Импульсно-потенциостатическая установка

 

Изобретение относится к области электрохимических лабораторных исследований , конкретно к лабораторньм приборам, предназначенным для полярографических исследований оптически прозрачных электролитов. Цель изобретения - повьшение производительности электролиза. Устройство содержит электрохимическую ячейку с рабочим , вспомогательным электродами и электродом сравнения, узел сравнения, усилители, источник поляризующего тока , датчик калибровочных импульсов, а также источник света, фотоприемник , фильтр, аналого-цифровой преобразователь , контроллер. В устройстве оптически оценивается состояние рабочего электрода и по скорости изменения интенсивности отраженного от него светового .сигнала осуществляется управление длительностью и скважностью поляризующего тока. 4 ил. (Л 00 а sl со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

- РЕСПУБЛИН (51) 4 G 01 N 27/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4029209/31-25 (22) 24.02.86 (46) 30.07.87. Бюл. и 28 (71) Уральский политехнический инсти-,, тут им. С.M.Êèðoâà (72) С.Л.Гольдштейн и Е.Б.Солонин (53) 541.13(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 445887, кл. G О1 N 27/48, 1975.

Авторское свидетельство СССР

Р 461342, кл. G 01 Н 27/48, 1975. (54) ИМПУЛЬСНО-ПОТЕНЦИОСТАТИЧЕСКАЯ

УСТАНОВКА (57) Изобретение относится к области электрохимических лабораторных иссле. дований, конкретно к лабораторным приборам, предназначенным для поляро„.80„, 1326979 Д 1 графических исследований оптически прозрачных электролитов. Цель изобретения — повышение производительности электролиза. Устройство содержит электрохимическую ячейку с рабочим, вспомогательным электродами и электродом сравнения, узел сравнения, усилители, источник поляризующего тока, датчик калибровочных импульсов, а также источник света, фотоприемник, фильтр, аналого-цифровой преобразователь, контроллер. В устройст" ве оптически оценивается состояние рабочего электрода и по скорости из1 менения интенсивности отраженного от него светового .сигнала осуществляется управление длительностью и скважностью поляризующего тока. 4 ил.

1326979

Изобретение отпосится к эле:трохимическим лабораторным Hc o)7åäîT)d.íèям, конкретно к лабораторным приборам, предназначенным для реализации .) потенциостатирования электрохимических систем с жидкометаллическим рабочим электродом и оптически прозрачным электролитом.

Цель изобретения — повышение про- 1д изводительности электролиза за счет автоматической коррекции частоты и скважности импульсов тока, На фиг.l представлена схема установки; на фиг.2 — алгоритм ее фуш(ционирования; на фиг,3 — схема электрохимической ячейки, предназначенной для реализации электролиза с испОльзОванием Оптичес1(ОГО Откли1(а,", H 3 фиг,4 — функциоиальнал сх,- .ма ко и — 2)) роллера.

Импульсно-потенциостатическая у-с тановка (фиг.l) включает электрохимическую ячейку l, узел 2 сравнения, усилитель 3 постоянного тока, усили-- 26 тель 4 мощности, источник 5 поляризующего тока, прерыватель 6 тока, источпик 7 света, фотодетектор 8,фильтр

9„ аналого-цифровой преобразователь

10 и контроллер 11. Элехтрохимичес- дб кая ячейка 1 предназначена для конструктивного оформления фаз электрохимического объекта. Подключенный к ее рабочему электроду и электроду сравнения узел 2 сравнения необходим

Зб для алгебраического суммирования потенциала рабочего электроца с заданным потенциалом и выработки сигнала разбаланса, последовательно усилигаемого усилителем 3 постоянного тока ч усилителем 4 мощности, играющим роль переменного сопротивления. Поляризующий ток генерируется источником 5 тока и подается на рабочий.и вспомогательный электроды ячейки 1. Прерыватель 6 тока осуществляет замыкание и размыл(ание поляризутощей цепи по сигналам, формируемым контроллером 11.

Источник 7 света предназначен для освещения поверхности рабочего элек50 трода, а фотодетектор 8 — для фиксации интенсивности отраженного светового пучка. Фильтр 9, выполненный на основе интегратора, служит для подавления высокочастотных помех,.порождаемьп(как шумами источника. света и фотодетектора, так и нестабильностью поверхности рабочего электрода, вызванной макроскопическими потоками вещества в условиях нестационарного массопереноса. Лналого-цифровой преобразователь 10 осуществляет непрерывнодискретное преобразование электрического сигнала — аналога интенсивности

Отраженного пучка. Полученный цифровой код вводится в контроллер Il, который В свок) очередь инициирует запуск преобразователя 10. Используя значения интенсивности отраженного пучка, контроллер 11 вычисляет ее первую производнуо и сравнивает ее с наперед заданными пороговыми значениями. Б зависимости от результата сравнения он также вырабатывает управляющие прерывателем 6 тока сигналы.

