу первого сумматора 10, выход которогочерез резистор 15 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 16 и выводами истока и подложки ионочувствительного полевого транзистора 1 вывод стока которого подключен к выходу второго источника 5 напряжения. Второй вход первбго сумматора 10 подключен к выходу гене ратора 14 синусоидального напряжения. Неинвертируюций вход операционного усилителя 16 подключен к общей шине устройства. Выход операционного усилителя 16 соединен с электродом 2 сравнения, входом фильтра 19 нижних частот и через развязывающий конденсатор 17 - с входом детектора 18. Выход фильтра 19 нижних частот подключен к первому входу второго сум 50 матора 11, второй вход которого сое" динен с выходом третьего сумматора 12 и через первый ключ 22 - с входом вольтметра 21. Выход второго сумматора 11 подключен к первому входу блока 20 аналогового деления и че 55 рез второй ключ 23 - к входу вольтметра 21; Выход детектора 18 соединен с третьим входом второго сумматора 11, вторым входом блока аналогового деления и первым входом третьего сумматора 12, второй вход . которого подключен к выходу третьего источника 6 напряжения. Выход четвертого источника 7 напряжения подключен к четвертому входу второго сумматора 11. Выход пятоЙо источ ника 8 напряжения соединен с третьим входом блока 20 аналогового деления, выход которого подключен к первому входу четвертого сумматора 13, Второй вход последнего соединен с выходом шестого источника 9 напряжения. Выход четвертого сумматора 13 через третий ключ 24 подключен к входу вольтметра 21,Устройство работает следующим образом.Рабочая точка ИЧПТ 1 задается при помощи регулируемых источников 4 и 5 напряжения. Источником 4 задается ток стока, а источником 5 - напряжение на стоке ИЧПТ 1. Причем рабочая точка выбирается в пологой области вольтамперных характеристик ИЧПТ 1. В этом случае выражение для тока стока ИЧПТ 1 имеет вид 1 = - Ш -ц+- - -гав Ь 055 с 2 эс ф С о. транзисторной структуры.При изменениях температуры меняются параметры Ъ Б6 Чои эс%Ь(Т) - -ф -(3)91, Т где Т - комнатная температура;- подвижность электронов притемпературе Т .Ц,(Т,+ ЬТ) - и,(Т,) +Ь Т,(4) где - - - тем9 Ттелнапопр ат. н чувс гово ость пор жения к елить из торую можно номограмм, сопротивлеподложки и трика. удельное ремниево ну диэле энание толщи 2,303 в в х 1 ст +ЬТ) ЯТ - абсолютная температуратранзистора;- концентрация примеси вподложке;и- концентрация носителей в1собственном кремнии;1 Т дфО 2, 303 ----- (рН - РН) (Р+1 оф - коэК)ициент;рН - значение рН в точке нулевоего заряда,Е - потенциал электрода сравнения относительно объема раствора,Я - электрическая постояннаяЯ , " диэлектрическая проницаеВмость кремния.Так как в указанной схеме ток стока и напряжение на стоке задаются, а напряжение на электроде 2 сравнения устанавливается за счет петли отрицательной обратной связи, переписывают выражение (1) в виде21 сПЗс Ь + Пт Що+ Еэсгде и . Ц - -"- - + г +М . ОйзтС,Р+15 Е (Т + Т) = Е (Т ) + - . - - ЬТ1 Есэс Оо ГТ(б) где -р- -- температурная чувстви 3" с5 Ттельность потенциалаэлектрода сравнения, которая указывается в паспорте на электрод илиможет. быть предваритель но измерена, например,для электрода А 1/АЕС 1типа ЭВЛ 1 ИЗ она не превылает - 0,25 мВ/С.Генератор 14 задает переменную составляющую тока стока, амплитуда которой должна быть по крайней мере на.порядок меньше чем величина постоянной составляющей тока стока. Часто"ту переменного сигнала необходимовыбирать такой, чтобы обратная связьбез искажений успевала отслеживатьизменения тока стока (например, 100"1000 Гц) а также не оказывали влияния на выходной сигнал процессы в 30 электролите.Переменную составляющую напряжения на электроде 2 сравнения можнополучить, проди 44 еренцировав выражение (2) 35 3 Пэс, 21 с 1 сПеще) эс д 1 с с Ъ 21 с(7)Т 1 , (8 Из выражения (8амплитуда переменинапряжения на элеклинейно зависит отЭтот сигнал можнокомпенсации темпертельности ИЧПТ 1.проверка подтвержд) следует, что ой составляющей троде сравнения температуры. использовать для атурной чувствиЭкспериментальная ает, что амплитуда 40где П ,1 - амплитуды переменных сос.тавляющих напряжения наэлектроде сравнения итока стока,В этом выражении от температурызависит только Ь. Поэтому, подставивзначение Ъ из формулы (3), получают1 О Первоеыражения Тс,= К сложениянапряжениПри этомтора 18 д где нап яжение на е дора 18;коэффициент передтор 12 предназнаигнала, пропорциотемпературы раст выход е чи,енальо г 18 Трет для выд ного пр+ ЭЕ 2 с 1ЭТ1 с03 --- (рн -рн ,1 +1 о 2) геН д,Б - напряжения на выходахсумматора 12 и источника напряжения б;К- коэффициент усилениясумматора 12.Калибровка всего устройства проводится в два этапа. На первом этапе ИЧПТ 1 и электрод 2 сравненияпомещают в первый буферный раствор сопределенным значением рН, например,35рН = 1,68 при температуре Т . После окончайия переходных процессовпутем регулировки напряжения источника 6 устанавливают нулевое напряжение на выходе сумматора 12. При этомключ 22 замкнут, а ключи 23 и 24 разомкнуты. В качестве нуль-индикатораиспользуется цифровой вольтметр 21.