Высокочастотный измеритель импеданса электрохимических систем

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения импеданса электрохимических систем в широком диапазоне частот при поляризации их заданным током или потенциалом . Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерения - достигается за счет обеспечения коррекцииамплитудно-фазочастотных искажений, вносимых кабелем связи и повторителем напряжения, и повышения точности задания требуемого значения амплитуды тока, протекающего через исследуемый объект. Сигнал с выхода генератора гармонических колебаний через аттенюатор 3, соединительный кабель 23 и повторитель 22 напряжения прикладывается к участку электрохимической ячейки 7 между электродами 21 и 6 и общей точкой измерителя. Ток, протекающий через рабочий электрод 6, воспринимается вторичной

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51>5 G 01 R 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОП И САН И Е И ЗО БР ЕТЕ Н ИЯ ."

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4722701/21 (22) 18.07.89 (46) 30.03.92. Бюл. ¹ 12 (71) Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО АН СССР (72) А.А,Волошин и С.П.Новицкий (53) 621.317.73(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1101756, кл. G 01 R 27/02, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N 1432417, кл, G 01 R 27/02, 1988, (54) ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

ИМПЕДАНСА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения импеданса электрохимических

„„Ы2 „„1723534 A l систем в широком диапазоне частот при поляризации их заданным током или потенциалом, Цель изобретения — повышение точности и расширение диапазона измерения — достигается за счет обеспечения коррекции амплитудно-фазочастотных искажений, вносимых кабелем связи и floвторителем напряжения, и повышения точности задания требуемого значения амплитуды тока, протекающего через исследуемый объект. Сигнал с выхода генератора гармонических колебаний через аттенюатор 3, соединительный кабель

23 и повторитель 22 напряжения прикладывается к участку электрохимической ячейки

7 между электродами 21 и 6 и общей точкой измерителя. Ток, протекающий через рабочий электрод 6, воспринимается вторичной

1723534 обмоткой трансформатора 8 тока и преобразуется в напряжение преобразователем 13 тока в напряжение, которое поступает на сигнальный вход формирователя 14 напряжения промежуточной частоты, на гетеродинный вход которого поступает напряжение генератора 20 гармонических колебаний, В блоке 2 автоматического регулирования производится сравнение модуля выходного напряжения формирователя 14 с опорным постоянным внутренним напряжением. Напряжение, подаваемое через соединительный кабель 4, повторитель 5 напряжения, образцовый пассивный двухполюсник 18, трансформатор 17 тока и изИзобретение относится к электроизмерительной технике и может быть предназнанено для измерения характеристик электрохимических систем (измерения импеданса этих систем в широком диапазоне частот при поляризации их заданным током ил и поте н ци алом).

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерения.

На чертеже представлена электрическая функциональная схема высокочастотного измерителя импеданса электрохимических систем.

Высокочастотный измеритель импеданса электрохимических систем содержит генератор 1 гармонических колебаний и блок

2 автоматического регулирования, выходы которых соединены соответственно с сигнальным и управляющим входами электронно-управляемого аттенюатора 3, выход которого через кабель 4 соединен с входом повторителя 5 напряжения.

Измеритель содержит также рабочий электрод 6 электрохимической ячейки 7, который соединен с кольцевым сердечником трансформатора 8 тока и подключен к общей точке.

Измеритель содержит также поляризующий электрод 9, между которым и общей точкой подключен выход потенциостата 10 и электрохимической ячейки 7, потенциальный входной зажим потенциостата соединен с электродом 11 сравнения, потенциостат 10 подключен между поляризующим электродом 9 и общей точкой, Измеритель содержит также пористую диафрагму 12, Вторичная обмотка трансформатора 8 тока через последовательно соединенные

35 мерительный преобразователь 16 тока в напряжение, поступает на сигнальный вход формирователя 19 сигнала промежуточной частоты, Сигналы с выходов формирователей 14 и 19 поступают на входы блока 15 фазочувствительных детекторов. Поляризация рабочего электрода 6 заданным током или потенциалом относительно электрода

11 сравнения производится с помощью потенциостата 10. Пористая диафрагма 12 препятствует прохождению продуктов реакции, образующихся на поляризующем электроде 9 при протекании постоянной составляющей тока, в основной объем электрохимической ячейки 7. 1 ил. измерительный преобразователь 13 тока в напряжение и формирователь 14 сигнала промежуточной частоты подключена к опорному входу блока 15 фазочувствительных детекторов и входу блока 2 автоматического регулирования.

