Вопросы сохранения электрической энергии уже достаточно долго являются актуальными. Основным прибором используемым при проектировании новых аккумуляторов электрической энергии является импедансметр.В данной работе описаны устройство и принцип работы разработанного имдансметра-приставки к осциллографу.
Ключевые слова: твердые электролиты, импедансметр, генератор, осциллограф.
Одним из наиболее перспективных вопросов являются проблемы разработки аккумуляторов электрической энергии, особое место среди которых занимают твердые электролиты (суперионные проводники). Для исследования электрических свойств суперионных проводников чаще всего используют измерительные мосты как с ручной балансировкой, так и автоматические, входящие в структуру импедансметров [1]. При использовании приборов с ручной балансировкой для каждого измерения требуется произвести множество манипуляций, в связи с чем время каждого измерения довольно велико. В связи с тем, что измеряемые параметры могут измениться со временем, в особенности под действием электрического тока, требуется проводить измерения в течение короткого промежутка времени. Современные автоматические импедансметры лишены этого недостатка, но имеют достаточно высокую стоимость, далеко не всегда оправданной при недостаточной загрузке прибора. Разработанный нами импедансметр обладает достоинствами автоматического при вполне разумной цене, поскольку для его работы достаточно некоторых лабораторных приборов и компьютера, а импедансметр исполнен в виде приставки. Данный прибор использовался для проведения экспериментов по исследованию электрических характеристик твердых электролитов, а именно для определения их полного сопротивления и электрической емкости.
За основу при разработке цифрового измерителя импеданса были взяты работы [2;3]. Общие принципы построения данного импедансметра изложены в работе [4]. Блок-схема импедансметра показана на рисунке 1.
Общий принцип работы таков: гармонический сигнал формируется на генераторе и подается на блок сравнения, на его выходе образуются два сигнала (одно с измерительной ячейки, второе — полное), которые подаются на осциллограф и считываются компьютером, где полученные данные обрабатываются.
Рис. 1. Блок-схема импедансметра
Блок управления задает режим работы генератора (амплитуду и частоту сигнала) и включает эталонный резистор в блоке сравнения. Компьютер используется непосредственно как вычислительная машина, считывая и обрабатывая данные с осциллографа, а также настраивая приставку к осциллографу (параметры генератора, выбирает эталон).
Функционально импедансметр состоит из трех блоков.
Блок управления включает в себя микросхему Arduino Nano и стабилизатор питания на +5В для его работы.
Схема цифрового генератора показана на рисунке 2.
Рис. 2. Схема блока генератора
Блок генерации разрабатывался на микросхеме AD9833. Эта микросхема является маломощным, программируемым генератором сигналов, способным формировать сигналы синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы. Управление работой микросхемы AD9833 выполняется по интерфейсу SPI (3-х проводной схеме).
Двуполярное питание ±15В подается на схему через разъем XP1 и фильтрующие конденсаторы на микросхемы DA4 и DA5 для стабилизации ±12В. С помощью микросхем DA6 и DA7 дополнительно формируются сети +5В и +2,56В. Напряжение ±12В применяется для питания микросхем КР544УД2, которые являются высокочастотным операционным усилителем.+5В используется для питания микросхем AD9833 (генератор) и AD8402 (сдвоенный цифровой потенциометр).
Тактовая частота работы микросхемы AD9833 задается кварцевым генератором XTAL1 (24,764 МГц) включенным по принципиальной схеме. Управление работой генератора осуществляется блоком управления через разъем XP2, для подключения шины интерфейса SPI, посредством которого производится настройка как микросхемы AD9833, так и AD8402.
Сигнал, сформированный микросхемой AD9833 через фильтр нижних частот подается на неинвертирующий усилитель на операционном усилителе с коэффициентом усиления k=20. Усиленный сигнал подается на один из потенциометров микросхемы AD8402, которым регулируется амплитуда переменной составляющей конечного выходного сигнала. Затем после прохождения конденсаторов С26 и С28, на которых удаляется его постоянная составляющая, сигнал подается на инвертирующий усилитель с единичным усилением, неивертирующий вход которого подключен ко второму потенциометру. Второй потенциометр используется для задания постоянной составляющей выходного сигнала в диапазоне от 0В до 2,56В.
Схема блока сравнения показана на рисунке 3.
Напряжение ±15В от источника питания подается на схему через разъем XP1 и стабилизируется на микросхемах DA4 и DA5, используемых со стандартной конденсаторной обвязкой, до уровня ±12В. Конденсаторы С13-С18 используются в цепях питания микросхем для фильтрации возникающих переменных колебаний в цепях питания
Сигнал с генератора сигналов поступает на схему через разъем XP4 и подается на неинвертирующий вход усилителя мощности. Усилитель мощности собран на основе операционного усилителя DA1, двух полевых транзисторах VT1 выполненных сборкой в одном корпусе и резисторной обвязке. Выход усилителя мощности соединяется с остальной частью схемы через нормально разомкнутое реле К1.
Рис. 3. Схема блока сравнения.
Подключение измерительной ячейки осуществляется с помощью четырех BNC разъемов Counter, Work, Ref и Comp. Выводы COUNTER и WORK — токовые, по ним поступает переменный сигнал на измерительную ячейку. С потенциальных выводов REF и COMP снимается сигнал, регистрируемый на ячейке. Подключенный объект оказывается последовательно соединенным с эталонным резистором. При измерении электрохимической ячейки по двухпроводной схеме попарно соединяются выводы Counter и Ref, Comp и Work.
Токовый сигнал считывается инструментальным усилителем DA3, с резистивного преобразователя ток-напряжение выполненного на эталонных резисторах R6-R9. Выбор используемого эталонного резистора выполняется программно компьютером с помощью реле К2-К5.
Сопряжение между данной схемой и осциллографом осуществляется через делитель на 51Ом (исходя из документации на используемый операционный усилитель, его выходное сопротивление 4кОм)
Также написана компьютерная программа для работы с осциллографом и импедансметром-приставкой к нему. При разработке использовался цифровой осциллограф RIGOL серии DS1000E.
Алгоритм работы программы состоит из следующих этапов:
- Настройка генератора сигналов и блока сравнения;
- Считывание цифровых данных с осциллографа;
- Вычисление действительной и мнимой части дискретного преобразования Фурье на рабочей частоте генератора для обоих сигналов.
- Определение отношения амплитуд сигналов и сдвига фаз между ними, используя комплексные составляющие преобразования Фурье
- Вычисление модуля импеданса, его действительной и мнимой частей, а также других параметров, функционально связанных с импедансом.
Вывод: Разработан прибор и программное обеспечение к нему. По своим функциональным возможностям и точности данный прибор сравним с существующими импедансметрами.
Литература:
- Импедансная спектроскопия твердых тел: Часть 1: учеб. пособие / В. Г. Гоффман, А. В. Гороховский, Н. В. Горшков, Н. Н. Ковынева, Е. В. Колоколова, — Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2017–120 с.
- Steber G. Low Cost Automatic Impedance Bridge. — QST, 2005, October, p. 36–39
- Steber G. An LMS Impedance Bridge. — QEX, 2005, September/October, p. 41–47
- В. М. Поезжалов, Ю. П. Мартынюк, С. В. Святокум, В. Г. Гоффман. Установка для измерения импеданса электрохимических систем — «Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира»: сборник по итогам материалов XXVI Международной конференции под редакцией кандидата физико-математических наук, доцента Панкратовой Е. В. — Саратов: Изд-во «Техно-Декор», сентябрь 2017 — с. 53–55
