RU2545318C1 - Coulometric unit with controlled potential - Google Patents
Coulometric unit with controlled potential Download PDFInfo
- Publication number
- RU2545318C1 RU2545318C1 RU2013148654/28A RU2013148654A RU2545318C1 RU 2545318 C1 RU2545318 C1 RU 2545318C1 RU 2013148654/28 A RU2013148654/28 A RU 2013148654/28A RU 2013148654 A RU2013148654 A RU 2013148654A RU 2545318 C1 RU2545318 C1 RU 2545318C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- potentiostat
- voltage
- input
- output
- coulometric
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к электрохимическим приборам, и может использоваться в промышленности и научных исследованиях для точного определения основного вещества методом кулонометрии при контролируемом потенциале.The invention relates to analytical instrumentation, in particular to electrochemical devices, and can be used in industry and scientific research to accurately determine the basic substance by coulometry at a controlled potential.
Известны установки для электрохимического определения вещества методом кулонометрии при контролируемом потенциале содержащие потенциостат, выполненный в виде усилителя с двумя входами, задатчик поляризующего напряжения (потенциала), трехэлектродную электролитическую ячейку, резисторный преобразователь ″ток-напряжение″, интегратор напряжения и блоки регистрации и управления. При этом задатчик потенциала подключен к первому (неинвертирующему) входу потенциостата, а электрод сравнения электролитической ячейки - ко второму (инвертирующему) входу потенциостата. Интегратор напряжения с резисторным преобразователем ″ток-напряжения″ на входе включен между выходом потенциостата и вспомогательным электродом ячейки. Рабочий электрод ячейки соединен с общим проводом потенциостата (заземлен) [Заводская лаборатория, т.57, №12, 1991, стр.14-16 Кулонометрическое определение железа общего в железорудных материалах].Known installations for electrochemical determination of a substance by coulometry at a controlled potential contain a potentiostat made in the form of an amplifier with two inputs, a polarizing voltage (potential) adjuster, a three-electrode electrolytic cell, a current-voltage resistor converter, a voltage integrator, and recording and control units. In this case, the potential adjuster is connected to the first (non-inverting) input of the potentiostat, and the reference electrode of the electrolytic cell to the second (inverting) input of the potentiostat. A voltage integrator with a resistor converter ″ current-voltage ″ at the input is connected between the output of the potentiostat and the auxiliary electrode of the cell. The working electrode of the cell is connected to the common wire of the potentiostat (grounded) [Factory Laboratory, vol. 57, No. 12, 1991, pp. 14-16 Coulometric determination of common iron in iron ore materials].
При работе известной кулонометрической установки выходной ток потенциостата протекает через электролитическую ячейку, а цепь отрицательной обратной связи, напряжение которой снимается с электрода сравнения, поддерживает неизменной разность потенциалов рабочего электрода и электрода сравнения. Величина этой разности равна напряжению задатчика потенциала. В этих условия показания интегратора тока электролиза, измеряющего количество электричества, обусловлены только электропревращениями на рабочем электроде ионов анализируемого компонента раствора и поэтому масса определяемого вещества может быть вычислена по уравнению Фарадея. Поскольку интегратор напряжения с резисторным преобразователем ″ток-напряжения″ на входе включен между выходом усилителя потенциостата и вспомогательным электродом ячейки, а рабочий электрод соединен с общим проводом установки, то изменение тока при электролизе не влияет на точность поддержания разности потенциалов рабочего электрода и электрода сравнения.During operation of the known coulometric installation, the output current of the potentiostat flows through the electrolytic cell, and the negative feedback circuit, the voltage of which is removed from the reference electrode, keeps the potential difference of the working electrode and the reference electrode constant. The magnitude of this difference is equal to the voltage of the potential master. Under these conditions, the readings of the integrator of the electrolysis current, which measures the amount of electricity, are caused only by electric transformations at the working electrode of the ions of the analyzed component of the solution, and therefore the mass of the analyte can be calculated by the Faraday equation. Since a voltage integrator with a ″ current-voltage ’voltage converter at the input is connected between the output of the potentiostat amplifier and the auxiliary electrode of the cell, and the working electrode is connected to the common wire of the unit, a change in current during electrolysis does not affect the accuracy of maintaining the potential difference between the working electrode and the reference electrode.