Выбор цифровой обработки оптического отклика объекта обусловлен тем, что скорость изменения интенсивности

o>pàúåínîãо светового пучка весьма мала (сигнал на выходе фотодетектора имеет скорость парастания порядка единиц вольт в секунду}, что создает серьезные трудности при использовании аналоговых устройств того же назначения.

Функционирование устройства осуществляется в соответствии с приведенным на фиг.2 алгоритмом. Устройство содержит блок 12 ввода информации, блок !3 установки U è U), »áëoê

14 установки gq, блок 15 пуска, э» блок 16 включения тока, блок 17 измер)ения Х „р, блок 18 аналого-цифрового преобразования I,,блок 19.вы(Потр числения ----- блок 20 подачи тока

dt на ячейку, блок 21 тока или паузы, блок 22 порогового значения скорости (Пот электролиза — — < U„,,,блок 23 переключения тока, блок 24 порового значе)) d Тотр ния скорости электролиза ††- (U

dt - ))7» блок 25 выключения тока, блок 26 анализа завершенности электролиза, блок

27 окончания электролиза, блок 28 вывода информации.

На входе алгоритма (блок 12) имеется информация о пороговых значениях скорости возрастания U и спада U интенсивности отраженного пучка, определенных в предварительных экспериментах, значение исходного разбаланса л(р и критерии завершенности электролиза, к которым относятся количество пропущенного электричества, амплитуда поляризующего тока и т.п.

3 13

При этом пороговые значения скорости изменения интенсивности определяют следующим образом. Первоначально U

П1 устанавливают равным нулю и подбирают U путем поиска максимума функции г г = 1 (Ц„ ), где q — выход по току.

Значения 1 вычисляют по приращению веса полезного продукта и количеству пропущенного электричества при известном электрохимическом эквиваленте осажденного металла. Затем увеличивают U„„ и фиксируют среднюю плотность тока электролиза, одновременно контролируя выход по току. Окончательное значение П„„ соответствует максимальной средней плотности тока.

Вслед за установкой в контроллере

ll найденных значений U„,è Б„ (блок

13), а на узле сравнения — исходного разбаланса aq .(блок 14) осуществлязм ется запуск (блок 15) и начинается собственно процесс электролиза. Подача поляризующего тока и его переключение (блоки 16-25) производится одновременно с анализом завершенности электролиза (блоки 26-27), причем последняя оценивается в соответствии с заданными в блоке 12 критериями. После включения тока (блок 16) осуществляются параллельные процессы подачи на ячейку тока (блок 20) и фиксация оптического отклика. Фиксация начинается с измерения фотодетектором интенсивности отраженного пучка (блок

17) с последующим аналого-цифровым преобразованием полученного напряжения (блок 18) и заканчивается вычис— лением скорости изменения интенсивности (блок 19) при помощи контроллера. В зависимости от текущей фазы электролиза (ток или пауза, блок 21) вычисленное значение скорости сравнивается с пороговыми (блоки 22 и

24) и, если оно не превышает их, а электролиза не окончен, производится переключение тока (блоки 25 и 23).

По окончании электролиза на выходе алгоритма (блок 28) имеется документированная информация о закончившем-. ся процессе.

Таким образом, фиксация и обработка оптического отклика электрохимического объекта — интенсивности отраженного от поверхности рабочего электрода пучка света — и переключение тока электролиза в моменты достижения скоростью ее изменения наперед установленных пороговых значений, 26979

55 оптимизированных для получения макси-. мума выхода по току и средней плотности тока, позволяет повысить производительность электролиза.

Используемая в установке электрохимическая ячейка, схема которой приведена на фиг.3, включает корпус 29, выполненный из нержавеющей стали и снабженный крышкой 30 из асбоцемента, катодный тигель 31 из окиси бериллия с жидким металлом 32, кольцевой вспомогательный электрод 33, электрод 34 сравнения, фазу оптически прозрачного электролита 35, закрепленные в крышке

30 металлические токоподводы 36 и 37 к рабочему и вспомогательному электродам, камеру 38 для размещения источника света с отверстиями для охлаждения, ограниченную заглушкой 39, камеру 40 для размещения фотодетектора, ограниченную заглушкой 41 с внешним электрическим контактом, и сапфировые защитные стекла 42 и 43, Испускаемый источником света, находящимся в камере 38, световой пучок, проходя через защитное стекло 42 и слой электролита, отражается от поверхности жидкого металла 32 и попадает на вход помещенного в камере 40 фотодетектора, выходной сигнал которого передается при помощи внешнего контакта заглушки 41 на вход фильтра.

