Устройство измерения электрохимического потенциала ионов в растворах

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (I l.),1000882

Союз Советсммк

Соцмалмстмческмк

Республик (6l ) Дополнмтельное к авт. свмд-ву(22)Заявлено 09.10.81 (21) 3359351/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 28.02.83. Бюллетень- № 8

Дата опубликованмя описания 28.02.83 (5! )М. Кл.

G 01 и 27/56

Гесударстееевй квинтет

СССР ю делам нзебретеннН н аткрытнй (53) УД 537. .534.2(088.8) (72) Автор изобретения

И.Н, Андреев (7 I ) Заявитель (54 ) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО

ПОТЕНЦИАЛА ИОНОВ В РАСТВОРАХ

Изобретение относится к измерениям электрохимического потенциала в ионометрии и постоянных напряжений от источников с высоким внутренним сопротивлением.

Известно устройство измерения электрохимического потенциала в растворах (рН-метр), в котором в качестве входного усилителя с высоким входным сопротивлением для согласования с внутренним сопротивлением первичных преобразователей использован дифференциальный операционный усилитель (ДОУ) в неинвертируюцем включении. (1).

Наиболее близким техническим реше"

1нием к предлагаемому является уст; ройство измерения электрохимического потенциала йонов в растворах, содержа- ро цее измерительную ячейку с буферным раствором, электрод сравнения, подключенный к общей шине устройства, измерительный электрод и высокоомный

2 согласователь, соединенный с регист" рируюцим устройством 2 .

Наряду с выоокой надежностью, дешевизной и малыми габаритами известные устройства измерения электрохими" ческого потенциала, выполненные на базе ДОУ в неинвертирующем включении, вносят в измеряемое значение электрохимического потенциала (ЭП) следующие существенные погрешности: вызванную временным.и температурным дрейфами напряжения. на входе ДОУ, начальным смецением нуля на выходе устройства, обусловленную изменением во времени наклона калибровочной прямой (зависимости выходного напряжения ДОУ от измеряемого ЭП), вызванную соизмеримостью входного сопротивления ДОУ в неинвертирующем включении и внут" реннего сопротивления первичных пре.образователей и обусловленную разбалансом входных токов ДОУ при работе с источниками ЭДС, обладающими высоким внутренним сопротивлением.

3 100

Цель изобретения г повышение точности измерений . электрохимического потенциала ионов в растворе.

Поставленная цель достигается тем, что устройство измерения электрохимического потенциала ионов в растворах, содержащее измерительную ячей ку с буферным раствором, электрод сравнения, йодключенный к общей шине устройства, измерительный электрод и высокоомный согласователь, соединенный с регистрирующим устройством, дополнительно содержит источник опорного калибровочного напряжения, коммутатор и резисторы, причем выход коммутатора соединен с входом высокоомного согласователя, а контакты коммутатора соединены первый с измерительным электродом, остальные - с общей шиной устройства, второй — непосредственно, третий через резистор, четвертый - через источник опорного калибровочного напряжения, а пятый — через последовательно соединенные резистор и источник опорного калибровочного напряжения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства измерения электрохимического потенциала ионов в растворах; на фиг. 2 — эквивалентная схема;,на Фиг. 3-5 - графики, поясняюцие работу предлагаемого устройства, Устройство содержит измерительную ячейку с буферным раствором 1, элект= род 2 сравнения, подключенный к общей шине устройства, и измерительный . (индикаторный) электрод 3 (имеющий внутреннее сопротивление R>) подключенный к входу коммутатора 4, Выход коммутатора 4 подсоединен к.высокоомному согласователю (BC) 5, построенному по схеме ДОУ в неинвертирующем включении, выход которого соединен с регистрирующим устройством

6, источник 7 опорного калибровочного напряжения.

Внутреннее устройство коммутатора 4 выглядит таким образом. Через первый контакт 8 коммутатора индикаторный электрод подключается на выход коммутатора. С помощью второго контакта 9 коммутатора его выход подключается к общей шине устройства.