Недостатком известной кулонометрической установки является возможная неустойчивость и даже паразитная генерация усилителя потенциостата в тех случаях, когда для повышения точности анализа путем снижения нестабильности поддержания потенциала рабочего электрода необходимо применять усилитель потенциостата с большим коэффициентом усиления. Этот недостаток объясняется наличием электрической емкости между блоком интегратора напряжения со своим изолированным от корпуса установки источником питания и общим проводом (корпусом) усилителя потенциостата. Указанная емкость изменяет фазочастотную характеристику усилителя, вызывая запаздывание отрицательной обратной связи, и, тем самым, снижает устойчивость усилителя как системы с глубокой обратной связью.A disadvantage of the known coulometric setup is the possible instability and even spurious generation of the potentiostat amplifier in those cases when, to increase the accuracy of analysis by reducing the instability of maintaining the potential of the working electrode, it is necessary to use a potentiostat amplifier with a large gain. This disadvantage is explained by the presence of an electric capacitance between the voltage integrator unit with its power source isolated from the installation case and the common wire (case) of the potentiostat amplifier. The indicated capacitance changes the phase-frequency characteristic of the amplifier, causing the delay of negative feedback, and, thereby, reduces the stability of the amplifier as a system with deep feedback.
Наиболее близким к предлагаемому техническим решением, взятым за прототип, является кулонометрическая установка с контролируемым потенциалом. Кулонометрическая установка содержит потенциостат, задатчик потенциала, подключенный к первому (неинвертирующему) входу потенциостата, трехэлектродную электролитическую ячейку, рабочий электрод которой соединен с общим проводом потенциостата, а электрод сравнения - со вторым (инвертирующим) входом потенциостата, интегратор напряжения с резисторным преобразователем ″ток-напряжение″ на входе, включенным между выходом потенциостата и вспомогательным электродом ячейки, блоки регистрации и управления. Установка содержит развязывающие резисторы между входом интегратора напряжения и резисторным преобразователем "ток-напряжение", два переключателя и эталонный резистор, который используется при градуировке установки [Патент РФ №2135987, G01N 27/42, опубл. 27.08.1999].Closest to the proposed technical solution, taken as a prototype, is a coulometric installation with controlled potential. The coulometric installation contains a potentiostat, a potential adjuster connected to the first (non-inverting) input of the potentiostat, a three-electrode electrolytic cell, the working electrode of which is connected to the common wire of the potentiostat, and the reference electrode - with the second (inverting) input of the potentiostat, a voltage integrator with a current-resistor converter voltage ″ at the input connected between the output of the potentiostat and the auxiliary electrode of the cell, registration and control units. The installation contains decoupling resistors between the input of the voltage integrator and the resistor converter "current-voltage", two switches and a reference resistor, which is used for calibration of the installation [RF Patent No. 2139987, G01N 27/42, publ. 08/27/1999].
Работа известной кулонометрической установки с контролируемым потенциалом (прототип) осуществляется в двух режимах - режим определения количества вещества и режим градуировки.The work of the known coulometric installation with controlled potential (prototype) is carried out in two modes - the mode of determining the amount of substance and the calibration mode.
В режиме определения количества вещества вспомогательный электрод электролитической ячейки соединен с выходом потенциостата через резисторный преобразователь ″ток-напряжения″, электрод сравнения ячейки соединен со вторым входом потенциостата, а задатчик потенциала устанавливает на первом входе потенциостата первое заданное напряжение. В результате в ячейке происходит электрохимический процесс, приводящий ионы определяемого вещества в заданную валентность. После завершения этого процесса задатчик потенциала устанавливает на первом входе потенциостата второе заданное напряжение и включает интегратор напряжения. Выходной ток потенциостата, обусловленный электропревращениями ионов определяемого вещества, протекает через резисторный преобразователь ″ток-напряжение″ и ячейку. Падение напряжение на резисторном преобразователе "ток-напряжение" через развязыващие резисторы поступает на вход интегратора напряжения. Результат интегрирования тока электролиза индицируется в блоке регистрации. По завершении процессов измерения блок управления переводит переключатели в исходное положение, отключая электролитическую ячейку от потенциостата.In the mode of determining the amount of substance, the auxiliary electrode of the electrolytic cell is connected to the output of the potentiostat through a resistor "current-voltage", the reference electrode of the cell is connected to the second input of the potentiostat, and the potential regulator sets the first predetermined voltage at the first input of the potentiostat. As a result, an electrochemical process occurs in the cell, which brings the ions of the analyte into a given valency. After completing this process, the potential master sets a second predetermined voltage at the first input of the potentiostat and turns on the voltage integrator. The output current of the potentiostat, due to the electroconversion of the ions of the analyte, flows through the resistor transducer ″ current-voltage ″ and the cell. The voltage drop across the resistor converter "current-voltage" through the decoupling resistors is fed to the input of the voltage integrator. The result of the integration of the electrolysis current is displayed in the registration unit. Upon completion of the measurement processes, the control unit transfers the switches to their original position, disconnecting the electrolytic cell from the potentiostat.
