1. Постановка задачи

В работе поставлена задача исследования возможности создания сравнительно недорогого полярографа на основе унифицированных виртуальных средств измерений в среде LabVIEW.

2. ВУЗ, кафедра или предприятие, на котором внедрено решение

Внедрения на данный момент нет.

3. Описание решения

В настоящее время все большее распространение получают виртуальные приборы. Благодаря универсальности, простоте эксплуатации, прямому сопряжению с компьютером и другими достоинствами они с успехом заменяют традиционные измерительные приборы. В работе рассмотрена возможность использования виртуальных средств измерений для создания экономичного полярографа.

Структурная схема полярографа на основе традиционных средств показана на рисунке 1 [1]. Формирователь поляризующего напряжения формирует заданной формы и величины воздействующее напряжение, поступающее на один из входов потенциостата - устройства, поддерживающего заданный закон изменения напряжения на границе индикаторного электрода и электролита. На второй вход потенциостата идет сигнал с электрода сравнения. Усиленная разность этих сигналов поступает на ячейку. Ток индикаторного электрода, преобразованный в соответствующее напряжение, поступает на устройство обработки и после него на устройство отображения. Устройство формирования, обработки и отображения контролируются управляющим устройством.

Рис. 1. Структурная схема полярографа на базе традиционных средств измерений

В случае использования виртуальных средств структурную схему устройства можно преобразовать в показанную на рисунке 2. Устройство управления, формирования, обработки и отображения могут быть реализованы на базе виртуальных средств, однако потенциостат и преобразователь могут быть только аналоговыми, так как они должны работать в реальном масштабе времени и напряжений. Но, кроме того, и сама электрохимическая ячейка может быть реализована на базе виртуальных средств измерений, что полезно для поверки полярографа и получения эталонных характеристик.

Рис. 2. Структурная схема виртуального полярографа

Были реализованы два широко применяемых режима: хроновольтамметрический (ХВАМ) и переменнотоковый (ПТ). Первый из них предусматривает получение динамической вольтамперной зависимости границы раздела индикаторный электрод-раствор при линейном (ступенчато-линейном) изменении электродного потенциала, второй - получение зависимости амплитуды переменного фарадеевского тока при медленной развертке потенциала с наложенной на него гармонической составляющей малой амплитуды.

Требования к аппаратной части виртуального устройства, определяются указанными режимами работы. В ХВАМ-режиме основным параметром является скорость развертки воздействующего сигнала V, которая, очевидно, определяется как: v = u_p/t_p=∆_KB/∆_d=∆_KBf_d, где и_Р и t_P - ее амплитуда и длительность, ∆_d и ∆_KB - шаги дискретизации и квантования соответственно, f_d - частота дискретизации. Требования к плате ввода/вывода заключаются в обеспечении заданной скорости развертки аналогового сигнала, что можно описать выражением: v = ∆_KBf, которая в этом режиме составляет доли- единицы вольт в секунду.

В ПТ-режиме основное требование к плате ввода/вывода заключается в достаточно точном формировании гармонического напряжения, что достигается правильным выбором частоты дискретизации и шага квантования. Минимальное значение амплитуды гармонического сигнала 5 мВ, максимальная частота 500 Гц, при этом f_d должна быть не менее 5 кГц, а ∆_KB, не менее 0,5 мВ.

Заданным требованиям к ХВАМ режиму удовлетворяют даже самые простые и дешевые платы ввода/вывода, но для реализации ПТ режима необходимо использовать платы ввода/вывода, стоимость которых сопоставима со стоимостью ПК. Но в персональном компьютере уже есть высокоточная и достаточно быстродействующая плата ввода/вывода - звуковая плата, которая может использоваться для формирования гармонического сигнала в ПТ режиме, но ее недостатком является невозможность формирования и приема постоянных сигналов. Поэтому для реализации ПТ-режима было решено использовать совместно плату USB 6008, формирующую медленную развертку и звуковую карту, формирующую гармоническую составляющую.

Таким образом, в ХВАМ режиме для формирования линейной развертки используется дешевая плата USB 6008 (максимальная частота ввода f_вв=10000Гц, частота вывода f_выв=150Гц, разрядность ЦАП и АЦП n = 10 бит, диапазон выходного напряжения AU = [0 + 5] = 5В). А в ПТ совместно с USB 6008 используется стандартная звуковая карта ПК (f_d= 44100 Гц, n = 16,|∆u| =1b, ∆_кв = 1/2¹⁵ = 0,03мВ). Для получения воздействующего напряжения их сигналы складываются на сумматоре потенциостата.

Для реализации виртуального полярографа необходимо:

1. Разработать алгоритм и программное обеспечение формирования и вывода воздействующего сигнала, в сочетании с вводом и обработкой в ПК выходного сигнала.

2. Провести экспериментальную проверку работы на виртуальной модели ячейки.

3. Изготовить потенциостат и провести проверку на реальных объектах.

