Пристрій для одержання циклічних хронопотенціограм з використанням змінного струму

Реферат: Пристрій для хронопотенціометричного аналізу, який складається з трьохелектродного датчика, блока поляризації електродів та системи комп'ютерної реєстрації, причому на електроди датчика від блока поляризації подається змінний струм синусоїдальної форми з частотою 50 Гц, заданої амплітуди. UA 107672 U (12) UA 107672 U UA 107672 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до області електрохімії, зокрема до способів електрохімічного аналізу, і може бути використана при проведенні лабораторних досліджень кінетики і механізму електродних процесів та хіміко-аналітичного контролю об'єктів довкілля, контролю у виробництві лікарських препаратів, харчових продуктів, матеріалів для електронної, машинобудівної, будівельної, хімічної та інших галузей промисловості. Відомий хронопотенціометричний спосіб вимірювання вмісту важких металів за методом інверсійної хронопотенціометрії, який полягає у електрохімічному концентруванні елементу із розчину на вимірювальному електроді з наступним вимірюванням у часі потенціалів його розчинення (інверсії) при заданому опорі окиснювального ланцюга [1]. Основним недоліком цього способу є використання токсичного матеріалу електрода, що збільшує екологічну небезпеку аналізу внаслідок великої кількості ртуті; невизначеність електрохімічних параметрів вимірювання вмісту металу в досліджуваних об'єктах. Відомий спосіб гістограмної цифрової фільтрації хронопотенціометричних даних, при якому аналоговий сигнал із електрохімічної комірки з вимірювальним та допоміжним електродами подають на вхід елементів пам'яті, які з'єднуються з системою управління [2]. Запропонований пристрій, що може бути використаний для обробки будь-яких безперервно зростаючих (спадаючих) сигналів з рівномірною дисперсією шуму у всьому діапазоні вимірювання. Недоліком запропонованого пристрою є відсутність контролю початкового потенціалу. Як прототип нами вибрано пристрій, описаний в роботі [3]. Авторами запропонована установка на основі модуля "АЦП-ЦАП 16/16 Sigma USB" з персональним комп'ютером, який використовують для обробки, зберігання та візуалізації даних вимірювань. Робочим електродом прототипу був платиновий мікроелектрод. Недоліками пристрою, вибраного нами як прототип, є значна зашумленість кривої, що відображається на екрані, а також неможливість регулювання початкового потенціалу поляризації платинового мікроелектрода. Задачею корисної моделі, що заявляється, є розробка схеми автоматичного підтримання заданого початкового потенціалу робочого платинового мікроелектрода, та усунення шумових завад на етапі комп'ютерної обробки аналітичного сигналу. Задача, поставлена першим з цих завдань, досягається введенням у коло електродів додаткової ЕРС, яка регулюється програмно через ЦАП. Друге завдання вирішується застосуванням цифрового згладжування і фільтрації первинного сигналу. Первинні дані проходять декілька стадій обробки, щоб набути форми, зручної для сприймання кінцевим споживачем. Електричний сигнал, який являє собою різницю потенціалів між робочим електродом електрохімічного осередку (датчика сигналу) та допоміжним електродом, проходить ряд стадій перетворення, перш ніж набере остаточної форми, що виводиться на екран або на друк. Схематично ці стадії зображені на Фіг. 1. Прямокутниками позначені проміжні і кінцеві стадії, а перехід від одного стану до іншого стрілками. Аналоговий сигнал, який знімається з електродів датчика, за допомогою аналогоцифрового перетворювача (АЦП) перетворюється у цифровий сигнал, який спочатку знаходиться в цілочисельній двійковій формі. Кількість розрядів залежить від марки АЦП. Нами використано карту АЦП/ЦАП L-Card L780M, яка має розрядність 14 біт. Одержаний масив двійкових чисел перетворюється в масив чисел