CS210801B1 - Zapojení pro měření odporu nebo impedance pomocí čtyř elektrod - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zapojení pro měření odporu nebo impedance pomocí čtyř elektrod s použitím měřiče majícího jen dvě svorky pro připojení měřeného objektu a založeného bu3 na principu čtyřramenného mostu, nebo na principu transformátorového mostu.

Description

Vynález se týká zapojení pro měření odporu nebo impedance pomocí čtyř elektrod s použitím měřiče majícího jen dvě svorky pro připojení měřeného objektu a založeného bu3 na principu čtyřramenného mostu, nebo na principu transformátorového mostu.

Při dvouelektrodovém měření odporu nebo impedance látek s iontovou vodivostí působí rušivě přechodová impedance elektrod způsobená jejioh polarizací. Pro přesná měření se proto s výhodou používá Styřelektrodového uspořádání, které jedině účinně potlačuje vliv elektrochemických dějů na elektrodách. Podstatou čtyřelektrodové metody je to, že dvě vnější elektrody, tzv. napájecí, slouží k zavádění měřicího proudu do měřené látky a další dvě elektrody, tzv. snímací, umístěné zpravidla mezi elektrodami napájecími, jsou určeny ke snímání úbytku napětí, vyvolaného průchodem měřicího proudu měřenou látkou. Přechodová impedance: napájecích elekrod nevstupuje do měření a vliv přechodové impedance snímacích elektrod lze, zejména prostředky současné elektroniky, velmi účinně potlačit tim, že snímání napětí mezi snímacími elektrodami se provádí bu3^; přístrojem, s dostatečně vysokou vstupní impedancí, nebo se uskutečni na kompenzačním principu.

Impedance té části látky, která se nachází mezi snímacími elektrodami, se určí bu3 přímo pomocí Ohmová zákona z hodnoty napětí mezi snímacími nezatíženými elektrodami a z hodnoty měřicího proudu, nebo se využije komparačního principu. U komparačního principu protéká měřicí proud ještě normálovou impedancí, jejíž hddnota se nastaví tak, aby napělový úbytek na ní byl co do velikosti a fáze shodný s napětím mezi snímacími elektrodami. Pak je normálová impedance rovna impedanci té části látky, která se nachází mezi snímacími elektrodami .

2,0801

K čtyřelektrodovému měřeni odporu nebo impedance podle právě popsaných principů však nejsou uzpůsobeny průmyslově vyráběné měřicí přístroje, jež by měly ětyři svorky pro připojení měřeného objektu. Měřicí zařízení je dosud nutno případ od případu laboratorně realizovat, přičemž použití odporových a reaktančních normálů, většinou v rozsahu několika dekád, Siní laboratorní realizaci čtyřelektrodové metody nákladnou a pracnou, zejména při požadavku větší přesnosti nebo rozlišovací schopnosti.

Účelem řešení podle vynálezu je jednak odstranění nedostatků známého stavu techniky, spočívajících v použiti několika dílčích zařízení a částí, vyžadujícíčh při jejich kombinaci a zacházení s nimi poměrně značnou odbornost, přičemž přesnost měřicí metody je vždy závislá na tolerancích parametrů jednotlivých komponent, jednak vytvoření kompaktního měřicího zařízení, sestaveného jen ze dvou částí, tj. z adaptoru založeného na zapojení podle vynálezu a z komerčního dvousvorkového měřiče odporu nebo impedance.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje v souladu s uvedeným účelem zapojení pro měření odporu nebo impedance pomoci čtyř elektrod podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že první snímací elektroda měřicí komůrky je připojena na neinvertující vstup prvního impedančního převodníku a druhá snímací elektroda měřici komůrky je připojena na invertující vstup prvního impedančního převodníku, jehož výstup je přiveden na invertující vstup rozdílového zesilovače, na jehož výstup je připojena první napájecí elektroda měřicí komůrky a druhá napájecí elektroda měřicí komůrky je spojena s invertujicím vstupem druhého impedančního převodníku, jehož neinvertující vstup je spojen s první vstupní svorkou měřiče odporu nebo impedance a výstup tohoto druhého impedančního převodníku je přiveden na neinvertujícl vstup rozdílového zesilovače, přičemž s druhou vstupní svorkou měřiče odporu nebo impedance je spojena druhá napájecí elektroda měřici komůrky.

