Способ электрохимических исследований и устройство для его осуществления

(ц) С О Ю 27/41 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ство СССР52, 1980 еЕСКИХ ИССЛЕЕГО ОСУЩЕС т ся к способ следовании при ре ком режиме иссле частности кулоно етрии. Цельюовышение точиние области и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМПРИ ГКНТ СССР(5 7 ) Из обретение относиэлектрохимических иегулируемом электричесдуемого электрода, вметрии, хронопотенциомизобретения является лти измерений и расшиременения, Поставленная цель достига Изобретение относится к способам электрохимических исследований при регулируемом электрическом режиме ис следуемого электрода, в частности к кулонометрии, хромопотенциометрии, связанным с точными измерениями и жесткими пределами электрических режимов поляризации.Целью изобретения является повыше ние точности измерений и расширение области применения.На Фиг, 1 представлена структурная схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 - алгоритм работы устройства; на фиг. 3 - структурная схема блока измерения и управления.Устройство содержит потенциостат 1, силовое реле 2, трехэлектродную ся тем, что подключение и отключение электродов электрохимической ячейки к потенциостату осуществляется посредством эквипотенциальных контактов, чем элиминируются коммутационные выбросы напряжений, паразитные переходные про - цессы, отрицательно сказывающиеся на измерениях и работоспособности электродовЗквипотенциальность коммутируемых контактов достигается с помощью дополнительных измерений, потенциалов электродо электрохимической ячейки, подключения и отключения регулируемого эквивалента ячейки и ЦАП, имьитирующих параметры ячейки, генератора эталонных напряжений и блока измерения и управления, выполненного на основе ыкро-ЗВМ 2 с,п.ф - лы, 3 ил. электрохимическую ячейку 3, генера- Щтор 4 эталонных напряжений, согласу- (ющий усилитель 5, переключатель 6 ре- (ф жима регулирования, преобразователь аы 7 ток-напряжение (ГГН), токоизмери- Я) тельный резистор 8, переключатель 9 1;ф цепй обратной, связи, регулируем% эк вивалент 10 ячейки, представляющийсобой два последовательно соединенных управляемых резистора Л 1 и Я, цифро. аналоговый преобразователь (ЦАП) 11, блок 12 измерения и управления (БИУ), ффф" ключ 13, а йВ исходном состоянии вспомогательный электрод электрохимической ячейки 3 отключен от выхода потенциостата 1разомкнутыми контактами силового ре,ле 2 э а исследуемый электрод заземлен.Первый вывод регулируемого эквиваленга 10 ячейки, задающего коэфФциентобратной связи потенциостата, соедиен через ключ 13 с выходом потенци 5остата 1, второй вывод регулируемогоэквивалента 10 ячейки заземпен, асредняя точка резисторов регулируемого эквивалента 10 ячейки через переключатель 9 цепи обратной связи соеди иена с первым входом потенциостата 1,Параллельно регулируемому эквиваленту10 ячейки подключен ЦАП 11, имеющий,в исходном состоянии бесконечное вы,ходное сопротивление и нулевое выходное напряжение, задаваемое по управляющей шине с блока 12.Первый вход блока 12 соединен с вы,ходом согласующего усилителя 5, авторой вход - с вспомогательным электродом электрохимической ячейки 3. Вцепь исследуемого электрода последовательно включен токоизмерительный резистор 8, сигнал с которого черезпреобразователь 1 подается на второйвход переключателя 6 режима регулирования, выход которого соединен с вторым входом переключателя 9 цепи обратной связи.К первому входу потенциостатаподключен генератор .4 эталонных напряжений.Блок 12 представляет собой микропроцессорную систему сбора, обработкии управления (фиг. 3) и содержит ключ14, аналого-цифровой преобр.азователь3515, Микропроцессорное устройство 16по командаМ из постоянного запоминаю,щего устройства (ПЗУ) 17 снимает показания аналого-цифроВого преобразователя (АЦП) 15 и записывает их плявременного хранения в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 18, Управление силовым реле 2, переключателями 6 и 9 и ключами 13 и 14 микропроцессорное устройство 16 осуществляетчерез контроллер 19, Управление работой ЦАП 11регулируемого эквивапента1 О ячейки, генератора 4 осуществля:ется непосредственно по внутреннему интерфейсу микропроцессорного устройства 16, связывающего ПЗУ 17, ОЗУ 18,АЦП 15, контроллер 19 и интерфейс 20внешней межмашинной связи, Ключ 14осуществляет программное подключениевхода АЦП 15 либо к выходу согласующего усилителя 5, либо к вспомогательному электроду электрохимической ячей -ки 3,Устройство реализует способ согласно алгоритму, приведенному на фиг, 2.Блок 12 через интерфейс 20 межма-, шинной связи получают команду "Включить" или "Выключить" устройство. Эта команда анализируется, и в результате этого выбирается соответствующая ветвь алгоритма, С помощью АЦП 15 блок 12 измеряет стационарный потенциал электрода сравнения и потенциал вспомогательного электрода относительно исследуемого электрода. Затем блок 12 вычисляет отношение этих потенциаловЕьэ 11ргде /3 - коэффициент обратной связи;Е - потенциал вспомогательного8. ээлектрода,Еэ с- потенциал электрода сравнения,находит такие значения 21 и В 1, чтоВа.