В качестве программного обеспечения был выбран ППП LabVIEW [2]. С его помощью были написаны программы формирования и вывода сигналов в обоих режимах; программы обработки сигналов с полярографического датчика и вывода результатов на экран; программа, моделирующая полярографический датчик - электронный эквивалент; а также предприняты меры по сопряжению двух независимых устройств ввода/вывода.

В ХВАМ для повышения разрешающей способности и упрощения обработки полярограммы используется операция полудиффренцирования. Для реализации столь специфичной операции в среде LabVIEW было использовано известное выражение полудифференциала гармонической функции:

d^ll2u-cos(ox)/dt^y2 =u-4a)-cos{ax+n;l4). Таким образом, операция

полудиффренцирования преобразуется в последовательность следующих действий: прямое преобразование Фурье исходного сигнала, полудиффренцирование его спектральных составляющих и обратное преобразование Фурье, результатом которого является полудифференциал исходного сигнала.

В ПТ-режиме выходной сигнал электрохимического датчика состоит из полезного сигнала и сдвинутой относительного него по фазе помехи, для уменьшения последней в LabVIEW была реализована программа фазового детектирования.

Для проверки и отладки виртуальных средств была разработана виртуальная модель электрохимического датчика. Модель представляет собой параметрический датчик, на вход которого поступает воздействующее напряжение E(t), в результате на выходе возникает ток i_Σ(t), состоящий из полезного сигнала - фарадеевского тока i(t) и основной помехи - емкостного тока i_c(t), описываемых следующими выражениями:

где C_d(е) - нелинейная емкость двойного слоя, е_v2 - потенциал полуволны, с_оk - концентрация исследуемого вещества, остальные константы задают условия электрохимического процесса.

Для проверки работы виртуального полярографа при помощи виртуальной модели был смоделирован двухкомпонентный раствор, в результате получены полярограммы в ХВАМ- и ПТ-режимах, показанные на рисунках 3 и 4. Соответствие полученных характеристик теоретическим говорит о корректности программной части виртуального полярографа.

Рис. 3. Характеристики, полученные в ХВАМ-режиме с электронного эквивалента, моделирующего раствор KCI с растворенными в нем 10^-6 моль Сd и 2·10^-6 моль РЬ.

Рисунок 4. Характеристики, полученные в ПТ-режиме с электронного эквивалента, моделирующего раствор KCI с растворенными в нем 10^-6 моль Cd и 210^-6 моль РЬ.

Слева - сигнал непосредственно с эквивалента, справа - полученная полярограмма

Для работы виртуального полярографа с реальными объектами необходим потенциостат, электрическая схема используемого потенциостата показана на рисунке 5. Кроме основных функций он осуществляет суммирование составляющих воздействующего напряжения: начального смещения, развертывающего напряжения и переменной составляющей.

Рисунок 5. Потенциостат схема электрическая принципиальная

Для проверки работы виртуального полярографа в качестве объекта исследования был выбран аналоговый эквивалент электрохимического датчика, способный воспроизводить в реальном масштабе времени и в широких пределах основные электрические свойства реального датчика. Полученные с его помощью полярограммы показывают правильную воспроизводимость качественно-количественного состава раствора. Откуда можно сделать вывод о корректной работе виртуального полярографа в ХВАМ- и ПТ-режимах и целесообразности использования виртуальных средств в полярографии для значительного уменьшения стоимости полярографа.

• Система исследования состоит из компьютера со звуковой картой с установленным пакетом программ LabVIEW, платы USB 6008, потенциостата и электронного эквивалента электрохимической ячейки. Компьютер формирует сигнал соответствующий выбранному режиму измерения и выводит его при помощи платы USB 6008 либо совместно USB 6008 и звуковой карты. Принятые либо звуковой картой, либо USB 6008 сигналы обрабатываются и выводятся на экран при помощи пакета LabVIEW.

• В результате исследования была показана возможность создания полярографа на базе дешевой платы USB 6008 и звуковой карты. Проверка работы устройства на эквиваленте электрохимической ячейки показала возможность определения качественно-количественного состава веществ концентрациями порядка 10^-6 моль/литр. Также была создана виртуальная модель электрохимической ячейки, которую можно использовать для получения эталонных зависимостей и в учебных целях. Результаты, достигнутые при использовании данной системы.

4. Перспективы внедрения и развития решения - отрасли, названия предприятий, и т.п.

Прибор может быть использован для анализа химического состава вод в экологических исследованиях, анализа качественно-количественного состава растворов в химических исследованиях.

5. Используемое оборудование и программное обеспечение National Instruments

Используется плата ввода/вывода USB 6008 и пакет программ LabVIEW.

6. Список литературы

1 Вяселев М.Р.Теория аппаратурных методов вольтамметрии. Казань: издательство Казанского государственного технического университета, 2000.

2 Тревис Д. LabVIEW для всех. М.:ДМК Пресс, 2005.