Pokud je použito měřiče odporu nebo impedance typu transformátorového mostu, druhá vstupní svorka je svorkou proudovou, spojenou s příslušným vinutím diferenciálního proudového transformátoru, zatímco první vstupní svorka je svorkou napěťovou, spojenou přímo nebo prostřednictvím napěťového transformátoru se zdrojem napájecího napětí mostu.

Pokud je použito měřiče odporu nebo impedance typu čtyřramenného mostu, druhé vstupní svorka je připojena k uzlu ležícímu v indikátorové diagonále mostu a první vstupní svorka je připojena k uzlu ležícímu v napájecí diagonále mostu.

Výhody zapojení podle vynálezu při využití možnosti Čtyřelektrodového měření odporu nebo impedance pomoci adaptoru, založeného na zapojení podle vynálezu.a použitého v kombinaci s komerčně vyráběným dvousvorkovým měřičem odporu nebo impedance, spočívají především v tom, že instrumentace takto vytvořená k čtyřelektrodovému měření odporu nebo impedance pomocí adaptoru je kompaktní a pohotově použitelná, dále v tom, že adaptor sám nevyžaduje žádnou obsluhu a že přesnost měření je dána třídou přesnosti použitého komerčního měřiče impedance. Zapojení podle vynálezu je sestaveno z běžně dostupných elektronických součástek a z hlediska výroby je jednoduché.

Zapojení pro měření odporu nebo impedance pomocí čtyř elektrod bude následovně blíže popsáno v příkladovém provedení s pomocí připojených vyobrazení, kde obr. 1 znázorňuje schematicky provedení měřicí komůrky a její ekvivalentní elektrický obvod, obr. 2 znázorňuje blokové schéma zapojeni podle vynálezu, obr. 3 znázorňuje princip čtyřramenného mostu a jeho funkci v zapojení podle vynálezu, obr. 4 znázorňuje princip transformátorového mostu a jeho funkci v zapojení podle vynálezu, obr. 5 znázorňuje blokové schéma praktické realizace zapojení podle vynálezu pro případ, že obě vstupní svorky použitého měřiče odporu nebo impedance jsou odpoutány od země a obr. 6 znázorňuje blokové schéma praktické realizace zapojení podle vynálezu pro případ, že jedna ze vstupních svorek použitého měřiče odporu nebo impedance je uzemněna.

Na obr. 1 je znázorněna válcová měřicí komůrka 1, která se plní tekutinou, jejíž odpor nebo impedanci chceme měřit. První napájecí elektroda NI a druhá napájecí elektroda N2 jsou kruhového tvaru a uzavírají prostor komůrky. První snímací elektroda SI a druhá snímací elektroda £2 j^s°u ve formě drátků zasahujících do prostoru komůrky, event. mohou mít tvar kruhových prstenců po vnitřním obvodě měřicí komůrky χ.

Ekvivalentní elektrický obvod měřicí komůrky χ sestává z přechodové impedance , resp. Zjj2 první napájecí elektrody NI. resp. druhé napájecí elektrody N2, do nichž je zahrnuta i impedance sloupců měřené látky, vymezené první napájecí elektrodou NI a prvni snímací elektrodou S1. resp. druhou napájecí elektrodou N2 a druhou snímací elektrodou S2. dále z měřené impedance Z^. té části látky, která se nachází mezi první snímací elektrodou SI a druhou snímací elektrodou S2 a konečně z přechodové impedance , resp. —S2 první snímací elektrody S1 . resp. druhé snímací elektrody S2.