и устанавливает их на регулируемомэквиваленте 10 ячейки., Блок 12 устанавливает на выходе генератора 4 эталонных напряжений напряжение, равное-ЕЭ с, При этом на выходе потенциостата 1 устанавливается напряжениеравное потенциалу вспомогательногоэлектрода Ев э, а в средней точке резисторов регулируемого эквивалента 10ячейки - потенциал, равный потенциа -лу электрода сравнения, Е э,сТаким обр аз ом, конт акты силовогореле 2 имеют потенциал, равный Еэ,т, е, они эквипотенциальны. Эквипотенциальны также электрод сравнения электрохимической ячейки и средняя точкарезисторов регулируемого эквивалента10 ячейки, Они имеют потенциал, равный Е э.сПосле этого с блока 12 подаетсякоманда на замыкание контактов силового реле 2, в результате чего происходит эквипотенциальное подключение вспомогательного электрода электрохимическсй ячейки 3 к выходу потенциостата 1, Для обеспечения надежного срабатывания контактов силовогореле 2, устранения влияния дребезгаконтактов и переходных процессов вустройстве предусмотрена программнаязадержка, превышающая по длительности в два - пять раз длительность названных процессов,158989 6Следующим шагом алгоритма являет- юлючаются одновременно переключателися переключение цепи обратной связи 6 режима ережима регулирования и 9 цепи обратпотенциостата 1. ной связи, в результате чего устанавДля этого первый вход потенциоста- ливается режим эквивалентной обратнойта с помощью переключателя 9 цепи связи. После этого с блока 12 подаетобратной связи отключается от средчся команда на силовое реле 2 для отнеи точки резисторов регулируемого ключения вспомогательного электродаэквивалента 10 ячейки, подключается электрохимической ячейки 3 от выходапосредством переключателя 6 режима 0 потенциостата 1,регулирования и соглас егоующ усилите- Эффективность предлагаемого спосоля к электроду сравнения электрохи- ба и устройства была проверена на мамической ячейки кете потенциостата ПГ-10, АмплитуДанное переключение также являет- да коммутационного выброса при подклюся эквипотенциальным,15 чении электрохимической ячейки по изСледующая команда с блокад с лока 12 при вестному способу достигала 50 В длипомощи ключа 13 отключает выход потец- тельностьюдо 5 10- э с, При осуществлециостата 1 от первого выво а еР да Регули- нии предлагаемого способа амплитудаал та 1 О ячейки, На ге- выброса не превышает 1 В при длительруемого эквивалента 1 О ячнератор 4 эталонных напряжений подаетности не более 10 с.ся команда начала наложения заданной Предлагаемый способ отличается.программы эталонного напряжения. программируемой длительностью и посПосле выполнения заданной п о амац Р грам- ледовательностью коммутаций блоковмы измерений через интерфейс 20 межеж устройства, в котором перед переклюмашинной связи на блок 12 подается код ся - 25 чением на коммутируемых контактах созманда "Выключить устройствои Последается условие эквипотенциапьности,анализа команды блок 12 работает на Паузы между командами усганавливаправой ветви алгоритма фиг, 2. ются в два - пять раз больше, чемПеред отключением электрохимичесвремя переходного процесса потенциоской ячейки 3 от выхода потенциостатаци 30 тата, в результате чего устраняются1 с блока 12 на переключатель 6 режипаразитные наводки, приводящие к исма регулирования подается команда на кажению результатов измерения и в ряпереключение в режим регулирования то- де случаев к деградации исследуемогока и одновременно подается команда на электрода,генератор 4 эталонных напряжений суй 3 . Применение предлагаемых способа итанавливающих напряжение на его выхо 5устроиства позволяет повысить точде р ав ным нулю, ность и достоверность измерений иТаким образом, в электрохи чической расширить область применения, особенячейке 3 задается и поддерживается но в области исследования биоэлектротокравный нулю, По окончании пе еР 40 химических процессов и полупроводниходных процессов через 20-100 мкс) блок12 измеряет потенциалы вспомогательного и сравнительного электродов и вычис- о р и у л аи з о б р е т е н и яляет их отношение, Затем блок 12 формирует команды на ЦАП 11 и регулируемый эквис45 ,пособ электрохимических исслевалент 10 ячейки, в результате кото- дований, основанный на наложении рерых устанавливается требуе,ый коэффи- гулируемого потенциала на исследуециент обратной связи -- . мый электроД в тРехэлектРоДной элек 1 й 1 Евэ/3э сВ Е трохимическои ячейке и включающий запри этом в средней точке резисторов 50 дание программы изменения накладыварегулируемого эквивалента ячейки ус- емого напряжения, подключение электанавливается напряжение, равное Еэ с, тродов трехэлектродной электрохимиа на первом выводе регулируемого .