CN109374720B - 一种电解液中离子浓度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电化学领域，一种电解液中离子浓度测量装置，包括高压直流电源、充电电阻、充电线、火花开关、透镜、激光器、激光器电源、脉冲发生器、功率分配器、衰减器、传输线I、阻抗匹配电路、示波器、传输线II、样品槽和电势测量电路，火花开关包括外壳、电极I、通气口、窗口I、电极II、窗口II、绝缘底盖和窗口III，其内部上方安装有电极I，电极I的顶端朝下且为半球形，电极II安装于绝缘底盖之上，电极II的顶端朝上且为半球形，电极II的下端具有窗口III且具有沿轴线的通孔，具有通过激光触发的火花开关以生成电压脉冲，能够对电解液施加稳定且可控的高电压方波脉冲，采用特殊设计的电势测量电路，能测量电解液中较低的离子浓度。
Description
技术领域
本发明涉及电化学领域，尤其是一种能够测量高电压下电解液中的较低离子浓度的一种电解液中离子浓度测量装置。
背景技术
电解液广泛用于化工领域如电池、电容中，在生物领域中也大量涉及，对电解液的研究包括对其中的离子浓度以及电解液在高电压下的特性的研究，现有技术缺陷一：现有技术中通常采用酸度计来测量离子浓度，其测量下限只能到10-4摩尔/升量级；现有技术缺陷二：在研究电解液在高电压条件下的特性时，需要对电解液施加具有一定持续时间及幅度的电压方波脉冲，且所述电压方波脉冲的持续时间及幅度需要可调，现有技术中通常采用火花开关来实现，通过调节火花开关的阳极和阴极之间的距离以及气压来调节电压脉冲的幅度，但是这种方法产生的电压脉冲的上升时间及幅度会产生一定的抖动，影响电压脉冲的稳定性，所述一种电解液中离子浓度测量装置能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用特殊设计的电势测量电路来测量电解液中的离子浓度，测量下限低，另外，采用激光垂直入射阴极表面的方法来触发火花开关以生成电压脉冲，能够对电解液施加稳定且可控的高电压方波脉冲。
本发明所采用的技术方案是：
一种电解液中离子浓度测量装置，包括高压直流电源、充电电阻、充电线、火花开关、透镜、激光器、激光器电源、脉冲发生器、功率分配器、衰减器、传输线I、阻抗匹配电路、示波器、传输线II、样品槽和电势测量电路，高电压范围为5kV到15kV，功率分配器具有输入端、输出端I和输出端II；
高压直流电源、充电电阻、充电线和火花开关的电极II依次电缆连接，火花开关的电极I连接功率分配器的输入端，功率分配器的输出端I依次电缆连接传输线II和样品槽，传输线II的芯线与样品槽的外壳绝缘，样品槽外壳接地，功率分配器的输出端II依次电缆连接衰减器、传输线I、阻抗匹配电路和示波器，激光器、激光器电源和脉冲发生器依次电缆连接，透镜位于火花开关和激光器之间，火花开关、透镜及激光器的位置可调，
火花开关包括外壳、电极I、通气口、窗口I、电极II、窗口II、绝缘底盖和窗口III，外壳为圆柱外形且下面连接绝缘底盖，其内部上方安装有电极I，电极I的顶端朝下且是直径为3毫米的半球形，电极II安装于绝缘底盖之上，电极II的顶端朝上且是直径为4毫米的半球形，电极II的下端具有窗口III且具有沿轴线的通孔，激光器发射的激光能够依次通过透镜、窗口III和所述通孔，射到电极I的顶端，电极I的顶端与电极II的顶端之间的距离能够调节，调节范围为1毫米至15毫米，电极I和电极II均由比例为6∶4的钨铜合金制成；通气口、窗口I和窗口II位于外壳的侧面，激光器发射的激光通过窗口II射到电极I的顶端，通过通气口对火花开关进行充气及放气操作以控制火花开关内部的气压，气压范围为50kPa到700kPa，通过窗口I观察激光器发射的激光射到电极I的顶端的光斑大小，激光器发射的每个激光脉冲的能量范围为200mJ到900mJ，每个激光脉冲的持续时间为2纳秒至8纳秒；