Na obr. 2 je blokově znázorněno vřazení měřicí komůrky X do zapojení podle vynálezu. Prvním impedančním převodníkem 4 se symetrickým vstupem o vysoké impedanci je dosaženo toho, aby snímací elektrody Si. S2 měřici komůrky £ nebyly proudově zatěžovány. Další úlohou prvního impedančního převodníku 4 je převedení napěťového rozdílu, který je mezi snímacími elektrodami Si, £2 měřicí komůrky 1, na asymetrickou formu. Obdobný účel a vlastnosti má druhý impedanční převodník £, jehož úlohou je eliminace proudového zatížení vstupních svorek Ml, M2 měřiče £ odporu nebo impedance a převedení napěťového rozdílu mezi nimi na asymetrickou formu. Výstupy impedančních převodníků 4 a £ jsou k symetrickým vstupům rozdílového zesilovače £ připojeny takovým způsobem, aby se výstupní napětí prvního impedančního převodníku 4 odečítalo od výstupního napětí druhého impedančního převodníku £.

Výstupní napětí rozdílového zesilovače £ je zároveň napájecím napětím měřicí komůrky £ a proto je její první napájecí elektroda NI připojena na výstup rozdílového zesilovače £. Proudový okruh napájení měřicí komůrky X je uzavřen tím, že její druhá napájecí elektroda N2 je spojena s druhou vstupní svorkou M2 měřiče 2 odporu nebo impedance.

Vstupní svorky M£, M2 měřiče £ odporu nebo impedance nejsou libovolně zaměnitelné vzhledem k tomu, Se přes vstupní svorku M2 je uzavřen proudový okruh napájení měřicí komůrky £. V případě, že měřič 2 odporu nebo impedance je založen na principu čtyrramenného mostu podle obr. 3, musí být druhá vstupní svorka M2 součástí indikátorové diagonály čtyřramenného mostu, tj. musí být spojena s indikátorem G vyvážení, zatímco první vstupní svorka Ml musí být součástí napájecí diagonály čtyřramenného mostu, tj. musí být připojena na zdroj.fi napájecího napětí.

Je-li měřič £ odporu nebo impedance typu transformátorového mostu podle obr. 4, je dru há vstupní svorka M2 připojena na vinutí diferenciálního proudového transformátoru PT a první vstupní svorka Ml je připojena na zdroj fi napájecího napětí, případně na příslušnou odbočku napěťového transformátoru NT transformátorového mostu.

Předpokládejme obecný případ, kdy žádný bod zapojení podle obr. 2 není uzemněn. Veškerá vyznačená napětí jsou vztažena k referenčnímu bodu, resp. k zemi. Zapojení podle vynálezu ρι-acuje na principu proporciálního regulátoru. Sícidí veličinou je rozdíl napětí (ΰχ až U^) mezi první vstupní svorkou M1 a druhou vstupní svorkou 112 měřiče £ odporu nebo impen dance a řízenou veličinou je rozdíl napětí (lí, - Ug) mezi první snímací elektrodou SI a druhou snímací elektrodou §£ měřicí komůrky £, Prvni impedanční převodník 4 jednak převádí rozdíl napětí (U, až Ug) na jednoduchý výstup, jednak minimalizuje zatížení první snímací elektrody S1 a druhé snímací elektrody S2. Druhý impedanční převodník £ jednak převádí rcozdíl napětí (U^ - U^) na jednoduchý vstup, jednak minimalizuje zatížení první vstupní svorky Ml a druhé vstupní svorky M2 měřiče £ odporu nebo impedance.

Regulační odchylka o hodnotě (U^ - U^) - (Uj - Ug) je dále zesílena rozdílovým zesilovačem 2 a přenosem K. Na výstup tohoto zesilovače je prostřednictvím první napájecí elektrody N1 připojeno měřené médium. Měřicí proud I prochází měřeným médiem v měřicí komůrce i a přes druhou napájecí elektrodu N2 je veden do druhé vstupní svorky M2 měřiče 2 odporu nebo impedance.