После этого ключ 22 размыкается 45и замыкается ключ 23. Регулировкойнапряжения источника 7 устанавливаютнулевое напряжение на выходе второгосумматора 11. После этого размыкаетсяключ 23 и замыкается ключ 24. Регулировкой напряжения источника 9 уста- "навливают на вольтметре 21 значениенапряжения 0,168 В,.Напряжение на выходе Фильтра 19нижних частот П. може но записать вследующем виде, учитывая выражения"(2) - (6)21 с Э 0Ц еще еее+ Ц +- -х9 Ь ЗТ 30 х (То) переменной составляющей напряжения на электроде сравнения линейно зависит от температуры в диапазоне 0 - 100 С.При помощи детектора 18 переменная составляющая напряжения на электроде сравнения преобразуется в постоянное напряжение х АТ - 2, 303 ---- (РН РН)КТ 6с (3+1 с слагаемое в правой части (11) компенсируется путем противоположным знаком с м на выходе детектора 18, оэффициент передачи детеклжен быть равен что позволяет при сложении с противоположными знаками компенсироватьтретье, пятое и седьмое слагаемыевыражения (11). Второе, четвертоеи шестое слагаемые правой части выражения (11) компенсируются путем регулировки напряжения источника 9 напервом этапе калибровки.Коэффициент передачи сумматора 12может рассчитываться по Формуле (12),либо более точно может быть установлен экспериментально. Для этогопри рН 1 = 1,68 необходимо увеличитьтемпературу до Т; и изменением коэфФициента передачи сумматора 12 вновь;установить нулевое напояжение на выходе сумматора 11.После первого этапа калибровкинапряжение на выходе сумматора 11равно,= 2,303 -- в в (рН-рН ), ( 1 Т 9 о +1 после деления в блоке 20 на сиг получают К д ЫСЛ Т 303 К --- - "Ь. о 0 1 Р+115 Составитель В.СкоробогатоваРедактор И.Касарда ТехредИ,дидык Корректор И,Муска Закат 539 Тираж 393 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ЪПроизводственно-иэдательский комбинат "Патент". г.Ужгород, ул. Гагарина,10 9163139Коэфпщиент передачи блока 20 деления К выбирается на втором этапе калибровки. При этом ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнения помещают во второй буферный раствор с, например, рН59,18 при температуре То. Путем регулировки напряжения источника 8 по вольтметру 21 устанавливается напряжение 0,918 В.10После проведенной калибровки ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнения помещают в исследуемый раствор, и численное значение напряжения (с учетом выбранного диапазона работы вольтметра) соответствует значению рН исследуемого раствора и не,зависит от изменений температуры раствора.Работа устройства проиллюстрирована на примере измерения рН раствора. 20 Однако при использовании ИЧПТ 1 с другим типом диэлектрика или с полимерными ионоселективными мембранами устройство позволяет измерять концентрацию и других ионов в исследуемом 25 растворе. Все использованные в устройстве блоки являются стандартными.Устройство позволяет исключить погрешности, которые возникают при изменениях температуры исследуемого электролита. Оно имеет линейную шкалу и позволяет вести отсчет непосредственно в единицах рН. формула изобретения35 Устройство дпя измерения концентрации ионов, содержацее ионочувствительный полевой транзистор и электрод сравнения, размещенные в электрохимической ячейке, первый источник напряжения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого через резистор соединен с инвертируюцим входом операцион 45 ного усилителя и выводами истока и . подложки ионочувствительного полевого транзистора, вывод стока которого подключен к выходу второго источника 3 1 Онапряжения, электрод сравнения соединен с выходом операционного усилителя, неинвертируюций вход которогосоединен с обцей шиной устройства, ивольтметр, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точности устройства в условиях изменяющейсятемпературы исследуемого раствора путем устранения влияния пороговогонапряжения и температурной чувствительности полевого транзистора, оноснабжено Аильтром нижних частот,развязывающим конденсатором, детектором, тремя сумматорами, четырьмяисточниками напряжения, генераторомсинусоидального напряжения, блоком.аналогового деления и тремя ключами,при этом выход генератора синусоидального напряжения подключен к второму входу первого сумматора, выходоперационного усилителя соединен свходом Фильтра нижних частот и черезразвязываюций конденсатор - с входомдетектора, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу второгосумматора, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора ичерез первый ключ - к входу вольтметра, выход второго сумматора подключен к первому входу блока аналогового деления и через второй ключ - квходу вольтметра, выход детекторасоединен с третьим входом второго сумматора, вторым входом блока аналогового деления и первым входом третьего сумматора, второй вход которогоподключен к выходу третьего источниканапряжения, выход четвертого источника напряжения соединен с четвертымвходом второго сумматора, выход пятого источника напряжения подключен ктретьему входу блока аналогового деления, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходушестого источника напряжения, выходчетвертого сумматора через третийключ соединен с входом вольтметра.