Вольтамперометрический анализатор

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР
Полезная модель относится к области аналитической химии и может быть использована при анализе любых объектов окружающей среды на содержание контролируемых неорганических и органических примесей.
При определении контролируемых примесей на электрохимическую ячейку от источника поляризующего напряжения подается напряжение, и измеряется ток, протекающий через нее, который затем преобразователем токнапряжение преобразуется в напряжение, являющееся выходной величиной. Преобразователь ток-напряжение содержит эталонный резистор. (Вяселев М.Р. Ж. Аналитическая химия, 1983, т. 38, № 3, с. 373 - 381.). Недостатком этого устройства является низкая точность измерений из-за большой величины случайной помехи, обусловленной наличием генератора щумового напряжения усилителя преобразователя ток-напряжение и относительно малым сопротивлением эталонного резистора.
Известен вольтамперометрический анализатор, реализующий способ вольтамперометрии согласно изобретению по патенту № 2096778 ( МПК 6 G 01 N 27/48, опуб. 20.11.97 г.). Вольтамперометрический анализатор содержит источник поляризующего напряжения, электрохимическую ячейку (ЭХЯ) с электродом сравнения и измерительным электродом, преобразователь тока электрохимической ячейки в напряжение, включающий усилитель и эталонный резистор, соединенный с масштабным преобразователем через средства переключения. Для уменьшения погрешности измерения за счет снижения
G 01 N27/48
шумов в этом устройстве эталонный резистор выполнен с возможностью переключения номинала.
Недостатком этого анализатора является нарушение линейности преобразователя ток-напряжение, связанное с необходимостью точно согласовывать соотношение величины эталонных резисторов и сопротивление ключей в преобразователе ток-напряжение и масштабном усилителе. Помимо этого, дополнительный шум создает устройство переключения. Известно, что электрохимическая ячейка обладает достаточно большой емкостью, и при коммутации эталонных сопротивлений переходные процессы преобразователя ток-напряжение, нагруженного на эту емкость, вызьгеают неконтролируемые воздействия на ЭХЯ. Данные воздействия вызывают дополнительные искажения аналитического сигнала. Включение ЭХЯ последовательно между источником поляризующих напряжений и измерительным преобразователем повышает требование к шумовым свойствам источника поляризующего напряжения т.к. его напряжение шума практически полностью (за счет емкости ЭХЯ) приложено к входу преобразователя и усиливается им.
Задачей данной полезной модели является снижение  характеристик, расширение динамического диапазона измеряемых токов при высокой линейности преобразования и одновременной компенсации емкости электрохимической ячейки.
Поставленная задача решается тем, что в вольтамперометрический анализатор, содержащий, как и прототип, источник поляризующего напряжения, электрохимическую ячейку с электродом сравнения и измерительным электродом, преобразователь тока электрохимической ячейки в напряжение, включающий усилитель и эталонный резистор, соединенный с
инвертирующим входом усилителя и измерительным электродом, в отличие от прототипа, дополнительно введен усилитель сравнения, при этом электрод сравнения подключен к выходу первого усилителя, который соединен с неинвертирующим входом усилителя сравнения, к инвертирзтощему входу которого подключен источник поляризующего напряжения, выход усилителя сравнения соединен через эталонный резистор с измерительным электродом электрохимической ячейки и одновременно является выходом анализатора.
Таким образом, ЭХЯ включена в цепь отрицательной обратной связи первого усилителя. Данное включение позволяет снизить уровень шумов за счет того, что емкость электрохимической ячейки совместно с первым усилителем образует схему интегратора для напряжения шума. Соответственно, интегрирование уменьшает высокочастотную составляющую и вьщеляет среднее значение, которое для большинства типов шумов равно нулю.
В дальнейшем сущность полезной модели поясняется описанием и чертежом, на котором приведена схема вольтамперометрического анализатора.