Pro právě popsaný obvod platí vztahy:

^Uo = ^I(ZN, ^{+ Z}N2 ^{+ Z}x> ^{+ U}4 ^{(1) U}o ^{= (U}3 ’ ^U4⁵ ' ^(U1 ’ ^U2⁵ · ^{X <2)}

U, - Ug => I . Z_x (3) formulované za předpokladu, že zatížení způsobená vstupními impedancemi prvního impedančního převodníku 4 a druhého impedančního převodníku 4 jsou v rámci požadované přesnosti měření zanedbatelné. Po vyloučení U,, Ug a U_Q je získán vztah ^U3 - ^U4 ^ZN1 ^{+ Z}N2 ^{+ Z}x * Ϊ* ₍₄₎

I K a pro dostatečně velké K (5)

Zapojeni tedy působí tak, jako kdyby měřená impedance Ζ_χ byla připojena dvousvorkově přímo na měřič 2, odporu nebo impedance a nebyla ovlivňována přechodovými impedancemi elektrod měřicí komůrky 4.

Pokud je měřič 2. odporu nebo impedance založen na principu čtyřramenného mostu podle obr. 3, je pro správnou činnost regulační smyčky nutné, aby první vstupní svorka Ml byla připojena do uzlu ležícího na napájecí diagonále mostu, kam je připojen zdroj £ napájecího napětí. . Druhá vstupní svorka M2 je připojena do uzlu ležícího na diagonále indikátorové, určené přítomností indikátoru G vyvážení. Pokud může být zanedbán vliv vstupní impedance druhého impedančního převodníku 4> platí vztahy:

z₂ Z, ^U5 ^{= U}3 Ž,2g ^{+ U}6 T,+Z-g u₄ = u_{6 +} I . z₃

Při vyvážení mostu musí být y=^u4

S použitím vztahů (5), (6), (7), (8) lze odvodit rovnost

Zrj j X Zj

Rovnost (9) lze splnit jen v případě, že ^Z2 · ^Zx ^{= Z}1 · ^Z2 což je známá podmínka rovnováhy čtyřramenného mostu.

(6) (7) (8) (9) (10)

Dalším typem měřiče 2, odporu nebo impedance, který může pracovat v zapojení podle vyná lezu, je typ transformátorového mostu podle obr. 4, u něhož se v diferenciálním proudovém

21080!

transformátoru PT porovnává proud jdoucí měřenou impedancí Z__x, zapojenou mezi první vstupní svorkou Ml a druhou vstupní svorkou M2. s proudem procházejícím normálovou impedancí Z_K> Ukáže-li indikátor G nulový rozdílový proud, je měřená impedance Ζ_χ rovna normálové impedanci —κ, případně jejímu násobku nebo její části, a to v závislosti na odbočce vinuti transformátoru NT, na níž je normálová impedance Zjj připojena. První vstupní svorka Ml. je v případě transformátorového mostu svorkou napěťovou, nebot je připojena na zdroj E napětí buď přímo, nebo přes napěťový transformátor NT. Druhá vstupní svorka M2 je pak svorkou proudovou, připojenou na příslušné vinutí diferenciálního proudového transformátoru PT, které je zapojeno v okruhu měřené impedance Ζ_χ.

Pro zadanou přesnost určení měřené impedance a pro určité předem známé hodnoty přechodových impedancí Z_N,, £32> ⁿ®Pětí a měřicího proudu X, nebo alespoň jejich řádové odhady, se stanoví v závislosti na požadované přesnosti měření minimální velikosti vstupních impedancí prvního impedančního převodníku 2, druhého impedančního převodníku 2 ⁸ velikost přenosu K rozdílového zesilovače J.