з плаваючою крапкою, який дає значення різниці потенціалів у певні проміжки часу. Щоб усунути незначні похибки аналогово-цифрового перетворення та шуми сигналу, які посилюються при подальшому диференціюванні сигнал згладжується за методом середнього вагомого, суть якого можна виразити рівнянням: xi'  k2 xi2  k1 xi1  k0 xi  k1 xi1  k2 xi2 , 50 при цьому має виконуватись умова: k 0  2 k1  2 k 2  1 . Далі цей числовий масив за допомогою алгоритму диференціювання, в основі якого лежить формула dE / dtn   n   n1  n   n1 ,  t n  t n1 t перетворюється в масив значень dE/dt, E. В такій формі сигнал піддається фільтрації векторним фільтром, який оптимізований для двовимірного простору. Розрахунок нових координат для кожної точки проводиться за рівнянням: 55 x, y i  x, y i   x, y i 1  x, y i   x, y i1  x, y i  0,28 . ' 1 UA 107672 U 5 10 15 20 25 30 35 На основі масиву пар dE/dt, E будується растрове зображення, яке являє собою двовимірну сітку точок. Така побудова виконується програмою за допомогою апаратного прискорення відеокарти (Direct X). При цьому результуюче зображення має високу якість і швидкість його побудови істотно не зменшується. Для забезпечення найвищої якості зображення кривої застосовується теселяція (перетворення аналітичної геометричної поверхні в набір простих елементів) кривої в трикутники з наступним текстуруванням (накладання растрової маски на елементарне геометричне зображення). Отримане в такий спосіб растрове зображення зберігається в пам'яті комп'ютера і може бути виведене на монітор та на друк. Електричну схему пристрою для реалізації даного способу наведено на Фіг. 2. Синусоїдальний струм промислової частоти проходить через електрохімічний датчик (Фіг. 3) практично без спотворень, оскільки в коло електродів послідовно увімкнено опори R 1R13, мінімальний сумарний опір яких на 4-5 порядків більший за максимальний опір датчика. Ці опори призначено для регулювання діапазону розгортки потенціалу (РП грубо, РП точно). Для того, щоб реалізувати поляризацію робочого електроду лише одним півперіодом змінного струму, використано шунтування міжелектродного проміжку германієвим діодом ДГЦ27 (D1 на Фіг. 2). Введення послідовно з діодом додаткової ЕРС дає можливість знімати хронопотенціограми в будь-якому заданому інтервалі потенціалів. Величина цієї ЕРС регулюється програмно через сигнал від цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), який надходить на контакти 5,6 електричної схеми. Перемикач ПІ змінює полярність вмикання діода, що дає можливість поляризувати електрод як анодно, так і катодно (АП/КП). Для узгодження параметрів виходу ЦАП з електричним колом установки використано підсилювач, складений на транзисторах Т1-Т4 за схемою емітерного повтрювача, який живиться від стабілізованого випрямляча. Будова електродної системи наведена на Фіг. 3. Робочий електрод 1 одержували як торець платинової дротини з діаметром 0.3 мм, впаяної у скляну трубку 9. Торець трубки з дротиною -3 2 шліфувався дрібним шліфпапером. Площа мікроелектроду становить ~510 мм . В ролі допоміжного електроду використовується титановий циліндр 4. Електрод порівняння 10 стандартний - аргентум хлоридний. Електролітичний контакт електрода порівняння з досліджуваним розчином здійснюється через стандартний наконечник 6 для мікровимірювання рН з азбестовим заповненням. Потік розчину заходить у датчик через капілярну трубку 7 і спрямовується безпосередньо на торець платинової дротини робочого електрода. Далі він, проходячи через порожнину допоміжного електрода, контактує з електролітичним містком електрода порівняння і виходить з датчика через капілярну трубку 8. Така конструкція датчика, в разі потреби, забезпечує протічний режим роботи. Виводи електродів 1, 2 і 3 з'єднано з відповідними контактами електричної схеми. Пристрій, який лежить в основі