Измеритель также содержит измерительный преобразователь 16 тока в напряжение, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора 17 тока, сердечник которого соединен с вторым токоподводом образцового пассивного двухполюсника 18, первым своим токоподводом подключенного к выходу повторителя 5 напряжения, выход измерительного преобразователя 16 соединен с сигнальным входом формирователя 19 сигнала промежуточной частоты, выход которого подключен к сигнальному входу блока

15 фазочувствительных детекторов.

Измеритель также содержит генератор 20 гармонических колебаний, выход которого соединен с гетеродинными входами формирователей 14 и 19 сигналов промежуточной частоты. Вспомогательный электрод 21 через второй повторитель

22 напряжения и кабель 23 подключен к выходу электронно-управляемого аттенюатора 3 и входу повторителя 5 напряжения.

Общие точки трансформатора 17 тока, формирователей 14 и 19 сигнала промежуточной частоты, генераторов 1 и 20 гармонических колебаний, измерительных преобразователей 13 и 16 тока, повторителей 5 и 22 напряжения, электронно-управляемого аттенюатора 3, блока 2 автоматического регулирования, блока 15 фазочувствительных детекторов соединены с общими точками трансформатора 8 тока и потенциостата 10, 1723534

Высокочастотный измеритель импеданса электрохимических систем работает следующим образом, Сигнал с выхода генератора 1 через аттенюатор 3, соединительный кабель 23 и повторитель 22 напряжения прикладывается к участку электрохимической ячейки 7 между электродами 21 и 6 и общей точкой измерителя.

Ток Ip, протекающий через рабочий электрод 6, воспринимается обмоткой трансформатора 8 тока и преобразуется в напряжение преобразователем 13 тока в напряжение. Это напряжение поступает на сигнальный вход формирователя 14 сигнала промежуточной частоты. На гетеродииный вход формирователя 14 поступает напряжение генератора 20. Рабочая частота генератора 20 (f2) сдвинута по отношению к частоте генератора 1 (f1) на постоянную величину (f1 f2 = fnp = const), и Ри этом fop « f1. Нап РЯжение промежуточной частоты формирователя 14 поступает на опорный вход блока 15 фазочувствительных детекторов и на вход блока 2 автоматического регулирования. В блоке 2 производится сравнение модуля выходного напряжения формирователя 14, равного U14, с опорным постоянным внутренним напряжением Е2, При наличии из неравенства в блоке 2 формируется усиленный разностный сигнал, который, регулируя коэффициент передачи аттенюатора.3, изменяет его выходное напряжение U3 и в измерительной цепи имеет место соотношение: ! U14 I = Е2..., (1) где 014= Ip к8 к13 K14= Ip к = Ip I Ki I e, (2)

Ip = 03 К22 K23/2н Ki = К8 К13 К14, 03 К22 К23 =

=022 — выходное напряжение повторителя

22; 2н — импеданс участка цепи между вспомогательным и рабочим электродами и общей точкой измерителя — измеряемый импеданс, подключенный к выходу повторителя 22 напряжения; К8, К13, К22, К23 — коэффициенты передачи соответствующих узлов измерителя; i — вносимый паразитный фазовый сдвиг канала формирования напряжения 014, Из выражений (1) и (2) следует, что;

1р2н = 022 = Он а,также, что,при К; I= const значение ! Ip I = Е2/ IKi )не зависит от значения измеряемого импеданса 2н, Напряжение U3 через соединительный кабель 4 и повторитель 5 напряжения (соответственно с коэффициентами передачи

К4 и К5) поступает на вход последнего, При обеспечении равенства К23 = К4 и K22 = Ks u с учетом выражения (3) имеем

1 . C

0н = 022 = 03 К4 K5 = 05, (4) где Us — напряжение на выходе повторителя

5. Это напряжение обуславливает формирование на выходе формирователя 19 сигнала

5 промежуточной частоты:, U19 = U5K16 К17 K1s К19 = Us K = Up I KU I e (5) где К16 K1s — коэффициенты передачи соответствующих узлов; — вносимый паразит10 ный фазовый. сдвиг канала формирования напряжения U1g.

