CS240295B1 - Zapojení obvodu pro měření elektrického proudu s napěťovým výstupem - Google Patents

Abstract

Řešení se týká měření proudu tekoucího objektem, zejména pří elektrochemických měřeních, jehož impedance má velkou kapacitní složku. Vynález řeší problematiku nezávislosti přesnosti měření na parametrech měřeného obvodu a potlačení rušivých jevů vznikajících v převodníku proudu na napětí. Podstatou vynálezu je obvod převodníku proudu na napětí, který je vytvořen ze dvou operačních zesilovačů, z nastavitelného měrného Odporu, na němž vzniká úbytek R. I a obvodu kladné nastavitelné zpětné vazby, jehož základem je potenciometr a odporová dělicí větev. Zapojení obvcdu je ·použitelné v původním nebo zjednodušeném provedení, a to zejména v elektrochemii, ve výzkumných a vývojových laboratořích, jež se zabývají polarografii.

Description

Řešení se týká měření proudu tekoucího objektem, zejména pří elektrochemických měřeních, jehož impedance má velkou kapacitní složku. Vynález řeší problematiku nezávislosti přesnosti měření na parametrech měřeného obvodu a potlačení rušivých jevů vznikajících v převodníku proudu na napětí.

Podstatou vynálezu je obvod převodníku proudu na napětí, který je vytvořen ze dvou operačních zesilovačů, z nastavitelného měrného Odporu, na němž vzniká úbytek R. I a obvodu kladné nastavitelné zpětné vazby, jehož základem je potenciometr a odporová dělicí větev.

Zapojení obvcdu je ·použitelné v původním nebo zjednodušeném provedení, a to zejména v elektrochemii, ve výzkumných a vývojových laboratořích, jež se zabývají polarografii.

Vynález se týká zapojení obvodu pro měření elektrického proudu s napěťovým výstupem. Zapojení je použitelné v různých elektrických, elektrochemických a jiných přístrojích.

Dosud známá zapojení obvodů, která se v různých elektrických, elektrochemických 1 jiných přístrojích užívají a jejichž účelem je, aby na svém výstupu poskytovaly napětí, které je úměrné vstupnímu měřenému proudu, ve většině případů představují různé modifikace dvou základních obvodů.

První a druhý základní obvod jsou určeny pro měření, která jsou založena na úbytku napětí velikosti R.I, vytvořeného průtokem proudu I na měrném odporu R, vřazeném do obvodu.

Nevýhodou tohoto způsobu měření proudu je skutečnost, že při měření například závislosti I = f (Uj je nutno respektovat úbytek R.I. V prvním základním obvodu je výstupní svorka měřeného objektu na nulovém potenciálu — z důvodu snížení vlivu rušení a podobně — ale měření může být zatíženo chybou potlačení součtového signálu na vstupu operačního zesilovače, připojeného ke svorkám měřeného odporu R.

Druhý základní obvod je zapojen tak, že měrný odpor je jedním vývodem uzemněn, takže měřený objekt nemá vstup ani výstup uzemněn. Tato skutečnost může vadit a působit potíže.

Třetí základní obvod používá proudově napěťového převodníku, který není zatížen chybou potlačení součtového vstupního signálu, ani chybou vlivem úbytku napětí v obvodu, protože se chová jako obvod s nulovým vstupním odporem a výstupní svorka měřeného objektu je virtuálně uzemněna.

Tento obvod je často použit, ale v těch případech, kdy impedance měřeného obvodu má velkou kapacitní složku, jako tomu bývá například při elektrochemických měřeních, dochází v závislosti na hodnotách parametrů měřeného obvodu a proudově napěťového převodníku k některým nežádoucím jevům, to znamená ke zvyšování šumu a zakmitávání až oscilacím výstupního napětí.

Zmíněný převodník se užívá především pro měření malých a středních proudů, protože — jak vyplývá z principu tohoto obvodu — operační zesilovač musí generovat stejně velký, ale opačný proud, který vstupní měřený proud vykompensuje. Při velkých hodnotách vstupního měřeného proudu je ovšem zmíněná kompenzace obtížněji proveditelná.

