МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Многофункциональный электрохимический комилекс.
Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, в частности к электрохимическим приборам, и может использоваться в промышленности, научных исследованиях, проведения практикумов и лабораторных работ по аналитической химии.
Известны установки для электрохимического определения вещества и его свойств методами кондуктометрии, потенциометрии, амперометрии и кулонометрии Основы современного электрохимического анализа / Г.К.Будников, В.Н.Майстренко, М.Р.Вяселев. - М.: Мир: Бином ЛЗ, 2003. - 592 с. Ил. - (Методы в химии). Каждая из установок содержит отдельные блоки, задающие потенциал или ток, а также блоки, регистрирующие электрохимические процессы, происходящие в анализируемом растворе. К недостаткам данных установок можно отнести их аппаратурную громоздкость и сложность при переходе от одного метода определения вещества к другому.
Известен многофункциональный измерительный комплекс Патент РФ на полезную модель № 29780, выбранный в качестве прототипа, содержащий электрохимический датчик, мини-ЭВМ, которая связана с. блоком управления источником тока и/или напряжения, при этом его выход соединен с входом электрохимического датчика, выход которого соединен через преобразователь тока в напряжение с одним из входов синхронного детектора, причем, выход преобразователя тока в напряжение соединен с вторым входом блока управления источником тока и/или напряжения, второй вход синхронного детектора связан с мини ЭВМ, а выход - с входом многоканального аналого-цифрового преобразователя, соединенного с сходом мини-ЭВМ, причем, входы многоканального аналого-цифрового преобразователя связаны с соответствующими выходами N-датчиков измеряемых параметров, кроме
200at§ 35
t /  S
МПК 7 G 01 N 25/00,27/00
того, один из выходов МИНИ-ЭВМ связан с блоком унравления иснолнительными устройствами, выходы которого соединены с входами N-исполнительных устройств, где N - не менее одного, при этом, мини-ЭВМ соединена с устройствами ввода/вывода данных.
Недостатком прототина является необходимость наличия гальванически развязанных но питанию дополнительных устройств, при реализации методов косвенного кулонометрического титрования и, обязательно, гальванически развязанного блока управления для синхронной работы.
Задачей полезной модели является создание измерительного комплекса с расширенными функциональными возможностями, позволяющего реализовать на практике весь спектр методов электрохимического анализа в одном приборе с высокой точностью.
Поставленная задача достигается за счет того, что в многофункциональном электрохимическом комплексе, содержащем так же, как в прототипе, связанные между собой мини-ЭВМ, управляемый инвертор, фильтр низких частот, причем выход миниЭВМ связан с входом синхронного детектора, последовательно соединенные преобразователь тока в напряжение, синхронный детектор и многоканальный аналогоцифровой преобразователь, при этом многоканальный аналого-цифровой преобразователь соединен с мини-ЭВМ, выход которой соединен с блоком управления исполнительными устройствами, выходы которого связаны с перемешивающим устройством, нагревательным элементом и насосом, устройства ввода-вывода, соединенные с ЭВМ, датчики измеряемых параметров, усилитель мощности.
В отличие от прототипа входы первого блока электронных ключей соединены с фильтром низких частот, с преобразователем тока в напряжение, с выходами усилителя мощности и мини-ЭВМ, а выходы первого блока электронных ключей соединены с входами усилителя мощности и многоканального аналого-цифрового преобразователя.
ВХОД которого связан буферным усилителем, а второй блок электронных ключей нодсоединен к блоку измерения тока или напряжения, при этом первый и второй блоки электронных ключей, преобразователь тока в напряжение и буферный усилитель снабжены входами для связи с соответствующими датчиками измеряемых параметров, кроме того, первый блок гальванической развязки связан с мини-ЭВМ и устройством ввода-вывода, а второй блок гальванической развязки связан с блоком измерения тока или напряжения, со вторым блоком электронных ключей, с задатчиком напряжения и с мини-ЭВМ, при этом задатчик напряжения и усилитель мощности снабжены выходами для связи с электродами задаваемых параметров для воздействия на объект исследования.
