SU1631393A1 - Устройство дл измерени концентрации ионов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, а точнее к области измерени  концентрации ионов в растворах электролитов и наиболее эффективно может быть использовано дл  контрол  химического состава малых объемов исследуемых проб. Цель изобретени  - повышение точности устройства в услови х измен ющейс  температуры исследуемого раствора путем устранени  вли ни  порогового напр жени  и температурной чувствительности полевого транзистора - достигаетс  за счет компенсации температурной чувствительности ионочувствительного полевого транзистора и за счет выделени  сигнала, пропорционального температуре и не завис щего от концентрации ионов в растворе. Устройство со- дерхит ионочувствительный полевой транзистор 1 и электрод сравнени  2, помещенные в контролируемый раствор электролита, размещенного в электрохимической  чейке 3, шесть источников напр жени  4-9, четыре сумматора 10- 13, генератор 14 синусоидального напр жени , резистор 15, операционный . усилитель 16, разв зыэающий конденсатор 17, детектор 18, фильтр 19 нижних частот, блок 20 аналогового делени , вольтметр 21 и три ключа 22-24. 1 ил. (Л

Description

Ь(Т)

|U0 CeW , Тл ,2 .., f

где Т. - комнатна  температура;

ftje подвижность электронов при температуре Т0.

и(тв+ Ат) « и(т0) + Д т,

45

40

где 11 ,1 - амплитуды переменных составл ющих напр жени  на электроде сравнени  и тока стока.

выражении от температуры зависит только Ь. Поэтому, подставив значение Ь из формулы (3), получают

Эс

В этом

2 и

где лГ«; температурна  чувствительность порогового

напр жени , которую можно определить из номограмм, зна  удельное сопротивление кремниевой подложки и толгшну диэлектрика.

Aif0(T0+AT) 2,303 ls la±AI,

50

5к2WC0|l|0T

о Jc

T-I.

(8)

Из выражени  (8) следует, что амплитуда переменной составл ющей напр жени  на электроде -сравнени  линейнозависит от температуры. Этот сигнал можно использовать дл  компенсации температурной чувствительности ИЧПТ 1. Экспериментальна  проверка подтверждает, что амплитуда

переменной составл ющей напр ж на электроде сравнени  линейно сит от температуры в диапазоне 10СГС.

При помощи детектора 18 перна  составл юща  напр жени  на роде сравнени  преобразуетс  -в  нное напр жение

ш

где If

К

18 М 2WC,

Р

Т2 О Ј0

Л.

1л

)

(9)

18

- напр жение на выходе детектора 18; К jo его коэффициент передачи Третий сумматор 12 предназначен дл  выделени  сигнала, пропорционалного приращению температуры раствора

U

а

КЛUJ

W TT-VV&T П0)

где U,0 ,U, .

напр жени  на выходах сумматора 12 и источника напр жени  6; (,Ј- коэффициент усилени 

сумматора 12.

Калибровка всего устройства проводитс  в два этапа. На первом этапе ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнени  помещают в первый буферный раствор с определенным значением рН, например, рН 1,68 при температуре TQ. После окончани  переходных процессов путем регулировки напр жени  источника 6 устанавливают нулевое напр жение на выходе сумматора 12. При этом ключ 22 замкнут, а ключи 23 и 24 разомкнуты . В качестве нуль-индикатора используетс  цифровой вольтметр 21. После этого ключ 22 размыкаетс  и замыкаетс  ключ 23. Регулировкой напр жени  источника 7 устанавливают нулевое напр жение на выходе второго сумматора 11. После этого размыкаетс ключ 23 и замыкаетс  ключ 24. Регулировкой напр жени  источника 9 уста- навливают на вольтметре 21 значение напр жени  0,168 В.

Напр жение на выходе фильтра 19 нижних частот- U(A можно записать в следующем виде, учитыва  выражени  (2) - (6)

3U

ат

п -, L-+ п (т 1 +

W Ч b utuo;

8

-Is- - 2,303

ЫТ q

А

(3+1

(рН - РН)+ЕЛТЛ) +

с

JL§#AT

Зт дт

(11)

Первое слагаемое в правой части выражени  (11) компенсируетс  путем сложени  с противоположным знаком с напр жением на выходе детектора 18, При этом коэффициент передачи детектора 18 должен быть равен

21с lT

К18

20

Коэффициент передачи сумматора выбираетс  равным

12

К

2

.|.2)(Рн0-Рн,) +

25 + LwCftMi.