Nevýhody a nedostatky dosud známých zapojení obvodů pro měření elektrického proudu jsou v největší míře zmenšeny nebo odstraněny vynálezem, jehož podstatou je zapojení obvodu pro měření elektrického proudu s napěťovým výstupem, podle něhož druhý pól zdroje napětí, jehož první pól je uzemněn, je připojen jednak k neinvertujícímu vstupu diferenčního operačního zesilovače, jednak přeš nastavitelný měrný odpor k prvnímu vývodu prvního odporu, jehož druhý vývod je spojen s prvním vývodem druhého, odporu a zároveň s invertujícím vstupem diferenčního operačního zesilovače, k jehož výstupu je připojen druhý vývod druhého odporu.

Při první alternativě zapojení je ke spolu spojeným vývodům nastavitelného měrného odporu a prvního odporu připojen první vývod třetího odporu a zároveň výstup invertujícího operačního zesilovače, jehož neinvertujlcí vstup je uzemněn, a jehož invertující vstup je připojen ke druhému vývodu třetího odporu a zároveň k prvnímu vývodu čtvrtého odporu, jehož druhý vývod je připojen k pohyblivému kontaktu potenciometru, jehož druhý vývod je uzemněn a první vývod je připojen ke druhému vývodu druhého odporu.

Při druhé alternativě zapojení je ke spolu spojeným vývodům nastavitelného měrného odporu a odporu o hodnotě Rl připojen výstup invertujícího operačního zesilovače, jehož neinvertující vstup je uzemněn a jehož invertující vstup je připojen k druhému vývodu prvního odporu a zároveň k prvnímu vývodu druhého odporu. '

Použití zapojení obvodu podle vynálezu přináší řadu výhod. Především zachovává dobrou vlastnost převodníku proudu na napětí, to je virtuální nulový potenciál na výstupu měřeného objektu, čili nulovou vstupní impedanci. Přitom vlastnosti obvodu jsou méně závislé na velikosti kapacitní složky impedance měřeného objektu. Taktéž nezmenšuje napětí přivedené na měřený objekt o úbytek rovný součinu R.I, dále nevzniká chyba měření vlivem nedostatečného potlačení součtového signálu použitého operačního zesilovače.

Volbou- hodnoty jednoho odporu lze měnit rozsah měřeného proudu. Do . invertujícího· vstupu invertujícího operačního zesilovače lze přivádět signál úměrný napětí na výstupu a tak zavádět kladnou zpětnou vazbu, která je využívána například v elektrochemii pro vykompenzování odporu kapiláry rtuťové kapkové elektrody nebo pro vykompenzování nevykompenzované části kapalinového odporu při použití potenciostatu s tříelektrodovým uspořádáním, a tak podobně.

Výhodou takto zavedené kladné zpětné vazby je dosažení nižší nestability systému proti způsobu zavádění kladné zpětně vazby do potenciostatu, která pak ve smyčce zahrnuje potenciostat, měřený objekt — například elektrochemickou celu — a proudově napěťový převodník. Kromě toho lze zde dosáhnout většího napěťového rozsahu aplikovatelného na měřený objekt, to znamená výstupního napětí potenciostatu zvětšeného o napětí na vstupu obvodu pro měření elektrického proudu s napěťovým výstupem při zavedené kladné zpětné vazbě.

Konečně je nutno uvést: aby na vstupu obvodu byl nulový potenciál, musí být na výstupu invertujícího operačního zesilovače napětí o hodnotě — R„. I a tento zesilovač musí dodávat potřebný proud. Stav invertujícího operačního zesilovače, to znamená jeho ohřátí, přebuzení a podobně, však nemají vlivu na činnost diferenčního operačního zesilovače a tedy také nemají vlivu na správnost výstupního napětí, ale pouze na odchylku (potenciálu vstupu od nuly.

Podstata vynálezu je dále objasněna pomocí připojených výkresů, na nichž je znázorněno: na obr. 1 — první základní zapojení obvodu, na obr. 2 —- druhé základní zapojení obvodu, na obr. 3 — zapojení obvodu s použitím proudově napěťového převodníku, na obr. 4 — zapojení obvodu podle vynálezu, na obr. 5 — zjednodušené zapojení obvodu podle vynálezu.

Na obr. 1 je zdroj 1 napětí připojen přes měrný odpor 2 o hodnotě R k měřenému objektu 3. Společný spoj zdroje 1 napětí a měřeného objektu 3 je uzemněn. K měrnému odporu 2 o. hodnotě R jsou připojeny vstupy diferenčního operačního zesilovače 4.

