Безмикропроцессорный измерительный комплекс для изучения шумовых характеристик химических источников тока

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2008. Т. 8, № 4. С.222-226

УДК 541.136: 621.355

БЕЗМИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

М. А. Абатуров, Л. С. Каневский

Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина

РАН, Москва, Россия

Поступила в редакцию 12.11.0S г.

Рассмотрены возможности создания доступного и сравнительно недорогого измерительного комплекса для регистрации и исследования шумовых характеристик различных электрохимических объектов, в частности химических источников тока. Описано устройство разработанного комплекса, его особенности и основные параметры. Приведено сопоставление эксплуатационных характеристик устройства и импортного оборудования, использующегося для шумовых исследований.

Opportunities of creation of an accessible and rather inexpensive measuring complex for registration and researches of noise characteristics of various electrochemical objects, in particular chemical power sources, are considered. The device of the developed complex, its feature and key parameters are described. Comparison of operational characteristics of the device and the import equipment used for noise researches is brought.

На современном этапе развития теоретической и прикладной электрохимии, когда значительно возрос интерес к изучению феноменологии и механизма электродных процессов, большое внимание уделяется анализу шумовых характеристик изучаемых объектов, в том числе химических источников тока (ХИТ). Эксплуатация ХИТ обычно сопровождается некоторой флуктуацией уровня напряжения, что можно рассматривать как генерирование случайного электрического сигнала на фоне постоянно меняющегося уровня напряжения. Такой случайный неравновесный электрический сигнал обусловлен гетерогенностью поверхности электродов, связанной с процессами активирования и пассивирования электродов в ходе поляризации (разряда источника тока) [1-4]. Регистрация указанных электрических сигналов требует учета специфических условий измерения и разработки соответствующей прецизионной аппаратуры.

До недавнего времени шумовые исследования в электрохимии не получали должного распространения из-за ограниченности возможностей обработки больших информационных массивов, но развитие вычислительной техники снимает эти ограничения. Начинают интенсивно развиваться основанные на микропроцессорной технике методики, предусматривающие анализы широкополосных, шумовых и псевдослучайных сигналов, характеризующих процессы в исследуемых системах. Однако микропроцессорная техника, позволяющая создавать уникальные аппаратурно-программные комплексы любой сложности под различные задачи, доступна лишь специалистам- разработчикам и ее использование в условиях научной лаборатории зачастую сопря-

жено с определенными трудностями в изготовлении и эксплуатации.

В настоящей работе рассматривается возможность решения указанной проблемы простым и доступным способом, основанном на предложенном П. Геллем [5] оригинальном принципе прямого безмик-ропроцессорного подключения микросхемы аналогоцифрового преобразователя (АЦП) к порту персонального компьютера (ПК).

АЦП в данном случае представляет собой полный аналог классического измерительного моста Уитстона в микросхемном исполнении, работа которого управляется ПК с помощью тривиальных команд. Регистрируемый сигнал, отображаемый на экране ПК в виде осциллограммы в масштабе реального времени, записывается в файл и затем обрабатывается и анализируется с использованием стандартных программ.

При разработке измерительного комплекса (его общий вид представлен на рис. 1, а блок-схема на рис. 2) возник ряд проблем, одна из которых — необходимость регистрации шумовых характеристик ХИТ с микровольтовым уровнем интенсивности собственных шумов на фоне высокого уровня постоянного напряжения источника тока (от 1 до 3-4 В).

Указанная проблема была решена с помощью компенсации «избыточного уровня напряжения» исследуемого ХИТ за счет введения в схему контура противо-ЭДС. В состав контура входит аналогичный исследуемому ХИТ Е\ источник тока £2, замкнутый на дополнительный подстроечный резистор прецизионного типа СП-5-44-1 с достаточно большим сопротивлением Я. Значение подстроечного сопротивления Я на 3-4 порядка превышает нагрузочное сопротивление г исследуемого источника тока,

© М. А. АБАТУРОВ, Л. С. КАНЕВСКИЙ, 2008

что обеспечивает практически постоянную величину компенсирующей противо-ЭДС (иси) на фоне непрерывно меняющегося в ходе разряда напряжения (и) исследуемого ХИТ. Кроме того, как показали предварительные замеры, при нагрузке источника тока Е2 очень высокоомным подстроечным сопротивлением Я в измерительной цепи не возникают существенные паразитные электрохимические шумы, которые могли бы заметно повлиять на шумовые характеристики изучаемого ХИТ.