Вольтамперометрический анализатор содержит источник поляризующего напряжения 1, электрохимическую ячейку 2 с электродом сравнения 3 и измерительным электродом 4, усилитель 5, эталонный резистор 6, усилитель сравнения 7. Источник поляризующего напряжения 1 соединен с инвертирующим входом усилителя сравнения 7, измерительный электрод 4 соединен с неинвертирующим входом усилителя 5 и эталонным резистором 6, электрод сравнения 3 подключен к выходу усилителя 5, который соединен с неинвертирующим входом усилителя сравнения 7, выход усилителя сравнения 7 соединен через эталонный резистор 6 с измерительным электродом 4
электрохимической ячейки 2 и одновременно является выходом анализатора, подключаемому к регистрирующему устройству (на чертеже не показано).
Исходя из того, что вольтамперометрический анализ основывается на измерении тока протекающего через ЭХЯ при известном потенциале на ней, опишем работу данной схемы. Допустим на выходе источника поляризующего напряжения 7 присутствует некоторое напряжение U. Данное напряжение сравнивается с напряжением с выхода первого усилителя 5 и усиливается усилителем сравнения 7, вызывая появление тока в цепи эталонного сопротивления 6 и соответственно на входе первого усилителя 5. Соответственно на выходе первого усилителя 5 возникает потенциал, который приложен к электроду сравнения 3 ЭХЯ 2. Возникающий при этом ток ЭХЯ возвращается на вход первого усилителя 5 посредством измерительного электрода 4 ЭХЯ 2. Так как первый усилитель является инвертирующим, то направление тока ЭХЯ 2 противоположно току, протекающему через эталонный резистор 6, соответственно напряжение на выходе первого усилителя 5 стремится к заданному напряжению U источника поляризующего напряжения 1. Соответственно, уменьшается разность напряжений между входами усилителя сравнения 7 и схема приходит к равновесию. При этом ток в цепи входа первого усилителя 5 равен нулю, т.к. ток, протекающий через эталонный резистор 6 уравновешен током ЭХЯ 2, соответственно потенциал входа первого усилителя 5 равен нулю, напряжение на выходе первого усилителя 5 равно напряжению U - источника поляризующих напряжений 1, соответственно напряжение на ЭХЯ 2 равно этому же напряжению U (т.к. потенциал измерительного электрода 4 равен нулю), а напряжение на выходе второго усилителя 7 равно произведению тока электрохимической ячейки 2 на величину сопротивления эталонного
резистора 6 и противоположно по знаку. При изменении поляризующего напряжения данная схема переходит к новому состоянию равновесия. Время перехода определяется двумя процессами. Первый - быстродействие усилителей. Второй процесс - заряд емкости электрохимической ячейки. Быстродействие современных усилителей достаточно высоко и им можно пренебречь по сравнению с временем заряда емкости электрохимической ячейки 2. В предложенной схеме вольтамперометрического анализатора скорость заряда емкости ЭХЯ 2 ограничена величиной эталонного сопротивления 6 и силой тока, которую могут развивать первый 5 и второй 7 усилители.
Снижение уровня шумов происходит за счет того, что при включении ЭХЯ в цепь отрицательной обратной связи первого усилителя, емкость ЭХЯ совместно с первым усилителем образуют интегратор напряжения шума. В таком составе интегратор является оптимальным для подавления шумов ЭХЯ и не вызывает искажения аналитического сигнала т.к. не имеет реактивных цепей кроме самой ЭХЯ, а т.к. емкость ЭХЯ 2 достаточно велика, соответственно происходит достаточно высокое подавление шума за счет его интегрирования. Аналогично, происходит интегрирование шума источника поляризующего напряжения 1, т.к. его выход не подключен к ЭХЯ 2 напрямую.
Высокая линейность преобразования тока электрохимической ячейки, относительно прототипа обусловлена тем, что из измерительной схемы удалены электронные ключи, которые имеют ограниченный динамический диапазон и из-за этого могут вносить искажения при малых и больших уровнях измеряемых токов.
Данное устройство может быть реализовано с использованием широкого класса операционных усилителей (544уд1, 544уд2, 140уд17 и т.д.). Выбор типа усилителя определяется при расчете данной схемы исходя из параметров ЭХЯ и скорости изменения потенциала на выходе источника поляризующего напряжения.