Исходя из (2) и (5) и с учетом (3), запишем выражение для отношения:

019 Ip K16 К17 К18 X1g

15 014 Ip Ks К13 К14

Из (6) видно, что при К16 К17 К18 К19/К8

К13 K14 = К 2н ОТНОШЕНИЕ СИГНаЛОВ будЕт прямо пропорционально измеряемому импедансу 2н, Обеспечение этого условия в

20 измерителе достигается тем, что повторители 5 и 22 напряжения, соединительные кабели 4 и 23, трансформаторы 8 и 17 тока, измерительные преобразователя 13 и 16 и формирователя 14 и 19 сигналов промежу25 точной частоты выполнены идентичными, точнее они имеют равные или отличающиеся на постоянное фиксированное значение коэффициенты передачи. Поэтому при К18 = 1/R18 и, в чаСтнОСти, при К16 К17 K19 = KS К13 К14

30 К = 1/Я18, где R18 — значение сопротивления образцового пассивного двухполюсника 18, Из выражения (6) имеем:

U1g = U14 К /ZH/e1 "

35 где p, = arctg(x/R) — угол сдвига между током Ip и напряжением Он, Х и R — мнимая и действительная составляющие импеданса:

2н = R -)X.

Напряжение 014 поступает на опорный

40 вход блока 15. Здесь оно принято за начало отсчета фазовых углов, B этом случае сигналы этого блока соответственно равны:

UR = U14 I K К15 lZ

45 где К = 014 К4 K15 — коэффициент пропорциональности; К15 — коэффициент передачи блока фазочувствител ьн ых детекторов.

Из выражения (7) следует, что при К =

=const выходные сигналы прямо пропорци50 ональны искомым составляющим R u X измеряемого импеданса.

Поляризация рабочего электрода 6 заданным током или потенциалом относительно электрода 11 сравнения производится с помощью потенциостата 10.

Пористая диафрагма 12 препятствует прохождению продуктов реакции, образующихся на поляризующем электроде 9 при

1723534

50

Составитель Ю. Минкин

Редактор Т. Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор С. Черни

Заказ 1063 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 протекании постоянной составляющей тока, в основной объем электрохимической ячейки, Обеспечение коррекции амплитуднофазочастотных искажений, вносимых кабелем связи и повторителем напряжения, а также повышение точности задания требуемого значения амплитуды тока, протекающего через исследуемый объект, позволяет более чем в три раза повысить точность измерения,. повысить в два раза верхний частотный предел и снизить в пять раз нижний частотный предел, что в конечном итоге значительно расширяет диапазон измерения.

Формула изобретения

Высокочастотный измеритель импеданса электрохимических систем, содержащий первый генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к сигнальному входу электронно-управляемого аттенюатора, управляющий вход которого подключен к выходу блока автоматического регулирования, вход которого соединен с опорным входом блока фазочувствитель-! ных детекторов и выходом первого формирователя сигнала промежуточной частоты, сигнальный вход которого через последовательно соединенные первые измерительный преобразователь тока в напряжение и трансформатор тока подключен к рабочему электроду электрохимической ячейки, электрод сравнения и поляризующий электрод которой соединены соответственно с входом и выходом потенциостата, второй генератор гармонических колебаний, выход которого соединен с гетеродинными входами первого и второго формирователей сигна5 лов промежуточной частоты, причем выход второго формирователя сигналов промежуточной частоты соединен с сигнальным входом блока фазочувствительных детекторов, а вход через

10 последовательно соединенные измерительный преобразователь тока в напряжение и трансформатор тока, образцовый пассивный двухполюсник и первый повторитель напряжения — с выходом электрон15 но-управляемого аттенюатора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения, в него введен второй повторитель напряжения, вход которого подключен к

20 выходу электронно-управляемого аттенюатора, а выход соединен со вспомогательным электродом электрохимической ячейки, общие точки первого и второго измерительных преобразователей тока в напряжение, пер25 вого и второго генераторов гармонических колебаний, первого и второго повторителей напряжения, первого и второго трансформаторов тока, первого и второго формирователей сигнала промежуточной частоты, 30 блока автоматического регулирования, электронно-управляемого аттенюатора и блока фазочувствительных детекторов соединены между собой,