На фиг. 1 представлена блок - схема многофункционального электрохимического комплекса.
Многофункциональный электрохимический комплекс содержит мини-ЭВМ 1, соединенную с входами управляемого инвертора 2 и одним из двух входов синхронного детектора 3. Мини-ЭВМ 1 имеет двустороннюю связь с первым и вторым блоками гальванической развязки 4 и 5, а также соединена с первым из пяти входов первого блока электронных ключей 6. Выход управляемого инвертора 2 соединен с фильтром низких частот 7, выход которого соединен со вторым из пяти входов первого блока электронных ключей 6. К третьему и четвертому входу первого блока электронных ключей 6 подключены выход усилителя мощности 8 и выход преобразователя тока в напряжение 9. Два из трех выходов первого блока электронных ключей 6 соединены с входами усилителя мощности 8, один из трех выходов подсоединен к одному из трех входов многоканального аналого-цифрового преобразователя 10. Ко второму входу многоканального аналого-цифрового преобразователя 10 подключен выход буферного усилителя И. К третьему входу многоканального аналого-цифрового преобразователя 10 подключен выход
e6S35
синхронного детектора 3, второй вход которого связан со вторым выходом преобразователя тока в напряжение 9. Выходы первого блока гальванической развязки 5 соединены с входом задатчика напряжения 12 и с одним из входов второго блока электронных ключей 13, два выхода которого подключены к двум входам блока измерения тока или напряжения 14. Выход блока измерения тока или напряжения 14 соединен с входом второго блока гальванической развязки 5. Первый блок гальванической развязки 4 соединен двусторонней связью с устройством ввода вывода 15, который подключен к ЭВМ 16. Кроме того, мини-ЭВМ 1 соединена с блоком управления исполнительными устройствами 17, выходы которого связаны со входами перемешивающего устройства 18, нагревательного элемента 19 и насоса 20. К входу второго блока электронных ключей 13, к пятому входу первого блока электронных ключей 6, к входу буферного усилителя Пик входу преобразователя тока в напряжение 9 имеется возможность подключения датчиков измеряемых параметров А, В,Г и Е. К выходам блоков задатчика напряжения 12 и усилителя мощности 8 можно подключить электроды задаваемых параметров Д и Б. Для упрощения блок - схемы, гальванически развязанные источники питания не показаны.
В качестве мини-ЭВМ 1 использован, например, процессор AT82S51. Управляемый инвертор 2 и синхронный детектор 3 могут бьггь выполнены, например, на основе операционного усилителя 140УД25 (или его аналогов) и электронного ключа серии 590. В качестве блоков гальванической развязки 4 и 5 можно использовать, например, АОТ128. В качестве фильтра низких частот 7 можно использовать активный RC-фильтр второго порядка собранного, например, на операционном усилителе серии 140 или 544. Усилитель мощности 8 и задатчик напряжения 12 могут бьггь выполнены на основе операционных усилителей серии 140 или 544 с выходными каскадами на транзисторах , например, КТ972 и КТ 973. Преобразователь тока в напряжение 9, блок измерения тока или напряжения 14 и буферный усилитель И могут быть собраны на
основе операционных усилителях серии 140 или 544. Многоканальный аналогоцифровой преобразователь 10, первый блок электронньк ключей 6 и второй блок электронных ключей 13 - например, микросхемы серии CS. Блок управления исполнительными устройствами 17 представляет собой набор электронных ключей на основе биполярных или полевых транзисторов, например, КБ 972, КТ 973 или аналогичных. Перемешивающие устройство 18 может быть вьшолнено на основе набора электромагнитов, создающих вращающееся магнитное поле и металлической или магнитной мешалки. Нагревательный элемент 19 представляет собой активный тепловыделяющий элемент. Насос 20 может представлять собой насос центробежного или шестеренчатого типа. В качестве устройства ввода - вывода 15 может быгь использована пленочная клавиатура и цифровое табло для автономного режима работы или интерфейс RS-232 для режима работы с ЭВМ 16 типа ШМ PC. В качестве датчиков измеряемых параметров А, В, Г и Е могут быть использованы, например, термопары серии ХК, полупроводниковые термодатчики К1019ЕМ, кварцевые датчики температуры или давления, электроды для нолучения сигналов в различных электрохимических процессах. В качестве электродов задающих параметров Б и Д можно использовать различные электроды для воздействия на электрохимическую систему.