Na obr. 5 je blokové schéma realizace zapojení podle vynálezu pro případ, že jak první vstupní svorka Ml. tak druhá vstupní svorka M2 měřiče 2 odporu nebo impedance jsou odpoutány od země. Toto zapojení bylo použito při aplikaci vynálezu na měření odporu krevní suspenze transformátorovým mostem TESLA BM 484 s plným využitím jeho přesnosti. První impenanční převodník £ a druhý· impedanční převodník 2 jsou osazeny v prvním stupni tranzistory řízenými polem, nebot se jimi snadno dosahuje dostatečně vysokého vstupního odporu a malé vstupní kapacity, zvláště v bootstrapovém zapojení. Ve funkci rozdílového zesilovače J je užito, běžného operačního zesilovače, jehož vysoký rozdílový přenos opravňuje k zjednodušení vztahu (4) na vztah (5) i při přesnosti měření na 10“^.

Často bývá, zejména u mostů čtyrramenných, jedna vstupní svorka měřiče 2 odporu nebo impedance uzemněna. Potom je možná jednodušší realizace adaptoru v zapojení podle vynálezu, jak je ukázáno na obr. 6. Zatížení první vstupní svorky Ml měřiče 2 odporu nebo impedance vstupní impedancí neinvertujícího vstupu rozdílového zesilovače 2 není zpravidla kritické, takže druhý impedanční převodník 2 není nutný.

Zapojení podle vynálezu, realizované ve formě adaptoru ke komerčním dvousvorkovým měřičům odporu nebo impedance, nachází uplatnění všude tam, kde přichází v úvahu měření látek s iontovou vodivostí - v medicíně, v biologii, v chemii, v potravinářství, tedy v netechnických oborech, v nichž rozšiřuje použitelnost precizních a snadno dostupných měřicích zařízení, běžných v elektronice.

V medicíně a v biologii lze vynálezu využít pro měření odporu nebo impedance buněčných suspenzí nebo tkání. V chemii a v potravinářství může nalézt uplatnění v konduktometrii roztoků a suspenzí.

Claims (3)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Zapojení pro měření odporu nebo impedance pomocí čtyř elektrod s použitím měřiče, majícího jen dvě svorky pro připojení měřeného objektu a založeného buď na principu čtyřramenného mostu, nebo na principu transformátorového mostu, vyznačené tím, že první snímací elektroda (Sl) měřící komůrky (1) je připojena na neinvertující vstup prvního impedančního převodníku (4) a druhá snímací elektroda (S2) měřicí komůrky (1) je připojena na invertující vstup prvního impedančního převodníku (4), jehož výstup je přiveden na invertující vstup rozdílového zesilovače (3), na jehož výstup je připojena první napájecí elektroda (NI) měřicí komůrky (1) a druhá napájecí elektroda (N2) měřící komůrky (1) je spojena s invertujícím vstupem druhého impedančního převodníku (5), jehož neinvertující vstup je spojen s první vstupní svorkou (Ml) měřiče (2) odporu nebo impedance a výstup tohoto druhého impedančního převodníku (5) je přiveden na neinvertující vstup rozdílového zesilovače (3), přičemž s druhou vstupní svorkou (M2) měřiče (2) odporu nebo impedance je spojena druhá napájecí elektroda (N2) měřicí komůrky (1).
2. 2. Zapojení pro měření odporu nebo impedance pomocí čtyř elektrod podle bodu 1, vyzná čené tim, že použitý měřič (2) odporu nebo impedance je založen na principu transformátoro vého mostu, u něhož druhá vstupní svorka (M2) je svorkou proudovou, spojenou s příslušným vinutím diferenciálního proudového transformátoru (PT), zatímco první vstupní svorka (M1) je svorkou napěťovou, spojenou přímo nebo prostřednictvím napěťového transformátoru (NT) se zdrojem (E) napájecího napětí mostu.
3. 3. Zapojení pro měření odporu nebo impedance pomocí čtyř elektrod podle bodu 1, vyzná čené tím, že použitý měřič (2) odporu nebo impedance je založen na principu čtyřramenného mostu, u něhož druhá vstupní svorka (M2) je připojena k uzlu ležícímu v indikátorové diago nále mostu a první vstupní svorka (Ml) je připojena k uzlu ležícímu v napájecí diagonále mostu.