Функциональная схема контроллера

11 приведена на фиг.4. Контроллер включает тактовый генератор 44, линию 45 задержки, регистры 46-47, арифметическое устройство 48, цифровой компаратор 49, коммутатор 50, набиратели 51 и 52, логический вентиль 53, одновибратор 54, счетный триггер 55 и кнопочные переключатели

56 и 57. Тактовый генератор, запускаемый при помощи переключателя 56,тактирует аналого-цифровой преобразователь 10 (фиг.l), инициируя очередное непрерывно-дискретное преобразование напряжения — аналога интенсивности отраженного пучка. Линия 45 задержки обеспечивает запись кода с выхода аналого-цифрового преобразователя в регистр 46 и одновременную перезапись содержимого регистра 46 в регистр 47 по истечении времени аналого-цифрового преобразования. Таким образом, в регистрах 46 и 47 хранятся два смежных по времени значения оптического отклика. Арифметическое устройство 48 вычисляет разность

1326979 этих значений, которая (с учетом постоянства времени между двумя измеppHHHMH) c . точностью дО постоянного множителя равна производной интенсивности (скорости ее изменения). Код < выхода арифметического устройства сравнивается компаратором 49 с кодами пороговых значений скорости, задаваемыми при помощи набирателей 51 и

52 и переключаемыми компаратором 50 в зависимости от состояния триггера

55, причем в случае бестоковой паузы на выходе коммутатора выставляется код, соответствующий U«, а в случае подачи импульса тока — код, соответствующий 11, . Если текущая разность амплитуд интенсивности меньше IIopo " гового значения или равна eI;y, то выходные сигналы компаратора 49 через вентиль 53 подаются на вход счетного триггера 55, переключая его. При этом выходной сигнал триггера управляет прерывателсм тока б (фиг.1), задавая включение и выключение тока. Назначенйем одновибратора 54 является блокировка выходов комт|аратора на время, необходимое для завершения переходных процессов при очередном переключении тока. Триггер 55 устанавливается в исходное состояние при помощи переключателя.

Исследование эффективности предлагаемого устройства производилось на примере электроосаждения циркания на жидкий цинк из хлориднО-фториднОГО электролита. Катодом служит жидкий цинк, кольцевым анодом — металлический цирконий, рабочим расплавом—

KC1 — ИаС1 — 25 мас.% К Zrl. < массой

50 г и объемом 30,5 см . Злектролиз проводили при температуре оптической прозрачности электролита (730 С) в атмосфере очищенного aproíà. Осуществлялось приготовление композиции

Еп + 12 мас.7, Zr. Б результате автоматической коррекции длительность импульсов тока изменялась в пределах

4,1-8,8 с, а длительность бестоковых пауз — 0,5-0,7 с.

Ф о р м у л а изобретения

Импульсно-потенциостатическая установка, включающая электрохимическую ячейку с рабочим, вспомогательным электродами и электродом сравнения, узел сравнения, усилитель постоянного тока, усилитель мощности, источник поляризующего тока и датчик калиброванньгх импульсов, причем Вхо ды узла сравнения подключены к рабочему электроду и электроду сравне20 ния, его выход соединен с усилителем псстоянного тока, выход последнего связан с усилителем мощности, первый выход которого подключен к рабочему электроду, а второй через источник

2г поляризующего ток H H KGJIHGpo ванных импульсов соединен с вспомо-гательным электродом, о т л и ч а ю . щ а я с я тем, что, с целью повышения производитель:.:ости электролиза за счет автоматической коррекции частоты и скважности импульсов тока, в установку дополнительно введены источник света„, фотодетектор, фильтр, аналого-цифровой преобразователь и

35 контроллер, при этом выход источника света оптически связан с рабочим электродом и входом фотодетектора, выход фотодетектора через последовательно соединенные фильтр и аналого40 цифровой преобразователь соединен с входом контроллера, выход которого поцключен к датчику калиброванных импульсов.

1326979

1326979

Л У ф / О !

Составитель В .Немцев

Редактор М.Петрова Техред Л.Олийнык Корректор Г.Ренетник

Заказ 3381/39 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по, делам изобретений и открытий

11303 >, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгороц,ул.Проектная,4