В режиме градуировки установки переключатели устанавливают потенциостат в режим масштабного усилителя, коэффициент передачи которого определяется соотношением величин сопротивлений преобразователя ″ток-напряжения″ и эталонного резистора. Задатчик потенциалов устанавливает на первом входе потенциостата определенное напряжение и включает интегратор напряжения. По величине падения напряжения на эталонном резисторе определяют величину тока градуировки, протекающего через резисторный преобразователь ″ток-напряжение″. Падение напряжения на последнем через развязывающие резисторы поступает на вход интегратора напряжения. Результат интегрирования в течение заданного временного интервала индицируется блоком регистрации, после чего вычисляется градуировочный коэффициент кулонометрической установки (цена единицы отчета в кулонах).In the calibration mode of the installation, the switches set the potentiostat to the scale amplifier mode, the transmission coefficient of which is determined by the ratio of the resistance values of the “current-voltage” converter and the reference resistor. The potential regulator sets a certain voltage at the first input of the potentiostat and turns on the voltage integrator. The magnitude of the voltage drop across the reference resistor determines the magnitude of the graduation current flowing through the resistor transducer ″ current-voltage ″. The voltage drop at the latter through the decoupling resistors is fed to the input of the voltage integrator. The result of integration during a specified time interval is indicated by the registration unit, after which the calibration coefficient of the coulometric setting (the price of the report unit in coulombs) is calculated.
Недостатками известной кулонометрической установки являются увеличение погрешности интегрирования при работе в широком диапазоне масс определяемых химических элементов, а также сложность конструкции, обусловленная наличием двух мощных прецизионных резисторов (преобразователь ″ток-напряжение″ и эталонный резистор) и необходимостью их коммутации при градуировке. Все отмеченные факторы заметно влияют на общую точность измерений.The disadvantages of the known coulometric installation are the increase in the integration error when working in a wide range of masses of the determined chemical elements, as well as the design complexity due to the presence of two powerful precision resistors (a current-voltage converter and a reference resistor) and the need for their switching during calibration. All noted factors significantly affect the overall measurement accuracy.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение точности и упрощение конструкции кулонометрической установки с контролируемым потенциалом.The problem solved by the present invention is to improve the accuracy and simplify the design of coulometric installation with controlled potential.
Поставленная задача решается тем, что кулонометрическая установка с контролируемым потенциалом, содержащая потенциостат, задатчик потенциала, подключенный к первому входу потенциостата, трехэлектродную электролитическую ячейку, рабочий электрод, которой соединен с общим проводом потенциостата, электрод сравнения соединен со вторым входом потенциостата, а вспомогательный электрод соединен с выходом потенциостата, резисторный преобразователь ″ток-напряжение″, включенный между выходом потенциостата и вспомогательным электродом ячейки, первый и второй развязывающие резисторы, переключатели, интегратор напряжения, блоки регистрации и управления, дополнительно содержит операционный усилитель, переключатель полярности и сдвоенный переключатель с первой и второй группами переключающих контактов.The problem is solved in that a coulometric installation with a controlled potential, containing a potentiostat, a potential regulator connected to the first input of the potentiostat, a three-electrode electrolytic cell, a working electrode, which is connected to the common wire of the potentiostat, a reference electrode is connected to the second input of the potentiostat, and the auxiliary electrode is connected with the output of the potentiostat, a resistor converter ″ current-voltage ″, connected between the output of the potentiostat and the auxiliary electrode of the cell The first and second decoupling resistors, switches, voltage integrator, registration and control units, further comprises an operational amplifier, a polarity switch and a dual switch with the first and second groups of switching contacts.