电势测量电路包括膜电极、参考电极、温度传感器、中心导体、屏蔽层、接地层、运算放大器、缓冲器、滤波器I、滤波器II、数字转换器I、数字转换器II、微控制器、直流电源I、直流电源II、USB转换器和连接器，膜电极、参考电极和温度传感器均位于样品槽内，运算放大器具有同向输入端、反向输入端和输出端，缓冲器具有输入端和输出端，中心导体外围依次具有屏蔽层和接地层，膜电极通过中心导体连接运算放大器的同向输入端，参考电极通过接地层连接运算放大器的反向输入端，运算放大器的输出端连接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端连接屏蔽层，运算放大器的输出端依次连接滤波器I、数字转换器I和微控制器，温度传感器依次连接滤波器II、数字转换器II和微控制器，微控制器依次连接USB转换器和连接器，直流电源I和直流电源II分别连接于连接器。
一种测量高电压下电解液中离子浓度的方法，步骤如下：
步骤1，将待测的电解液样品加入样品槽，根据电解液中待测离子种类，选择相应的膜电极，并将膜电极、参考电极和温度传感器均置于电解液样品中；
步骤2，开启高压直流电源，使得电极I和电极II之间产生电压差；
步骤3，通过通气口调节火花开关内部的气压，气压典型值为300kPa；
步骤4，开启激光器电源和脉冲发生器，并调节激光器及透镜位置，使得激光器发射的激光脉冲通过透镜、窗口III及电极II的通孔，垂直射到电极I顶端；
步骤5，通过示波器监控火花开关的电极I和电极II之间的电压波形；
步骤6，通过激光器电源和脉冲发生器调节激光器发射的激光脉冲的功率及持续时间，脉冲功率典型值为400mJ，脉冲持续时间典型值为4纳秒，使得电极I和电极II之间的气体被击穿，火花开关导通；
步骤7，在火花开关导通的时间内，传输线II的芯线与样品槽外壳之间产生电压差，并施加到电解液样品上；
步骤8，膜电极和参考电极的电压信号经过放大及处理后，通过直流电源I输出；
步骤9，分析直流电源I输出的电压信号，得到电解液中待测离子的浓度值。
本发明的有益效果是：
本发明具有通过激光触发的火花开关以生成电压脉冲，能够对电解液施加稳定且可控的高电压方波脉冲，施加到电解液样品上，并采用特殊设计的电势测量电路来测量电解液中的离子浓度，并能够测量电解液中的较低的离子浓度。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是火花开关放大示意图；
图3是电势测量电路示意图。
图中，1.高压直流电源，2.充电电阻，3.充电线，4.火花开关，4-1.外壳，4-2.电极I，4-3.通气口，4-4.窗口I，4-5.电极II，4-6.窗口II，4-7.绝缘底盖，4-8.窗口III，5.透镜，6.激光器，7.激光器电源，8.脉冲发生器，9.功率分配器，10.衰减器，11.传输线I，12.阻抗匹配电路，13.示波器，14.传输线II，15.样品槽，16.电势测量电路，16-1.膜电极，16-2.参考电极，16-3.温度传感器，16-4.中心导体，16-5.屏蔽层，16-6.接地层，16-7.运算放大器，16-8.缓冲器，16-9.滤波器I，16-10.滤波器II，16-11.数字转换器I，16-12.数字转换器II，16-13.微控制器，16-14.直流电源I，16-15.直流电源II，16-16.USB转换器，16-17.连接器。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，如图2是火花开关放大示意图，包括高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)、火花开关(4)、透镜(5)、激光器(6)、激光器电源(7)、脉冲发生器(8)、功率分配器(9)、衰减器(10)、传输线I(11)、阻抗匹配电路(12)、示波器(13)、传输线II(14)、样品槽(15)和电势测量电路(16)，高电压范围为5kV到15kV，功率分配器(9)具有输入端、输出端I和输出端II；