Рис. 1. Измерительный комплекс для регистрации малых флуктуаций напряжения ХИТ: 1 — компьютер (ноутбук) для записи и отображения измеряемого сигнала: 2 — блок предварительного усиления сигнала, его оцифровки и ввода в компьютер; 3 — клетка Фарадея с исследуемым ХИТ, источником противо-ЭДС и подстроечным потенциометром

Для того чтобы слабый шумовой сигнал величиной от нескольких микровольт до нескольких сотен микровольт можно было подать на вход АЦП, его уровень предварительно поднимают до рабочего уровня входных сигналов АЦП (обычно в диапазоне от милливольта до нескольких вольт). Верхний предел диапазона АЦП, определяемый уровнем эталонного опорного напряжения (Uref), обычно равен нескольким вольтам, а нижний предел разрешения (чувствительности) АЦП (AU) определяется разрядностью N АЦП (AU = Uref /2n), которая для рассматриваемого типа микросхем может иметь значения 8, 10, 12, 14 и 16 бит. В данной работе применена схема АЦП (ADC1) на базе микросхемы ADS1286, для которой N = 12 бит, Uref = 4.096 В, и разрешение AU будет достигать значения 1 мВ. Следовательно, предварительный усилитель должен обеспечить подъем уровня измеряемого сигнала с единиц микровольт до сотен милливольт.

Это было достигнуто путем использования разработанного двухкаскадного усилителя (рис. 3) с подекадно переключаемым коэффициентом усиления от 1 • 100 до 1 • 106, что позволяет регистрировать сигналы в полном диапазоне от единиц нановольт до

нескольких вольт. Переключение усиления производится одним сдвоенным галетным переключателем с последовательным охватом всего диапазона. При этом грубые диапазоны используются для предварительной настройки уровня компенсационного напряжения, а чувствительные диапазоны — для окончательной регистрации исследуемых шумов.

К входному каскаду предъявляются повышенные требования с точки зрения минимизации собственных шумов для возможности регистрации слабых шумовых сигналов исследуемого ХИТ. Поэтому в качестве микросхемы усилителя использовалась специальная малошумящая микросхема типа ОР177. Применялась стандартная схема включения в режиме неинвертирующего усилителя с переключаемыми сопротивлениями в цепи обратной связи. Емкости во входной цепи С\ ив цепи обратной связи С2 служат для снижения шумов за пределами исследуемого диапазона выше 20 Гц.

Следует отметить, что емкость, являясь реактивным элементом, в отличие от сопротивления, не может быть источником тепловых шумов [6]. Однако у конденсаторов, с помощью которых реализуется емкость, могут возникать различного рода нестабильности собственных параметров и параметров диэлектрической среды. Получившие в настоящее время широкое применение керамические конденсаторы характеризуются избыточными шумами и флуктуациями различной природы, что делает неприемлемым их использование в описываемом измерительном комплексе. Гораздо более подходящими являются классические слюдяные конденсаторы типа КСО (для емкостей до 0.01 мкФ) и пленочные конденсаторы типа К-73-11 (для емкостей более 0.01 мкФ).

Выходной каскад, обеспечивающий окончательный подъем уровня измеряемого сигнала, собран на микросхеме усилителя общего применения типа ОР07. Применена стандартная схема включения в режиме инвертирующего усилителя с переключаемыми сопротивлениями в цепи обратной связи. С целью снижения помех и наводок предусмотрено автономное электропитание усилителя от двух батарей типа «Корунд».

В схеме использовано основанное на оптоэлектронных преобразователях устройство полной гальванической развязки измерительных цепей, позволяющее исключить взаимные наводки измерительных каналов и компьютера.