Вход переключателя полярности через первый и второй развязывающие резисторы соединен с резисторным преобразователем ″ток-напряжение″, а выход - со входом и общим проводом операционного усилителя, выход которого соединен со входом интегратора напряжения, переключающий контакт первой группы сдвоенного переключателя подключен к выводу резисторного преобразователя ″ток-напряжение″, нормально разомкнутый и нормально замкнутый контакты этой группы сдвоенного переключателя соединены соответственно со вспомогательным электродом электролитической ячейки и с общим проводом, переключающий контакт второй группы сдвоенного переключателя подключен ко второму входу потенциостата, нормально разомкнутый и нормально замкнутый контакты этой группы сдвоенного переключателя соединены соответственно с электродом сравнения электролитической ячейки и с выходом потенциостата. В кулонометрической установке управляющие входы задатчика потенциала, сдвоенного переключателя, переключателя полярности, операционного усилителя, интегратора напряжения и блока регистрации соединены с соответствующими выходами блока управления.The input of the polarity switch through the first and second decoupling resistors is connected to the resistor converter ″ current-voltage ″, and the output is connected to the input and common wire of the operational amplifier, the output of which is connected to the input of the voltage integrator, the switching contact of the first group of the dual switch is connected to the output of the resistor converter ″ current-voltage ″, normally open and normally closed contacts of this group of a dual switch are connected respectively to the auxiliary electrode roliticheskoy cell and to ground, the switching contact of the second dual band switch connected to the second input of potentiostat, normally open and normally closed contacts of this group the double switches are respectively connected to the reference electrode and an electrolytic cell yield potentiostat. In the coulometric installation, the control inputs of the potential adjuster, dual switch, polarity switch, operational amplifier, voltage integrator and registration unit are connected to the corresponding outputs of the control unit.
Операционный усилитель целесообразно выполнять с возможностью изменения коэффициента усиления ручным или программным способом.The operational amplifier is expediently performed with the possibility of changing the gain manually or programmatically.
Сдвоенный переключатель предпочтительно выполнять в виде электромагнитного реле, а переключатель полярности - в виде электромагнитного реле с двумя группами переключающих контактов.The dual switch is preferably in the form of an electromagnetic relay, and the polarity switch is in the form of an electromagnetic relay with two groups of switching contacts.
Интегратор напряжения предпочтительно выполнять в виде интегрирующего преобразователя ″напряжение-частота″ со счетчиком импульсов на выходе [Й. Янсен. Курс цифровой электроники в 4-х томах. Том 3. Сложные ИС для устройств передачи данных. Стр.239-241. Москва. «Мир». 1987]. Наличие в составе кулонометрической установки переключателя полярности позволяет выполнить преобразователь ″напряжение-частота″ однополярным со смещением нуля.The voltage integrator is preferably performed in the form of an integrating Converter ″ voltage-frequency ″ with a pulse counter at the output [J. Jansen. Digital Electronics Course in 4 volumes. Volume 3. Complex ICs for data transmission devices. Page 239-241. Moscow. "Peace". 1987]. The presence in the coulometric installation of the polarity switch allows you to perform the Converter ″ voltage-frequency ″ unipolar with a zero offset.
Общий провод источника питания операционного усилителя и преобразователя ″напряжение-частота″ изолирован от общих проводов источников питания остальных блоков установки. Сами источники питания блоков установки не имеют каких-либо особенностей.The common wire of the power source of the operational amplifier and the ″ voltage-frequency ″ converter is isolated from the common wires of the power supplies of the remaining units of the installation. The power supplies of the installation units themselves do not have any features.
На чертеже изображена блок-схема кулонометрической установки с контролируемым потенциалом (переключатели изображены в исходном состоянии, источники питания всех блоков не показаны).The drawing shows a block diagram of a coulometric installation with controlled potential (the switches are shown in the initial state, the power sources of all units are not shown).
Кулонометрическая установка содержит потенциостат 1, выполненный в виде усилителя постоянного тока с двумя входами и мощным выходом. Выход потенциостата 1 через прецизионный резистор 2 преобразователя ″ток-напряжение″, переключающий и нормально разомкнутый контакты первой группы I сдвоенного переключателя 3 соединен со вспомогательным электродом 4 электролитической ячейки 5.The coulometric installation contains a
Рабочий электрод 6 ячейки 5 и нормально замкнутый контакт группы I сдвоенного переключателя 3 соединены с общим проводом установки.The working
Электрод сравнения 7 электролитической ячейки 5 через переключающий и нормально разомкнутый контакты группы II сдвоенного переключателя 3 соединен со вторым (инвертирующим) входом потенциостата 1. Нормально замкнутый электрод группы II сдвоенного переключателя 3 соединен с выходом потенциостата 1.The reference electrode 7 of the electrolytic cell 5 through the switching and normally open contacts of group II of the dual switch 3 is connected to the second (inverting) input of the
Первый (неинвертирующий) вход потенциостата 1 подключен к выходу задатчика потенциала 8, первый и второй входы переключателя полярности 11 через развязывающие резисторы 9 и 10 подключены к резистору 2 преобразователя ″ток-напряжения″. Выход переключателя полярности 11 соединен со первым входом и с общим проводом операционного усилителя 12, к выходу которого подключен вход интегратора напряжения 13. Интегратор напряжения 13 выполнен в виде интегрирующего преобразователя ″напряжение-частота″ со счетчиком импульсов на выходе и выходная информация интегратора в виде числа импульсов за время интегрирования напряжения поступает в пертвый вход блока регистрации 14.The first (non-inverting) input of the
Вход задатчика потенциала 8, сдвоенного переключателя 3, третий вход переключателя полярности 11, второй вход операционного усилителя 12 и второй вход блока регистрации 14 соединены с соответствующими выходами блока управления 15.The input of the potential adjuster 8, dual switch 3, the third input of the polarity switch 11, the second input of the
Установка работает следующим образом.Installation works as follows.