高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)和火花开关(4)的电极II(4-5)依次电缆连接，火花开关(4)的电极I(4-2)连接功率分配器(9)的输入端，功率分配器(9)的输出端I依次电缆连接传输线II(14)和样品槽(15)，传输线II(14)的芯线与样品槽(15)的外壳绝缘，样品槽(15)外壳接地，功率分配器(9)的输出端II依次电缆连接衰减器(10)、传输线I(11)、阻抗匹配电路(12)和示波器(13)，激光器(6)、激光器电源(7)和脉冲发生器(8)依次电缆连接，透镜(5)位于火花开关(4)和激光器(6)之间，火花开关、透镜(5)及激光器(6)的位置可调，
火花开关(4)包括外壳(4-1)、电极I(4-2)、通气口(4-3)、窗口I(4-4)、电极II(4-5)、窗口II(4-6)、绝缘底盖(4-7)和窗口III(4-8)，外壳(4-1)为圆柱外形且下面连接绝缘底盖(4-7)，其内部上方安装有电极I(4-2)，电极I(4-2)的顶端朝下且是直径为3毫米的半球形，电极II(4-5)安装于绝缘底盖(4-7)之上，电极II(4-5)的顶端朝上且是直径为4毫米的半球形，电极II(4-5)的下端具有窗口III(4-8)且具有沿轴线的通孔，激光器(6)发射的激光能够依次通过透镜(5)、窗口III(4-8)和所述通孔，射到电极I(4-2)的顶端，电极I(4-2)的顶端与电极II(4-5)的顶端之间的距离能够调节，调节范围为1毫米至15毫米，电极I(4-2)和电极II(4-5)均由比例为6∶4的钨铜合金制成；通气口(4-3)、窗口I(4-4)和窗口II(4-6)位于外壳(4-1)的侧面，激光器(6)发射的激光通过窗口II(4-6)射到电极I(4-2)的顶端，通过通气口(4-3)对火花开关(4)进行充气及放气操作以控制火花开关(4)内部的气压，气压范围为50kPa到700kPa，通过窗口I(4-4)观察激光器(6)发射的激光射到电极I(4-2)的顶端的光斑大小，激光器(6)发射的每个激光脉冲的能量范围为200mJ到900mJ，每个激光脉冲的持续时间为2纳秒至8纳秒。
如图3是电势测量电路示意图，电势测量电路(16)包括膜电极(16-1)、参考电极(16-2)、温度传感器(16-3)、中心导体(16-4)、屏蔽层(16-5)、接地层(16-6)、运算放大器(16-7)、缓冲器(16-8)、滤波器I(16-9)、滤波器II(16-10)、数字转换器I(16-11)、数字转换器II(16-12)、微控制器(16-13)、直流电源I(16-14)、直流电源II(16-15)、USB转换器(16-16)和连接器(16-17)，膜电极(16-1)、参考电极(16-2)和温度传感器(16-3)均位于样品槽(15)内，运算放大器(16-7)具有同向输入端、反向输入端和输出端，缓冲器(16-8)具有输入端和输出端，中心导体(16-4)外围依次具有屏蔽层(16-5)和接地层(16-6)，膜电极(16-1)通过中心导体(16-4)连接运算放大器(16-7)的同向输入端，参考电极(16-2)通过接地层(16-6)连接运算放大器(16-7)的反向输入端，运算放大器(16-7)的输出端连接缓冲器(16-8)的输入端，缓冲器(16-8)的输出端连接屏蔽层(16-5)，运算放大器(16-7)的输出端依次连接滤波器I(16-9)、数字转换器I(16-11)和微控制器(16-13)，温度传感器(16-3)依次连接滤波器II(16-10)、数字转换器II(16-12)和微控制器(16-13)，微控制器(16-13)依次连接USB转换器(16-16)和连接器(16-17)，直流电源I(16-14)和直流电源II(16-15)分别连接于连接器(16-17)。
电势测量电路(16)的工作方式说明：
膜电极(16-1)、参考电极(16-2)和温度传感器(16-3)均位于样品槽(15)内的电解液中，所述膜电极(16-1)具有离子选择性，其与含待测离子的溶液接触时，在其敏感膜和溶液的界面上产生与待测离子活性直接相关的膜电势，即对特定离子具有选择性响应。