а т J1 2 ic

(12)

что позвол ет при сложении с противоположными знаками компенсировать третье, п тое и седьмое слагаемые выражени  (11). Второе, четвертое и шестое слагаемые правой части выражени  (11) компенсируютс  путем регулировки напр жени  источника 9 на первом этапе калибровки.

Коэффициент передачи сумматора 12 может рассчитыватьс  по формуле (12), либо более точно может быть установлен экспериментально. Дл  этого при рНj 1,68 необходимо увеличить температуру до Т-, и изменением коэффициента передачи сумматора 12 вновь установить нулевое напо жение на выходе сумматора 11.

После первого этапа калибровки напр жение на выходе сумматора 11 равно

kT 3

so и, 2 303-Г- Т(Рн-Рн)

(13)

а после делени  в блоке 20 на сигнал

U

18

получают

Ue. 2f303Kft-J

/3 I

/i+П 2I

(14)

Коэффициент передачи блока 20 делени  К, выбираетс  на втором этапе калибровки. При этом ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнени  помещают во второй буферный раствор с, например, рН2 9,18 при температуре TQ. Путем регулировки напр жени  источника 8 по вольтметру 21 устанавливаетс  напр жение 0,918 В.

После проведенной калибровки ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнени  помещают в исследуемый раствор, и численное значение напр жени  (с учетом выбранного диапазона работы вольтметра ) соответствует значению рН исследуемого раствора и не .зависит от изменений температуры раствора.

Работа устройства проиллюстрирована на примере измерени  рН раствора. Однако при использовании ИЧПТ 1 с другим типом диэлектрика или с полимерными ионоселективными мембранами устройство позвол ет измер ть концентрацию и других ионов в исследуемом растворе. Все использованные в устройстве блоки  вл ютс  стандартными.

Устройство позвол ет исключить погрешности, которые возникают при изменени х температуры исследуемого электролита. Оно имеет линейную шкалу и позвол ет вести отсчет непосредственно в единицах рН.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  концентрации ионов, содержащее ионочувстви- тельный полевой транзистор и электрод сравнени , размещенные в электрохимической  чейке, первый источник напр жени , выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого через резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилител  и выводами истока и . подложки ионочувствительного полевого транзистора, вывод стока которого подключен к выходу второго источника

   Составитель В.Скоробогатова

   Редактор И.Касарда Техред м.Дидык

   Заказ- 539 Тираж 393 Подписное

   ВНИИЛИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

   0

   5

   5

   0

   0

   5

   0

   5

   напр жени , электрод сравнени  соединен с выходом операционного усилител , неинвертирующий вход которого соединен с общей ииной устройства, и вольтметр, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности устройства в услови х измен ющейс  температуры исследуемого раствора путем устранени  вли ни  порогового напр жени  и температурной чувствительности полевого транзистора, оно снабжено фильтром нижних частот, разв зывающим конденсатором, детектором , трем  сумматорами, четырьм  источниками напр жени , генератором синусоидального напр жени , блоком аналогового делени  и трем  ключами, при этом выход генератора синусоидального напр жени  подключен к второму входу первого сумматора, выход операционного усилител  соединен с входом фильтра нижних частот и через разв зывающий конденсатор - с входом детектора, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и через первый ключ - к входу вольтметра , выход второго сумматора подключен к первому входу блока аналогового делени  и через второй ключ - к входу вольтметра, выход детектора соединен с третьим входом второго сумматора , вторым входом блока аналогового делени  и первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу трртьего источника напр жени , выход четвертого источника напр жени  соединен с четвертым входом второго сумматора, выход п того источника напр жени  подключен к третьему входу блока аналогового делени , выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу шестого источника напр жени , выход четвертого сумматора через третий ключ соединен с входом вольтметра.

   Корректор И.Муска