эле- ческой ячейки к потенциостату подаЭмента 10 ячейки напряжение, равное чу на электроды трехэлектродной элекЕа э, После этого сигналом с блока 55 тРохимической Ячейки полЯРизУющего.12 ос п мощью ключа 13 к выходу потен- напряжения, измерение текущих парациостата 1 подключается первым выво- метров и отключение электродов трехдом регулируемый эквивалент 10 ячейки, электродной электрохимической ячейкиСледующей командой с блока 12 перек- от потенциостата, о т л и ч а ю щ и й 1589189с я тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения области применения, перед подключением электродов электрохимической ячейки к вы 5 ходу потенциостата и перед откпюченнем их от выхода потенциостата создают эквипотенциальность коммутируеМых контактов, при этом измеряют стационарный потенциал электрода сравне- о .нйя и потенциал вспомогательного электрода трехэлектродной электрохи-, мической ячейки, определяют их отношение, устанавливают отношение сопротивления резисторов в регулируемом эквиваленте ячейки равным отношению измеренных потенциалов, подключают регулируемый эквивалент ячейки к первому входу потенциостата, на второй вход которого одновременно подают на Оряжение, равное по величине, но противоположное по знаку стационарному йотенциалу электродов сравнения, и через время задержки большее времени затухания переходных процессов перек йючают цепь обратной связи потенциосТата с регулируемого эквивалента ячей - Ви на электрохимическую ячейку, а передд отключением в спомо г ат ель но го Электрода трехэлектродной электрохи наческой ячейки от выхода потенциоста - 1 а в трехэлектродной электрохимической Ячейке устанавливают режим нулевого Тока, измеряют потенциалы электродов сравнения и вспомогательного электро- З 5 да, определяют их отношение, устанавливают отношение сопротивления резисторов .в регулируемом эквиваленте ячейки равным отношению измеренных потенциалов, устанавливают на регулируемом щ эквиваленте ячейки напряжение, равное потенциалу вспомогательного электрода, и через время задержки большее времени переходных процессов переключают цепь обратной связи потенциоста та с трехэлектродной электрохимической ячейки на регулируемый эквивалент ячейки.2. Устройство для электрохимических исследований, содержащее трех электродную электрохимическую ячейку с исследуемым, сравнительным и вспомогателы ым электродами, потенцйостат,пер вый выход ко тор о го чер е з пер выйи второй контакты силового реле подключен к; вспомогательному электродутрехэлектродной электрохимическойячейки, ге нер атор эталонного напряжения, подключенный к первому входу потенциостата, согласующий усилитель,вход которого соединен с электродомсравнения, а выход соединен с первымвходом переключателя режима регулирования, преобр азоват ель ток-напряжение,первый и второй входы которого подключены к токоизмерительному резистору, выход преобразователя ток-напряжение подключен к второму входу переключателя режима регулирова-ния, при этом один конец токоизмерительно го р ези стор а соединен с исследуемым электродом и подключен к общейшине; а другой конец токоизмерительно го р ези стор а соединен с вторым выходом потенциостата, о т л и ч а ющ е е с я тем, что в него дополнительно введены переключатель цепи обратной связи, регулируемый эквивалентячейки, цифроаналоговый пресбразовател ь, ключ и бл о ки 3 мер е ни я и у пр авл ения, первый вход которого соединен свыходом согласующего усилителя, второй вход соединен с вспомс.гательнымэлектродом, а управляющая шина соединена с входами упр авл ения генератор аэталонного напряжения, переключателяцепи обратной связи, переключателя режима регулирования, Силового реле,ключа, регулируемого эквивалента ячейки и входом цифроаналогового преобразователя, причем первый вывод регулируемого эквивалента ячейки соединен свыходом цифрс аналогового преобразователя и через ключ подсоединен к первому выходу потенциостата, второй итр етий вы в оды р е гулиру емо го э ки в ал ента ячейки соединены с общей шиной ипервым входом переключателя обратнойсвязи соответственно, второй вход ивыход переключателя обратной связи соединены с выходом переключателя режимарегулирования и вторым входом потенциостата соответственно,Юача Зодер 3 омк ерзаю Конец Фие Включить си произ ести измерение Е Произ астинзнерение Езс ВьрчислитьОщизнаценче шегталвбчтр карасемлрл зсбнбалелтеяс,замкнуть контактуиладого реле 3 Переключить а рную сдлзь абрек-л Разомкнуть ключ О Включить генеротбр 4 зщальниьи чан манча 1589189 юлиз моною у енияючить систене ерклюцотелемВести састаи ПГИ та италр мад Произ ести изееерение Е Прои естиизмерение Ез Вычислитьщиошенце Еар Ек О ти значения истанабивь нааееЕ елрл зете ече с т ить ноикода-Е з Оонодременно лер ключцть люеклуак оэюпвть но сааабаеа ае громназадер Йри1589189 Сост авите ктор Л, Веселовска алони рректор С,Черни ед М.Дид комитета по изобретениям и открытия Москва, 3-35, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-издательский ком 6 цват Патент, г. оц, ул. Гагарина, 101 аказ 2537 Тираж 513 ПодписноеНИИПИ Государственного и при ГКНТ СЧ1.1 3035,