В режиме анализа при электролизе раствора с определяемым элементом происходит измерение количества электричества и, тем самым, определение массы этого элемента в электролитической ячейке (предварительно в соответствии с предполагаемой величиной массы анализируемого химического элемента выбирают величину усиления операционного усилителя 12). Далее по командам блока управления 15 задатчик потенциала 8 устанавливает на первом входе потенциостата 1 первое заданное напряжение (например, соответствующее потенциалу окисления ионов определяемого вещества) и включает сдвоенный переключатель 3. В результате вспомогательный электрод 4 электролитической ячейки 5 соединяется с выходом потенциостата 1 через резистор 2 преобразователя ″ток-напряжение″, а электрод сравнения 7 соединяется со вторым входом потенциостата 1.In the analysis mode, during the electrolysis of a solution with a determined element, the amount of electricity is measured and, thereby, the mass of this element is determined in the electrolytic cell (first, in accordance with the estimated mass of the analyzed chemical element, the gain of the
В ячейке 5 начинается электрохимический процесс окисления ионов определяемого вещества. После завершения этого процесса, когда все ионы определяемого вещества приняли заданную валентность, по командам блока управления 15 задатчик потенциала 8 устанавливает на первом входе потенциостата 1 второе заданное напряжение (в частности - соответствующее потенциалу восстановления ионов определяемого вещества), а переключатель полярности 11 устанавливается в положение необходимой полярности за счет соответствующего подключения входного и общего провода операционного усилителя 12 и включается блок регистрации 14. Выходной ток потенциостата 1, обусловленный электропревращениями ионов определяемого вещества на рабочем электроде 7 (в данном примере - их восстановлением), протекает через резистор 2 и ячейку 5. Падение напряжения на резисторе 2 через развязывающие резисторы 9 и 10, переключатель полярности 11 и операционный усилитель 12 поступает на вход интегратора напряжения 13.In cell 5, the electrochemical process of oxidation of the ions of the analyte begins. After completion of this process, when all the ions of the analyte have taken a given valency, according to the commands of the control unit 15, the
Разность потенциалов рабочего электрода 6 и электрода сравнения 7, равная выходному напряжению задатчика потенциалов 8, в процессе электролиза поддерживается неизменной потенциостатом 1. В этих условиях ток электролиза и, соответственно, падение напряжения на резисторе 2 экспоненциально уменьшаются во времени. Результат интегрирования этого тока - количество электричества, затраченное на процесс электролиза определяемого вещества, - индицируется блоком регистрации 14. При необходимости по той же процедуре проводится холостой опыт, при котором учитывается наличие фонового тока электролитической ячейки 5 и смещение нуля интегратора напряжения 13.The potential difference of the working
В режиме градуировки установки сдвоенный переключатель 3 находится в исходном положении (изображено на чертеже). В результате потенциостат 1 работает как усилитель со 100%-ной отрицательной обратной связью и его коэффициент усиления равен единице.In the calibration mode of the installation, the dual switch 3 is in its original position (shown in the drawing). As a result,
По командам блока управления 15 включается блок регистрации 14, а задатчик потенциалов 8 устанавливает на первом входе потенциостата 1 напряжение, необходимое для градуировки интегратора напряжения 13. Величину этого напряжения целесообразно устанавливать близкой к средней величине интегрируемого экспоненциально спадающего напряжения при анализе. Вследствие отрицательной обратной связи падение напряжения на резисторе 2 преобразователя ″ток-напряжения″ равно напряжению, которое задатчик потенциалов 8 устанавливает на первом входе потенциостата 1. Для большей точности градуировки величина напряжения на резисторе 2 преобразователя ″ток-напряжения″ может быть дополнительно проконтролирована внешним прецизионным вольтметром.By the commands of the control unit 15, the
Напряжение на резисторе 2 через развязывающие резисторы 9 и 10, переключатель полярности 11 и операционный усилитель 12 поступает на вход интегратора напряжения 13. Результат интегрирования этого напряжения в течение интервала времени, задаваемого блоком управления 15, индицируется блоком регистрации 14. Учитывая, что интегратор напряжения 13 имеет смещение нуля, аналогичная процедура повторяется при напряжении на первом входе потенциостата 1 равном нулю и том же времени интегрирования.The voltage across the resistor 2 through the