Na obr. 2 je zdroj 1 napětí připojen opět k měřenému objektu Sak měrnému odporu 2 o hodnotě R, který je zapojen v sérii s měřeným objektem 3. Na rozdíl od zapojení podle obr. 1 je však uzemněn sprdečný spoj zdroje 1 napětí a prvního měrného odporu 2, k němuž jsou připojeny vstupy diferenčního operačního zesilovače 4.

Na obr. 3 je první pól zdroje 1 napětí spojen přes měřený objekt 3 jednak s invertujícím vstupem diferenčního operačního zesilovače 4, jednak přes první měrný odpor 2 o hodnotě R.s výstupem 5 diferenčního operačního zesilovače 4, jehož neinvertující vstup je spojen se druhým pólem zdroje 1 napětí a s uzemněním.

Na obr. 4 je druhá svorka zdroje 1 napětí U spojena s uzemněním, první svorka zdroje 1 napětí je přes měřený objekt 3 připojena jednak k neinvertujícímu vstupu 18 diferenčního operačního -zesilovače 4, jehož výstup 14 jo zároveň výstupem celého obvodu, jednak přes nastavitelný měrný odpor 8 a hodnotě Ro s prvními vývody prvního odporu 7 o hodnotě Rl a třetího odporu 9 o hodnotě R3 a s výstupem invertujícího operačního zesilovače 11. - .

Invertující vstup prvního zesilovače 4 je spojen jednak se druhým vývodem prvního odporu 7 o hodnotě Rl, jednak s prvním vývodem druhého odporu 8 o hodnotě R2, jehož dťuhý vývod ‘je spojen jednak s výstupem 14 diferenčního operačního zesilovače 4, jednak s prvním vývodem potenciometru 12, jehož druhý vývod je uzemněn a jehož pohyblivý kontakt je připojen k druhému vývodu čtvrtého odporu 18 o hodnotě R4.

První vývod tohoto čtvrtého odporu 10 je spojen jednak se druhým vývodem třetího odporu 9 o hodnotě R3, jednak s invertujícím vstupem invertujícího operačního zesilovače 11, jehož neinvertující vstup je uzemněn.

V alternativním zapojení, kdy není použito potenciometru 12 a čtvrtého· odporu 10 o hodnotě R4, je výstup 14 diferenčního operačního zesilovače 4 přes odpor 1S o hodnotě R4 spojen s invertujícím vstupem 13 invertujícího· operačního zesilovače 11. Volbou hodnoty R4 třetího odporu 13 lze zavádět kladnou zpětnou vazbu a měnit její stupeň.

Na obr. 5 je schéma zapojení ve srovnání s obr. 4 stejné až na to, že vlivem zjednodušení nejsou užity odpory 9, 10, 13 a potenciometr 12.

Způsob měření při prvním a druhém základním zapojení podle obr. 1 a 2 je založen na měření úbytku napětí o velikosti součinu •měrného odporu 2 o hodnotě R a proudu I jím tekoucího. Odpor 2 o hodnotě R je vřazen do obvodu v sérii s měřeným objektem 3:

Nevýhodou tohoto způsobu měření proudu je nutnost respektovat úbytek o hodnotě R.I při měření závislosti proudu na velikosti napětí U zdroje 1 napětí.

Výhodou měření podle prvního základního· zapojení podle obr. 1 je to, že výstupní svorka měřeného objektu. 3 je na nulovém potenciálu, čímž se zmenšuje vliv rušení. Naproti tomu však může být měření zatíženo chybou potlačení součtového signálu na vstupu diferenčního operačního zesilovače 4.

Způsob měření při druhém základním zapojení podle obr. 2 se liší od způsobu při zapojení podle obr. 1 pouze tím, že měrný odpor. 2 o hodnotě R je jedním vývodem uzemněn, takže vstup ani výstup měřeného objektu 3 není uzemněn.

Způsob měření při zapojení podle obr. 3 vychází z použití proudově napěťového převodníku, který není zatížen chybou potlačení součtového vstupního signálu ani úbytku napětí v Obvodu, protože; se chová jako obvod s nulovým vstupním odporem, což znamená, že výstup měřeného objektu 3 je virtuálně uzemněn.

Tento obvod se hojně užívá; jeho nevýhodou je, že v případě, kdy impedance měřeného objektu 3 má velkou kapacitní složku, jako· například je tomu při elektrochemických měřeních, dochází v závislosti na hodnotách parametrů měřeného objektu 3 ,a proudově napěťového převodníku k některým rušivým jevům, jako jsou zvýšení úrovně šumu a zakmitávání až oscilace výstupního napětí.