中心导体(16-4)、屏蔽层(16-5)和接地层(16-6)组成了同轴信号传输结构，用于膜电极(16-1)、参考电极(16-2)和运算放大器(16-7)之间的连接，其中中心导体(16-4)用于信号传输，屏蔽层(16-5)用于对中心导体(16-4)中的信号进行屏蔽，接地层(16-6)接地以防止外界环境的电磁干扰。运算放大器(16-7)和缓冲器(16-8)在3dB具有截止频率3kHz，用于对膜电极(16-1)产生的模拟信号进行放大并输出直流电压，另外，运算放大器(16-7)和缓冲器(16-8)能够防止电磁干扰以及电路与环境之间的寄生电流。滤波器I(16-9)和滤波器II(16-10)为二阶巴特沃斯低通滤波器，用于减轻电路中的60Hz及倍频噪声。数字转换器I(16-11)和数字转换器II(16-12)分别将滤波器I(16-9)和滤波器II(16-10)输出的模拟信号转换为数字信号，微控制器(16-13)用于对所述数字信号进行处理及储存。
由膜电极(16-1)和参考电极(16-2)产生的模拟信号传输至运算放大器(16-7)，运算放大器(16-7)具有高输入阻抗，由于膜电极(16-1)和参考电极(16-2)的阻抗为几百兆欧姆量级，电路中传输电缆上的直流电压降会严重影响运算放大器(16-7)的输出端的模拟信号，为了使得所述电压降最小化，采用滤波器I(16-9)连接在屏蔽层(16-5)和接地层(16-6)之间，由于运算放大器(16-7)具有高输入阻抗，其对高频电磁干涉非常敏感，因此，采用滤波器I(16-9)连接运算放大器(16-7)的输出端，上述的设计使得电路中传输电缆上的电压降最小化至微伏量级。
膜电极(16-1)产生的模拟信号被放大及滤波后，被数字转换器I(16-11)转换为数字信号，并传输至微控制器(16-13)，温度传感器(16-3)产生的模拟信号经过滤波器II(16-10)滤波后，被数字转换器II(16-12)转换为数字信号传输至微控制器(16-13)，微控制器(16-13)将信号处理后传输至USB转换器(16-16)，并传输至连接器(16-17)，最终，直流电源I(16-14)输出经过放大处理后的膜电极(16-1)产生的信号，直流电源II(16-15)输出经过放大处理后的温度传感器(16-3)产生的信号，分析直流电源I(16-14)输出的电压信号能够得到电解液中待测离子的浓度信息，分析直流电源II(16-15)输出的电压信号能够得到电解液中的温度值。
方波电压脉冲的产生说明：
电极I(4-2)接地，高压直流电源(1)通过充电电阻(2)及充电线(3)将电压施加在电极II(4-5)上，使得电极II(4-5)与电极I(4-2)之间的区域具有高电压差，激光器(6)发射的激光通过透镜(5)、窗口III(4-8)及电极II(4-5)的通孔垂直射到电极I(4-2)顶端，由于光电效应，电极I(4-2)产生种子电子，所述种子电子使得电极II(4-5)与电极I(4-2)之间区域的气体被高电压击穿，火花开关(4)导通。
激光通过透镜(5)、窗口III(4-8)及电极II(4-5)的通孔垂直射到电极I(4-2)顶端的优点说明：相比于激光斜入射到电极I(4-2)顶端的情况，产生的电压脉冲的延迟时间及抖动对于其他实验条件，如气压、气体种类、电极材料、电极顶端形状的实验条件依赖要小得多，更容易控制电压脉冲。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (1)
1.一种电解液中离子浓度测量装置，包括高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)、火花开关(4)、透镜(5)、激光器(6)、激光器电源(7)、脉冲发生器(8)、功率分配器(9)、衰减器(10)、传输线I(11)、阻抗匹配电路(12)、示波器(13)、传输线II(14)、样品槽(15)和电势测量电路(16)，高电压范围为5kV到15kV，功率分配器(9)具有输入端、输出端I和输出端II；