Из описания работы предложенной кулонометрической установки следует, что резистор 2 преобразователя ″ток-напряжения″ в режиме градуировки выполняет те же функции, что и два резистора (резистор преобразователя ″ток-напряжения″ и эталонный резистор) в кулонометрической установке прототипа. Поэтому градуировочный коэффициент α (в Кл/имп) определяется соотношением:From the description of the proposed coulometric installation, it follows that the resistor 2 of the current-voltage converter in the calibration mode performs the same functions as the two resistors (the resistor of the current-voltage converter and a reference resistor) in the prototype coulometric installation. Therefore, the calibration coefficient α (in C / imp) is determined by the ratio:
α=(Vэ-Vo)·T/Rэ·(Nэ-Nо)α = (V e -V o ) · T / R e · (N e -N o )
где:Where:
Vэ - падение напряжения на резисторе 2 преобразователя ″ток-напряжение″ (напряжение, заданное для градуировки интегратора напряжения 13);V e - voltage drop across the resistor 2 of the Converter ″ current-voltage ″ (voltage specified for calibration of the voltage integrator 13);
Vо - падение напряжения на резисторе 2 преобразователя ″ток-напряжение″ при напряжении на первом входе потенциостата 1, равном нулю;V about - the voltage drop across the resistor 2 of the Converter ″ current-voltage ″ when the voltage at the first input of
Т - интервал времени градуировки;T is the calibration time interval;
Rэ - сопротивление резистора 2 преобразователя ″ток-напряжение″;R e - the resistance of the resistor 2 of the Converter ″ current-voltage ″;
Nэ и Nо - показания блока регистрации 14 (число импульсов на выходе интегратора напряжения 13) при интегрировании напряжений соответственно Vэ и Vо.N e and N o - readings of the registration unit 14 (the number of pulses at the output of the voltage integrator 13) when integrating the voltages V e and V o, respectively.
При необходимости величина временного интервала Т может быть уточнена внешним хронометром, в качестве которого можно использовать серийный частотомер в режиме измерения длительности импульса.If necessary, the value of the time interval T can be adjusted by an external chronometer, which can be used as a serial frequency meter in the mode of measuring the pulse duration.
Процедура градуировки проводится для каждого выбранного значения коэффициента усиления операционного усилителя 12.The calibration procedure is carried out for each selected value of the gain of the
При практическом осуществлении предлагаемого технического решения величина сопротивления развязывающих резисторов должна превышать сопротивление электролитической ячейки не менее, чем в 4-5 раз, что реально обеспечивает отсутствие влияния емкости между общими проводами интегратора и потенциостата на фазочастотную характеристику потенциостата.In the practical implementation of the proposed technical solution, the resistance value of the decoupling resistors must exceed the resistance of the electrolytic cell by at least 4-5 times, which really ensures that the capacitance between the common wires of the integrator and the potentiostat does not affect the phase-frequency characteristic of the potentiostat.
Проверка работы предложенной кулонометрической установки с контролируемым потенциалом проводилась на макете со следующими параметрами:Verification of the operation of the proposed coulometric installation with controlled potential was carried out on a layout with the following parameters:
- максимальное выходное напряжение потенциостата ±30 В;- maximum output voltage of the potentiostat ± 30 V;
- максимальный выходной ток потенциостата ±500 мА;- maximum output potentiostat current ± 500 mA;
- диапазон задаваемых потенциалов ±3000 мВ;.- range of set potentials ± 3000 mV ;.
- сопротивление резистора преобразователя ″ток-напряжение″ (20±0,002) Ом;- resistance of the converter resistor ″ current-voltage ″ (20 ± 0.002) Ohms;
- интегратор напряжения - интегрирующий преобразователь ″напряжение-частота″ с коэффициентом преобразования 150 Гц/В;- voltage integrator - an integrating converter ″ voltage-frequency ″ with a conversion factor of 150 Hz / V;
- величина градуировочного коэффициента 160 мкКл/имп ±0,002% (при единичном коэффициенте усиления дополнительного операционного усилителя);- the value of the calibration coefficient 160 μC / imp ± 0.002% (at a unit gain of an additional operational amplifier);
- сопротивление развязывающих резисторов 50 кОм.- Resistance of decoupling resistors 50 kOhm.