Zmíněný proudově napěťový převodník se užívá především pro měření malých a středních proudů, protože — jak vyplývá z principu tohoto obvodu — operační zesilovač musí generovat stejně velký, ale opačný proud, který vstupní měřený proud vykom240295 penzuje; tato kompenzace je však při velkém proudu obtížněji realizovatelná.

Zapojení obvodu podle vynálezu podle obr. 4 pro měření elektrického proudu s napěťovým výstupem zachovává dobrou vlastnost a výhodu převodníku proudu na napětí a sice virtuální nulový potenciál na výstupu měřeného objektu 3 a tedy nulovou vstupní impedanci a snižuje úroveň dříve zmíněných rušivých jevů při měřeni proudu protékajícího objektem s výraznou kapacitní složkou impedance.

V popisovaném zapojení také nevzniká chyba měření nedostatečným potlačením součtového signálu použitého operačního zesilovače. Obvod podle vynálezu je použitelný pro měření různých proudů pouze volbou hodnoty jednoho odporu, ale invertující operační zesilovač 11 musí na svém výstupu poskytovat proud velikosti I. Kvalita činnosti tohoto zesilovače však není rozhodující pro celkovou činnost obvodu.

Proud tekoucí ze zdroje 1 napětí měřeným objektem 3 do neinvertujícího vstupu 16 diferenčního operačního zesilovače 4 vytváří na nastavitelném měrném odporu 6 o hodnotě Ro úbytek napětí o hodnotě Ro.I, který se zesiluje diferenčním operačním zesilovačem 4, na jehož výstupu 14 vzniká napětí U1 úměrné vstupnímu proudu I.

Toto napětí U1 = AI .Ro.I; v tomto vztahu znamená hodnota AI zesílení stupně se zesilovačem 4 a je rovna přičemž hodnota R2 odpovídá druhému odporu 8 a hodnota Rl odpovídá prvnímu odporu 7. Přenos napěťového signálu z výstupu 14 druhou větví s invertujícím druhým operačním zesilovačem 11 do jeho výstupu je roven hodnotě — 1/A1.

Při použití potenciometru 12 pro dělení výstupního napětí U1 a při nastavení potenciometru 12 tak, aby z celkového napětí U1 bylo na pohyblivém kontaktu potenciometru proti zemi napětí UP, je koeficient jí = = UP/U.

Zesílení stupně s druhým operačním zesilovačem 11 musí pak být rovno hodnotě A2 = —11/. AI. Potenciometr 12 lze vynechat a čtvrtý odpor 10 o hodnotě R4 lze připojit přímo jako odpor 15 k výstupu 14 prvního operačního zesilovače 4.

• V tom případě je koeficient β = 1 a pak musí být zesílení A2 = —1/A1. Protože však hodnota A2 = —R3/R4, přičemž hodnota odporu R3 odpovídá třetímu odporu 9 a hodnota odporu R4 odpovídá pátému odporu 15, vyplývá z toho, že poměr hodnot odporů R1/R2 je roven poměru hodnot odporů R3 na R4.

Na invertující vstup 13 invertujícího operačního zesilovače 11 lze přivádět signál úměrný signálu z výstupu 14 diferenčního operačního zesilovače 4 a takto dosáhnout stavu virtuální země na vstupu 18, případně zvýšením úrovně tohoto signálu překompenzovat úbytek napětí o hodnotě Ro.I a tak zavádět kladnou zpětnou vazbu, která je využívána například v elektrochemli pro vykompenzování odporu kapiláry rtuťové kapkové elektrody, pro vykompenzování nevykompenzované části kapalinového odporu při použití potenciostatu s tříelektrodovým uspořádáním a podobně.

Stupeň kladné zpětné vazby lze nastavit polohou pohyblivého kontaktu potenciometru 12 nebo bez tohoto potenciometru volbou hodnoty druhého odporu 15 o hodnotě R4 mezi body 13 a 14 a podobně.

Po zavedení kladné zpětné vazby potom na neinvertujícím vstupu 18 prvního zesilovače 4 již není virtuální země a vstupní impedance není nulová, ale objeví se zde záporná impedance, a tak potenciál vstupu nabývá hodnot úměrných vstupnímu proudu, ale opačné polarity nežli je napětí přivedené na měřený objekt 3.