Через третий контакт 10 выход коммутатора подсоединяется к общей шине через сопротивление 11. При замыкании четвертого контакта 12 на

Вэ

SS. - ИЗМ) — ИЗМ ес

Так как в реальных условиях измерения ЭП РЭ (< Rас а Vèçм рассмотренного частного случая с точностью до

0882 4 выход коммутатора подключается источник 7 опорного калибровочного напряжения, а при замыкании пятого контакта 13 - источник 7 опорного калиб ровочного напряжения через аналогичное укаэанному ранее сопротивление 14.

Устройство работает следующим образом.

При измерении непосредственно

1© (контакт 0 замкнут, а контакты 9, 10, 12, 13 разомкнуты) измеренный потенциал V (символ относится к потен1 циалам, полученным в результате непосредственного измерения выглядит

tS так (для упроцения записи можно считать без ограничения общности рассуждения, что коэффициент передачи ВС по напряжению равен единице):

/ =Ч еЧ +Ч .еЧ (Ч„")М „, „.еЛ,, lo .1 1 *Р СМО K 1 Р,РИС,Ч1 Рэ (1) где V — реальное значение ЭП;

V - значение ЭДС температурного и временного дрейфа, медленно меняющееся во времени;

ЧСм - начальное смещение нуо ля на выходе ВС;

DV <(V <+) - погрешность иэмере (ния ЭП, вызванная изменением наклона калибровочной прямой и зао висяцая от величины / е и VR R, U - погрешность измерения

ЭП, вызванная соизмеримостью внутреннего сопротивления измериЪ тельного электрода R, 46 и входного сопротивления ВС - КВс висящая также от величины V причем зависимость ее от V+ и R> можно считать прямопропорциональной, что можно доказать из рассмотрения делителя напряжения, составленЯ ного из Rg и Йцс (фиг. 2) еием

9 ВС ВС вЂ” -Э*ее .

5 1000

kVy равно Ч" для нашего общего э рассмотрения, то

Уй Ч йэ,, «ЛУ к Вс "э Res Rac

Зто справедливо при Ч ъ> ДЧр, а при их соизмеримости AVю >р gw (<

С(ВЧрэ, т.е. практически равна нулю. AV g - погрешность, вызванная разбалансом входных токов ДОУ при 10 .э работе с высокоомным источником сигнала, т.е. в нашем случае от R

AVE = А - R (3) где А - постоянная величина, определяемая параметрами непосредствен" но ДОУ.

Затем проводятся четыре дополни тельных измерения, причем непосред" ственно за исходным измерением во времени, чтобы можно было считать 20 значения временного и температурного дрейфов и начального смещения одинаковыми для всех пяти измерений, так как все три эти величины во времени практически не меняются, если 33 время проведения всех пяти измере" ний незначительно.

При замкнутом контакте 9 и остальных разомкнутых контактах получаем на выходе BC напряжение V

30 р

Ч2"-Ч +Ч (4) так как в этом случае все остальные тины погрешностей, указанных в (1) превращаются в нуль.

При замкнутом контакте 1О и остальных разомкнутых контактах получаем на выходе BC напряжение V+ .м Ф„т ч-=Ч " ФЧ„+ЬЧ, (И так как Вэ = R в данном случае.

При проведении измерения для заикнутого контакта 12 при разомкнутых остальных контактах получаем значение напряжения V4

% 11Т1

"4="к„н+" *р "с .д /к (, к„н„) (1 считая внутреннее сопротивление источника калибровочного напряжения

5О

Rg ы нулевым, так как практически

Йу >>.ЙК И (реальные значения со противлений R K н составляют единицы

Ом, значения же сопротивлений R3 лежат s пределах от единиц мегаом до гигаома).