Результаты лабораторных испытаний установки приведены в таблицах.The results of laboratory tests of the installation are shown in tables.
В таблице 1 приведены величины погрешности установки заданного потенциала. Погрешность не превышает 0,3 мВ (у прототипа до 0,5 мВ).Table 1 shows the magnitude of the error in setting a given potential. The error does not exceed 0.3 mV (prototype up to 0.5 mV).
В таблице 2 приведена погрешность поддержания потенциала при изменении тока электролиза. Указанная погрешность не превышает 0,1 мВ (у прототипа 0,5 мВ).Table 2 shows the error in maintaining the potential when the electrolysis current changes. The specified error does not exceed 0.1 mV (the prototype 0.5 mV).
В таблице 3 приведены данные о погрешности интегрирования экспоненциально спадающего тока электролиза для различных значений начальной амплитуды тока (цифры соответствуют единичному коэффициенту усиления дополнительного операционного усилителя). Данные таблицы показывают, что диапазон измеряемых токов электролиза (и, соответственно, масс химических элементов), в котором сохраняется достаточно высокая точность, ограничен соотношением 3:1 (указанное соотношение соответствует прототипу).Table 3 shows the data on the error of integration of the exponentially decaying electrolysis current for various values of the initial current amplitude (the numbers correspond to the unit gain of the additional operational amplifier). The data in the table show that the range of measured electrolysis currents (and, accordingly, the masses of chemical elements), in which a fairly high accuracy is preserved, is limited by a ratio of 3: 1 (this ratio corresponds to the prototype).
В таблице 4 представлены данные о диапазонах измерения предложенной кулонометрической установки в зависимости от коэффициента усиления дополнительного операционного усилителя (ОУ). В этих диапазонах сохраняется полная точность. Данные таблицы показывают, что по сравнению с прототипом диапазон измерения без потери точности при интегрировании тока электролиза у предложенной кулонометрической установки шире в 5-16 раз (см. данные таблицы 3).Table 4 presents data on the measurement ranges of the proposed coulometric installation depending on the gain of the additional operational amplifier (OA). In these ranges, full accuracy is maintained. The data in the table show that, compared with the prototype, the measurement range without loss of accuracy when integrating the electrolysis current of the proposed coulometric installation is 5-16 times wider (see table 3).
В таблице 5 представлены результаты измерения массовой доли основного вещества в ГСО 9497-2009 состава железа высокой чистоты с аттестованным значением (99,98±0,04) %. Среднее значение массовой доли железа в СО по данным измерений на предложенной установке 9 проб равно (99,97±0,01) %, что хорошо согласуется с аттестованным значением.Table 5 presents the results of measuring the mass fraction of the main substance in GSO 9497-2009 of the composition of high-purity iron with a certified value (99.98 ± 0.04)%. The average value of the mass fraction of iron in CO, according to measurements on the proposed installation of 9 samples, is (99.97 ± 0.01)%, which is in good agreement with the certified value.
За время проведения испытаний (два месяца) изменение величины градуировочного коэффициента установки не превысило 0,003%, что заметно ниже аналогичного показателя прототипа - 0,01%.During the test (two months), the change in the calibration coefficient of the installation did not exceed 0.003%, which is noticeably lower than the same indicator of the prototype - 0.01%.