Монтаж узлов измерительного комплекса проводился с учетом требований к высокочувствительной аппаратуре [7]. Поскольку испытания сконструированного блока показали, что схема весьма восприимчива к внешним электрическим и магнитным наводкам техногенного характера, для их исключения

Рис. 2. Блок-схема измерительного комплекса: E\ — исследуемый ХИТ, г — нагрузочное сопротивление исследуемого ХИТ, E2 — источник тока контура противо-ЭДС, К — подстроечный резистор контура противо-ЭДС, G — прецизионный усилитель, ADCl — схема АЦП, ADC2 — тракт измерения напряжения исследуемого ХИТ, Т — таймер на микросхеме стандартного часового кварцевого генератора, О — устройство оптоэлектронных преобразователей, М — микросхема электронного коммутатора сигналов (мультиплексор), РС —

персональный компьютер

Рис. 3. Упрощенная принципиальная схема двухкаскадного усилителя. G1 и G2 соответствуют первому и второму каскаду. Сопротивления Я1, Я2...Я9 (С2-29В, ±0.5%) соответственно равны 10.0 Ом, 100 Ом, 1.02 кОм, 11.1 кОм, 100 кОм, 10.1 кОм, 111 кОм, 1.00 МОм, 1.00 МОм. Сопротивления Яю и Яц (МЛТ, ±10%) соответственно равны 10 кОм и 1.0 МОм. Емкости С1, С2 и С3 соответственно равны

0.18, 0.47 и 0.047 мкФ

был применен ряд мер: экранирование усилительного блока и соединительных цепей; помещение в клетку Фарадея исследуемого ХИТ и источника противо-ЭДС вместе с подстраивающими потенциометрами; использование компьютера с автономным питанием от аккумулятора; запитывание входного усилительного каскада от собственного автономного источника.

В результате в разработанном блоке реализован исключительно низкий уровень собственных шумов и высокая чувствительность. На рис. 4 показана осциллограмма собственных шумов усилителя, полученная при короткозамкнутом входе и коэффициенте усиления К = 10б. Уровень шумов усилителя, соглас-

но представленной кривой, в частотном диапазоне 0.2-10 Гц составляет около 100 нВ (в размахе).

Такая чувствительность вполне достаточна для уверенной регистрации шумов исследуемых ХИТ, поскольку средний уровень электрических шумов источников тока, как правило, на 2-3 порядка больше уровня собственных шумов разработанного блока. Следует отметить, что указанная выше чувствительность — не предел для современных микросхем. В соответствии с приведенными в [8] рекомендациями по достижению предельной чувствительности с учетом характера объекта, была испытана микросхема ЛБ797, которая была установлена во входном усилительном каскаде взамен вышеописанной микросхемы

ОР177. Соответствующая осциллограмма показана на том же рис. 4. Видно, что уровень собственных шумов у микросхемы ЛБ797 не превышает 20 нВ, т. е. значительно ниже, чем у микросхемы ОР177. Поскольку однако корректная реализация такой предельной чувствительности сопряжена с существенными трудностями при устранении наводок и помех, в настоящей работе мы ограничились достаточно приемлемыми для наших целей возможностями, которые может обеспечить использование микросхемы ОР177.

Рис. 4. Временной спектр собственных шумов усилителей ОР177

В результате разработанный блок, обеспечивающий необходимое усиление шумового сигнала, его оцифровку и ввод в ПК через СОМ-порт, имеет следующие эксплуатационные параметры: частотный диапазон от 0.001 до 20 Гц, разрешение по уровню регистрируемых шумов 0.1 мкВ (10 нВ — в пределе

при K = 1 • 106), средний уровень собственных шумов (амплитуда паразитного шума при тестировании реальных объектов) не выше 0.1 мкВ (0.01 мкВ при использовании микросхемы AD797).

Интересно сопоставить эти показатели с соответствующими параметрами цифрового вольтметра, встроенного в электрохимический комплекс (потенциостат-гальваностат) «Electrochemical Interface Solartron 1286» (британская фирма S^^rnberger), который рекламируется производителем как современный инструмент для исследований электрохимических шумов разных объектов: дискретность измеряемых сигналов 2 Гц, предельное разрешение 1 мкВ, средний уровень собственных шумов ~ 3 мкВ (рис. 5).