Многофункциональный электрохимический комплекс работает следующим образом. При проведении косвенного кулонометрического титрования алгоритм управления и измерения электрохимическим процессом задается посредством передачи набора команд от ЭВМ 16 через устройство ввода-вывода 15 и первый блок гальванической развязки 4 к мини-ЭВМ 1. Мини-ЭВМ 1 формирует выходные и регистрирует входные параметры. Выходное напряжение постоянного тока формируется следующим образом: щиротно-модулированный сигнал с мини-ЭВМ 1 поступает на управляемый инвертор 2, задающий полярность напряжения, далее на
фильтр низких частот 7, где отфильтровьюаются все частоты выше частоты модуляции.
Выходное напряжение может меняться от О до Umax в зависимости от скважности имнульсов. При необходимости нолучения переменного напряжения, скважность импульсов меняется по синусоидальному закону (от О до тс), затем переключается управляемый инвертор 2, и так же получается другая полуволна (от я до 2л) противоположной полярности. Заданное напряжение поступает на вход первого блока электронных ключей 6, а с его выхода на неинвертирующий вход усилителя мощности 8. Далее, в зависимости от того, какой выбран метод косвенного кулонометрического титрования, происходит следующие: при проведении косвенной гальваностатической кулонометрии выход преобразователя тока в напряжения 9 через первый блок электронных ключей 6 соединяется с инвертирующим входом усилителя мощности 8 и в результате усилитель мощности 8 начинает работать в режиме генератора тока; при провидении косвенной потенциостатической кулонометрии выход усилителя мощности 8 через первый блок электронных ключей 6 соединяется с его инвертирующим входом и в результате усилитель мощности 8 начинает работать в режиме генератора напряжения. В режиме измерения синхронной или квадратурной составляющей входного тока сигнал с преобразователя тока в напряжение 9 поступает на синхронный детектор 3, где преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное выбранной составляющей, а затем поступает на многоканальный аналого-цифровой преобразователь 10. Данные, например, о температуре объекта исследования, выдаются датчиком температуры и через буферный усилитель 11 поступают на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 10. Мини-ЭВМ 1 осуществляет управление гальванически развязанной частью блок-схемы прибора следующим образом: при необходимости потенциометрических измерений через второй блок гальванической развязки 5 задается нулевой потенциал на выходе задатчика напряжения 12, а вход А второго блока электронных ключей 13 подключается к
.iW,/: fj  S
6
потенциометрическому входу блока измерения тока или напряжения 14; при необходимости амперометрических измерений через второй блок гальванической развязки 5 на выходе задатчика напряжения 12 формируется заданный потенциал, а вход А второго блока электронных ключей 13 подключается к амперометрическому входу блока измерения тока или напряжения 14, далее полученные данные через второй блок гальванической развязки 5 поступают в мини-ЭВМ 1. Все данные, поступающие в мини-ЭВМ 1, из аналого-цифрового преобразователя 10 и блоков гальванической развязки 4 и 5, обрабатьшаются в соответствии с программно заложенным алгоритмом и посредством выходных ключей блока управления исполнительными устройствами 17, происходит регулирование и управление процессом измерения. Текущий контроль может осуществляться при помощи устройства вывода данных 15. Мини-ЭВМ 1 снабжена энергонезависимой памятью, в которой сохраняются заданные оператором установки и параметры цикла измерений при помощи устройства ввода данных 15, также в энергонезависимой памяти сохраняются данные последнего цикла измерений. Закончив цикл измерений, полученные данные можно обсчитать с помощью ЭВМ 17.
Таким образом, заявляемый комплекс позволяет реализовать на практике такие методы электрохимического анализа, как кондуктометрия, потенциометрия, потенциометрическоетитрование,вольтамперометрия,амперометрия,
амперометрическое титрование, кулонометрия и кулонометрическое титрование.