В целом, введение в состав установки дополнительного операционного усилителя с изменяемым усилением обеспечило существенное (до 16 раз) расширение диапазона измеряемых масс химических элементов с сохранением полной точности. Наличие в составе предложенной кулонометрической установки только одного мощного прецизионного резистора, используемого как при анализе, так и при градуировке, вместо двух резисторов такого вида в прототипе повысило долговременную стабильность величины градуировочного коэффициента и одновременно заметно упростило конструкцию установки.In general, the introduction to the installation of an additional operational amplifier with variable gain provided a significant (up to 16 times) expansion of the range of measured masses of chemical elements while maintaining complete accuracy. The presence in the composition of the proposed coulometric installation of only one powerful precision resistor, used both in analysis and in calibration, instead of two resistors of this type in the prototype, increased the long-term stability of the calibration coefficient and at the same time significantly simplified the design of the installation.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013148654/28A RU2545318C1 (en) | 2013-11-01 | 2013-11-01 | Coulometric unit with controlled potential |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013148654/28A RU2545318C1 (en) | 2013-11-01 | 2013-11-01 | Coulometric unit with controlled potential |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2545318C1 true RU2545318C1 (en) | 2015-03-27 |
Family
ID=53383261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013148654/28A RU2545318C1 (en) | 2013-11-01 | 2013-11-01 | Coulometric unit with controlled potential |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2545318C1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU769422A1 (en) * | 1978-09-05 | 1980-10-07 | Предприятие П/Я М-5534 | Electronic coulometer with controllable potential |
| SU834866A1 (en) * | 1979-08-15 | 1981-05-30 | Предприятие П/Я А-3559 | Function generator |
| SU1000879A1 (en) * | 1981-03-30 | 1983-02-28 | Предприятие П/Я М-5534 | Device for coulometric analyis under tested potential |
| SU1536292A1 (en) * | 1988-03-30 | 1990-01-15 | Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского | Method of coulometric analysis |
| RU2120625C1 (en) * | 1997-03-28 | 1998-10-20 | Омский государственный технический университет | Coulombmeter set |
| RU2135987C1 (en) * | 1998-11-18 | 1999-08-27 | Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН | Coulometric plant with controlled potential |
| RU60222U1 (en) * | 2006-08-15 | 2007-01-10 | Владимир Ильич Погорельцев | DEVICE FOR DETERMINING AN INTEGRAL ANTIOXIDANT CAPACITY OF BIOLOGICAL MEDIA |
-
2013
- 2013-11-01 RU RU2013148654/28A patent/RU2545318C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU769422A1 (en) * | 1978-09-05 | 1980-10-07 | Предприятие П/Я М-5534 | Electronic coulometer with controllable potential |
| SU834866A1 (en) * | 1979-08-15 | 1981-05-30 | Предприятие П/Я А-3559 | Function generator |
| SU1000879A1 (en) * | 1981-03-30 | 1983-02-28 | Предприятие П/Я М-5534 | Device for coulometric analyis under tested potential |
| SU1536292A1 (en) * | 1988-03-30 | 1990-01-15 | Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского | Method of coulometric analysis |
| RU2120625C1 (en) * | 1997-03-28 | 1998-10-20 | Омский государственный технический университет | Coulombmeter set |
| RU2135987C1 (en) * | 1998-11-18 | 1999-08-27 | Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН | Coulometric plant with controlled potential |
| RU60222U1 (en) * | 2006-08-15 | 2007-01-10 | Владимир Ильич Погорельцев | DEVICE FOR DETERMINING AN INTEGRAL ANTIOXIDANT CAPACITY OF BIOLOGICAL MEDIA |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| RU 2310834 C2 (Дунаев В.С.) 20.11 2007 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tammet et al. | Electrical aerosol spectrometer of Tartu University | |
| Karden et al. | A method for measurement and interpretation of impedance spectra for industrial batteries | |
| Booman | Instrument for controlled potential electrolysis precision and coulometric integration | |
| McKubre et al. | Measuring techniques and data analysis | |
| KR20110081784A (en) | Apparatus for evaluating characteristics of cell | |
| CN110133403B (en) | Operational amplifier on-line test circuit and method suitable for radiation environment | |
| CN108181567A (en) | A kind of Hall effect tester | |
| Pajkossy | Dynamic electrochemical impedance spectroscopy of quasi-reversible redox systems. Properties of the Faradaic impedance, and relations to those of voltammograms | |
| RU2545318C1 (en) | Coulometric unit with controlled potential | |
| CN106526499B (en) | High-stability current source assessment method and system | |
| US4244800A (en) | Apparatus for use in rapid and accurate controlled-potential coulometric analysis | |
| RU2612872C1 (en) | Device for measuring electrical parameters of operational amplifiers and voltage comparators | |
| RU2135987C1 (en) | Coulometric plant with controlled potential | |
| JPH03176678A (en) | Evaluating method with ac for ic tester | |
| CN207751929U (en) | A kind of Hall effect tester | |
| US3950706A (en) | Voltage sweep generator with bistable current source providing linear sweep voltages | |
| RU2549550C1 (en) | Coulometric potentiostatic unit | |
| JPH1172529A (en) | Insulation resistance measurement instrument for capacitor | |
| EP4306948A1 (en) | Validation of electrochemical measurements using a potentiostat | |
| Williams et al. | Design considerations for a CCC bridge with complete digital control | |
| RU2204839C2 (en) | Electrochemical object parameter meter | |
| SU1109690A1 (en) | Device for checking voltage transormeps | |
| Frazzini et al. | A digital integrator for controlled-potential coulometry | |
| SU1017998A2 (en) | Electronic coulorimeter having controlled potential | |
| Schiller et al. | Introduction to Electrochemical Instrumentation |