Для последнего дополнительного измерения при замкнутом контакте 13

882 4 и при разомкнутых остальных контактах имеем ар . (1)

После проведения измерений производится расчет погрешностей.

Ф

Из величины V» вычитаем величину

V (4) и (5) и получаем значение дН, Учитывая линейную зависимость погрешности от значения Й (3) строим график Яр А„, А (фйг. 3), где А< имеет постоянное для данного ВС значение и может быть обоих знаков. Знал паспортное значение R>,. из графика легко определяется погрешность ЬЧр для конкретного измерительного электрода.

Затем проводим следующую матема" тическую операцию V+< - Ч4- AVp (6) и (7) и находим Ш/р,,RS Ч, Учи"

ВС KH тывая линейную зависимость погрев" ности от йэ, (2), определяем величинУ

AVE р /„н, Зная, что значение погрешностй зависит линейно от Ч (2) и используя найденное значение дЧюэ, рвz,Чан строим график зависимости д(lр,р Чн А2- V + (фиг. 4), где А - йостоянная величина, зависящая от "э и "ВС "о измеренному

Ч.1 из графика определяется соответ ственное значение ДЧр р„Ч+ э вс

Для определения значения погрвш" ности AV (V") проводим следующую математическую операцию Ч44 - Ч1 Н„- V> и находим значение дЧк(Чк и ). Строим график ЬЧ„,V ) (фиг. 5) в линейном (t 1 приближении, что оправдано тем, что зависимость Чвь х Г(Чвх) линейна для современных ДОУ с высокой точностью. Значение дЧ к(/ ) может быть как положительным, так и отрицательным. Затем из графика по значению

V„aaxopve AV<(V<) .

Для определения непосредственного реального значения ЗП V рассмотрим выражение (1). Отсюда ч„=ч „- ч "р Я3-4 д,д, " %, Используя выражение (4), а также найденные из графиков значения остальных погрешностей, определяем V4 .

Предлагаемое устройство позволяет учесть все основные типы погрешностей при данном измерении, т.е. повысить точность измерения ЗП, и, кроме того, дает возможность облег" 25 формула изобретения

7 10008 ,чить требования к входным согласующим устройствам, выполненным на базе ,ДОУ, по таким важным параметрам, ( как входное сопротивление, разбаланс входных токов, приведенные йк входу температурный и временной дрейфы

ДОУ по напряжению. Поскольку погрешности рассчитываются для любого паспортного значения R, то устройство обеспечивает повышение точности по- 1» казаний для любого типа измерительного электрода, Предлагаемое устройство легко автоматизировать, добавив вычислительную машину,.позволяющую рассчитывать 1 > погрешности, оперативно управлять коммутатором и порядком проведения измерений. Поэтому применение ЗВМ позволит дать качественно лучший результат при учете погрешностей устройст-, щ ва, вызванных температурным и временным дрейфами выходного напряжения предлагаемого устройства.

Устройство измерения электрохимического. потенциала ионов в растворах

82 8 содержащее измерительную ячейку с буферным раствором, электрод сравнения, подключенный к общей шине устройства, измерительный электрод и высокоомный согласователь, соединенный с регистрирующим устройством, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно дополнительно содержит источник опорного калибровочного напряжения, коммутатор и резисторы, причем выход коммутатора соединен с входом высокоомного согласователя, а контакты коммутатора соединены первый с измерительным электродом, остальные — с общей шиной устройства, второй — непосредственно, третий— через резистор, четвертый - через источник опорного калибровочного напряжения, а пятый - через последовательно соединенные резистр и источник опорного калибровочного напряжения, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l, Патент Франции V 2227528, кл. G 01 М 27/56, опублик, 1974.

2. Патент Франции Г 2410275, кл. G,01 N 27/ 56, опублик. 1978 (прототип), 3000882

1000882

Заказ 1369/45

Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, _#_(-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г..Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Немцев

Редактор С. Пекарь Техред О.Неце Корректор И.Шулла