其特征是：高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)和火花开关(4)的电极II(4-5)依次电缆连接，火花开关(4)的电极I(4-2)连接功率分配器(9)的输入端，功率分配器(9)的输出端I依次电缆连接传输线II(14)和样品槽(15)，传输线II(14)的芯线与样品槽(15)的外壳绝缘，样品槽(15)外壳接地，功率分配器(9)的输出端II依次电缆连接衰减器(10)、传输线I(11)、阻抗匹配电路(12)和示波器(13)，激光器(6)、激光器电源(7)和脉冲发生器(8)依次电缆连接，透镜(5)位于火花开关(4)和激光器(6)之间，火花开关(4)、透镜(5)及激光器(6)的位置可调，
火花开关(4)包括外壳(4-1)、电极I(4-2)、通气口(4-3)、窗口I(4-4)、电极II(4-5)、窗口II(4-6)、绝缘底盖(4-7)和窗口III(4-8)，外壳(4-1)为圆柱外形且下面连接绝缘底盖(4-7)，其内部上方安装有电极I(4-2)，电极I(4-2)的顶端朝下且是直径为3毫米的半球形，电极II(4-5)安装于绝缘底盖(4-7)之上，电极II(4-5)的顶端朝上且是直径为4毫米的半球形，电极II(4-5)的下端具有窗口III(4-8)且具有沿轴线的通孔，激光器(6)发射的激光能够依次通过透镜(5)、窗口III(4-8)和所述通孔，射到电极I(4-2)的顶端，电极I(4-2)的顶端与电极II(4-5)的顶端之间的距离能够调节，调节范围为1毫米至15毫米，电极I(4-2)和电极II(4-5)均由比例为6∶4的钨铜合金制成；通气口(4-3)、窗口I(4-4)和窗口II(4-6)位于外壳(4-1)的侧面，激光器(6)发射的激光通过窗口II(4-6)射到电极I(4-2)的顶端，通过通气口(4-3)对火花开关(4)进行充气及放气操作以控制火花开关(4)内部的气压，气压范围为50kPa到700kPa，通过窗口I(4-4)观察激光器(6)发射的激光射到电极I(4-2)的顶端的光斑大小，激光器(6)发射的每个激光脉冲的能量范围为200mJ到900mJ，每个激光脉冲的持续时间为2纳秒至8纳秒；
电势测量电路(16)包括膜电极(16-1)、参考电极(16-2)、温度传感器(16-3)、中心导体(16-4)、屏蔽层(16-5)、接地层(16-6)、运算放大器(16-7)、缓冲器(16-8)、滤波器I(16-9)、滤波器II(16-10)、数字转换器I(16-11)、数字转换器II(16-12)、微控制器(16-13)、直流电源I(16-14)、直流电源II(16-15)、USB转换器(16-16)和连接器(16-17)，膜电极(16-1)、参考电极(16-2)和温度传感器(16-3)均位于样品槽(15)内，运算放大器(16-7)具有同向输入端、反向输入端和输出端，缓冲器(16-8)具有输入端和输出端，中心导体(16-4)外围依次具有屏蔽层(16-5)和接地层(16-6)，膜电极(16-1)通过中心导体(16-4)连接运算放大器(16-7)的同向输入端，参考电极(16-2)通过接地层(16-6)连接运算放大器(16-7)的反向输入端，运算放大器(16-7)的输出端连接缓冲器(16-8)的输入端，缓冲器(16-8)的输出端连接屏蔽层(16-5)，运算放大器(16-7)的输出端依次连接滤波器I(16-9)、数字转换器I(16-11)和微控制器(16-13)，温度传感器(16-3)依次连接滤波器II(16-10)、数字转换器II(16-12)和微控制器(16-13)，微控制器(16-13)依次连接USB转换器(16-16)和连接器(16-17)，直流电源I(16-14)和直流电源II(16-15)分别连接于连接器(16-17)。
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2018
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