U, мкВ

-з

100

200

t, c

Рис. 5. Временной спектр собственных электрических шумов цифрового вольтметра, встроенного в потенциостат-гальваностат «Electrochemical Interface Solartron 1286»

При использовании вышеназванного прибора для получения достаточно информативных данных о флуктуационных процессах при стандартной дискретности отсчета (1 с) необходимо проведение эксперимента в течение нескольких десятков минут (для корректного анализа результатов эксперимента массив данных должен содержать, как правило, не менее 1024 или, по крайней мере, 512 точек отсчета), тогда как использование представленного в нашей работе измерительного комплекса позволяет за существенно более короткий отрезок времени (не более 5 мин.) получить достаточно большой массив данных, отличающихся высокой точностью и большой информативностью. При этом следует отметить доступность и сравнительную дешевизну элементной базы.

На рис. 6 в качестве примера продемонстрирован фрагмент зарегистрированной при использовании разработанного измерительного комплекса разрядной кривой тионилхлоридно-литиевого элемента

з

0

а

6

0

t ,с

б

LS 14З00 типоразмера АА (производство французской компании SAFT) и шумовая характеристика разряжаемого элемента. Последняя была получена путем исключения тренда разрядной кривой методом компьютерного полиномного фитингования по программе Origin Lab-61.

t, c

а

I, с

б

Рис. 6. Фрагмент разрядной кривой тионилхлоридно-литиевого элемента ЬБ 14500 (а) и шумовой спектр элемента во временном пространстве (б). Степень разряженности элемента при регистрации фрагмента кривой составляет 80%

Особо следует отметить, что массив экспериментальных данных, полученных за очень непродолжительное время наблюдения (всего за 300 с) при частоте выборки 32 Гц содержит почти 10000 точек, что многократно превышает объем обычно регистрируемых в ходе экспериментов данных, необходимых для корректного анализа шумовых характеристик. Это позволяет получать за короткое время весьма представительную информацию, практически не искаженную изменениями, которые неизменно происходят с изучаемой электрохимической системой в ходе поляризации (или разряда источника тока).

Таким образом, очевидны возможности использования измерительного комплекса для выявления электрических шумов небольшой интенсивности. В рассматриваемом случае амплитуда шумов не превышает 150 мкВ на фоне сравнительно высокого напряжения (в данном конкретном случае ~3.1 В), что позволяет путем последующего анализа получить содержательную информацию о протекающих на электродах исследуемого объекта обратимых и необратимых электрохимических процессах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимость проведения шумовых исследований различных электрохимических процессов, в том числе разряда химических источников тока, и отсутствие в настоящее время доступной прецизионной электронной аппаратуры поставили на повестку дня задачу разработки сравнительно несложного, но достаточно надежного оборудования, способного обеспечить выполнение работ по изучению электрохимических шумов.

Одним из вариантов такого оборудования является разработанный в ИФХЭ РАН измерительный комплекс, основанный на принципе прямого безмик-ропроцессорного подключения микросхемы аналогоцифрового преобразователя к порту персонального компьютера. Помимо простоты и сравнительно невысокой стоимости, достоинством этого комплекса является возможность получения надежных и корректных результатов при регистрации электрохимических шумов. Кроме того, эксплуатационные характеристики комплекса — разрешающая способность, уровень собственных шумов, частота выборки — превосходят соответствующие параметры импортного оборудования (например, электрохимического комплекса Solartron), используемого для шумовых исследований.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект 08-03-00051 -а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тягай В. А., Колбасов Г А. // Журн. физ. химии. 1972. Т. 46. №9. С. 2384.

2. Roberge P.R., Halliop E., Farrington M.D. // J. Power Sources. 1991. Vol. 34. №3. P. 233.

3. Каневский Л. С., Скундин А. М., Сунцов А. Е. // Электрохим. энергетика. 2002. Т. 2, №3. С. 140.

4. Каневский Л. С., Астафьев М. Г., Графов Б. М. // Электрохимия. 2005. T. 41, №10. С. 1226.

5. Guelle P Insrumentation virtuelle sur PC. Paris: ETSF, 1998.

6 Ziel A. Van der. Noise. Englewood Cliffs, N. J.: Prentice-Hall.

Inc., 1970.

7. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 2001. С. 412-493.

8. Lee P Low Noise Amplifier Selection Guide for Optiimal Noise Performance (Аpplication Note AN-940) Norwood, USA Analog Devices. 2007. Р. 8.

9. Каневский Л. С. // Электрохим. энергетика. 2008 Т.2, №2. С.92