корисної моделі, що заявляється, реалізовано у вигляді макета з такими технічними характеристиками: 1. Живлення від мережі змінного струму 220 В, 50 Гц 2. Гальванічна розв'язка кола електродів від мережі змінного трансформаторна струму 3. Споживана потужність 15 Вт 4. Електродна система протічна 5. Індикаторний електрод – платиновий диск. Діаметр 0,080,5 мм робочої частини електродів 6. Встановлення початкового потенціалу програмне 7. Точність підтримання початкового потенціалу ±2,0 мВ індикаторного електроду 40 45 50 Приклад Готується розчин досліджуваної речовини (у даному прикладі це органічний барвник -5 -2 3 Алізариновий червоний S) з концентрацією в діапазоні від 110 до 110 моль/дм . Для приготування розчину використовується фоновий електроліт (у даному прикладі це розчин 3 хлоридної кислоти з концентрацією 1.0 моль/дм ). Платиновий мікроелектрод перед початком кожного вимірювання обробляється хромовою сумішшю і ополіскується дистильованою водою. Внутрішній простір датчика заповнюють досліджуваним розчином. На Фіг. 4 показано зображення вікна серверної програми Polarostudio-2010 у відповідних полях якого встановлюють бажане значення стартового потенціалу поляризації електрода та розгортки потенціалу. Змінюючи силу струму у колі електродів опорами R1-R13 оператор досягає розгортки потенціалу, встановленої у відповідному полі програми. Ознакою того, що величина 2 UA 107672 U 5 10 15 20 25 30 розгортки з точністю ±0.005 В досягнута, є зміна кольору кривої на екрані. Одержаний документ може бути збережений програмою для подальшого опрацювання або дані можуть бути експортовані в інше програмне забезпечення, наприклад Ехеl. Джерела інформації: 1. Пат. 56867 Україна, МПК G01N 27/49 (2006.01), G01N 27/48 (2006.01), C01G 21/00. Спосіб визначення свинцю методом інверсійної хронопотенціометрії у водних розчинах / Суровцев І. В., Галімова В. М., Копілевич В. А. опубл. 25.01.2011, бюл. № 2. 2. Пат. 55158 України, МПК G01N 27/48 (2006.01). Спосіб гістограмної цифрової фільтрації хронопотенціометричних даних / Суровцев І.В., Галімова В. М., Бабак О.В. опубл. 10.12.2010, бюл. № 23. 3. Дегтярёва Е.Э. Установка для изучения механизма электродных процессов методом осциллографической вольтамперометрии / Е.Э. Дегтярёва, А.Б. Килимник // Вестник ТГТУ.2007. - Т. 13. - № 4. - С. 913-918. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Пристрій для хронопотенціометричного аналізу, який складається з трьохелектродного датчика, блока поляризації електродів та системи комп'ютерної реєстрації, який відрізняється тим, що на електроди датчика від блока поляризації подається змінний струм синусоїдальної форми з частотою 50 Гц, заданої амплітуди. 2. Пристрій за пунктом 1, який відрізняється тим, що робочий електрод датчика виконано у формі платинового диска діаметром 0,5 мм, розміщеного всередині допоміжного електрода, виконаного у формі порожнистого титанового циліндра. 3. Пристрій за пунктами 1 і 2, який відрізняється тим, що схема поляризації додатково містить діод ДГЦ-27, ввімкнений паралельно до електродів датчика і який зрізує один півперіод змінного струму. 4. Пристрій за пунктами 1, 2, 3, який відрізняється тим, що послідовно з діодом, який шунтує міжелектродний проміжок, увімкнено джерело програмно регульованої напруги, що дозволяє поляризувати робочий електрод від будь-якого значення початкового потенціалу і автоматично підтримувати його на заданому рівні через цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) L-Card 780M. 5. Пристрій за пунктами 1, 2, 3 і 4, який відрізняється тим, що для узгодження за опором виходу ЦАП і кола поляризації електродів між ними додатково включено електронний підсилювач з коефіцієнтом підсилення за напругою, рівним одиниці. 3 UA 107672 U 4 UA 107672 U 5 UA 107672 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6