Výhodou takto zaváděné zpětné vazby je dosažení vyšší stability systému nežli při kladné zpětné vazbě zavedené například do sumačního bodu potenciostatu budicího měřený objekt 3, protože stabilita systému s takto zavedenou kladnou zpětnou vazbou je závislá i na parametrech potenciostatu, přívodů k měřenému objektu a též na jeho parametrech, to znamená na časových konstantách celé smyčky.

Další výhodou zapojení obvodu podle vynálezu je skutečnost, že při zavedení kladné zpětné vazby do obvodu je zdvih napětí na výstupu invertujícího operačního zesilovače 11 opačné polarity nežli je polarita napětí na výstupu potenciostatu. Takto lze zvětšit napěťový rozsah potenciostatu.

Aby na neinvertujícím vstupu 16 diferenčního operačního zesilovače byl stav virtuální země, to znamená stav bez kladné zpětné vazby, musí být na výstupu invertujícího operačního zesilovače 11 napětí rovné hodnotě — Ro.I a tento zesilovač 11 musí být schopen dodávat potřebný proud I. Jeho stav, například ohřátí, přebuzení a podobně, však neovlivňuje činnost diferenčního operačního zesilovače 4 a tedy správnost výstupního napětí úměrného součinu Ro . I, ale pouze odchylku potenciálu vstupu, to znamená vstupu 1S diferenčního operačního zesilovače 4, od nuly.

Pokud není třeba zavádět kladnou zpětnou vazbu, lze obvod podle obr. 4 zjednodušit ná obvod podle obr. 5. Přitom se volí typ diferenčního operačního zesilovače 4 podle hodnoty nejnižšího měřeného proudu I s dostatečně nízkým vstupním proudem a hodnotu nastavitelného měrného odporu Ro takovou, aby ofsetové napětí diferenčního operačního zesilovače 4 bylo zanedbatelné proti napětí o hodnotě Ro . I. Invertující operační zesilovač 11 se volí podle maximální hodnoty měřeného proudu I.

Hodnota napětí na výstupu 14 diferenčního operačního zesilovače 4 je dána vztahem . U =-_R~+Ro.R2), v němž I je měřený proud, hodnota Rl odpovídá prvnímu odporu 7, hodnota Ro odpovídá nastavitelnému měrnému odporu 0 a hodnota R2 odpovídá druhému odporu 8.

Malou modifikací větve s odpory 7 a 8 v zapojení podle obr. 5 lze i zde zavádět kladnou zpětnou vazbu.

Claims (3)

1. PREDMET

   VYNÁLEZU

   1. Zapojení obvodu pro měření elektrického proudu s napěťovým výstupem vyznačené tím, že druhý pól zdroje (lj napětí, jehož první pól je uzemněn, je připojen přes měřený objekt (3) jednak k neinvertujícímu vstupu (16) diferenčního operačního zesilovače (4), jednak pres nastavitelný měrný odpor (0) k prvnímu vývodu prvního odporu (7), jehož druhý vývod je spojen s prvním vývodem druhého odporu (8) a zároveň s invertujícím vstupem prvního diferenčního operačního zesilovače (4), k jehož výstupu (14) je připojen .druhý vývod druhého odporu’(8).
2. 2. Zapojení obvodu podle bodu 1, vyznačené tím, že ke spolu' spojeným vývodům nastavitelného měrného odporu (6) .a prvního odporu (7j je připojen první vývod třetího odporu (9j a zároveň výstuip invertujícího operačního zesilovače (11), jehož neinvertující vstup je uzemněn a jehož invertující vstup je připojen ke druhému vývodu třetího· odporu (9) a zároveň k prvnímu vývodu čtvrtého odporu (10), jehož druhý vývod je připojen k pohyblivému kontaktu potenciometru (12), jehož druhý vývod je uzemněn a první vývod připojen k druhému vývodu druhého odporu (8).
3. 3. Zapojení obvodu podle bodu 1, vyznačené tím, že ke spolu spojeným vývodům nastavitelného měrného odporu (8) a prvního odporu (7) je připojen výstup invertujícího operačního zesilovače (11), jehož neinvertující vstup je uzemněn a jehož invertující vstup je připojen ke druhému vývodu prvního odporu (7) a zároveň k prvnímu vývodu druhého odporu (8).

   2 listy výkresů