CC BY
9
A. C. Тисличенко, В. Н. Михайлин: ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕДНОХЛОРСЕРЕБРЯНОГО ЭЛЕКТРОДА
рольоват сигнали, достатш для однозначного визна-чення дшсних значень ycix електричних параметр1в ЕРЕ, що дiагноcтyютьcя, перевiрити Mipy дiагноcтова-ноcтi розрахунком рангу тестово! матрищ, врахувати похибку вимipювальниx пpиладiв при ^ентифжаци паpаметpiв cxеми, розрахувати мШмально можливе значення кpитеpiю оптимiзацii'.
Розроблена методика автоматизованого дiагноcтy-вання паpаметpiв ЕРЕ на етапах виробництва й ек^ плуатаци ППС дозволяе шляхом математичного моде-лювання визначити фактичт значення паpаметpiв еле-ментiв i lxm режими роботи, на оcновi cтимyльованиx cигналiв i вимipяниx вихщних xаpактеpиcтик, якi ви-бpанi на етат забезпечення його дiагноcтованоcтi. Гранично допycтимi значення паpаметpiв елеменив ППС pозpаxовyютьcя на етапi виробництва через техноло-гiчнi допycки й номшальш значення паpаметpiв, на етат екcплyатацii при розрахунку додатково врахо-вyютьcя умови еишлуатацп.
Екcпеpиментально пеpевipено пpавильнicть запропо-нованих методу, алгоритму й програмних заcобiв з оцш-кою точноcтi запропоновано! моделi.
ВИСНОВКИ
На оcновi проведеного аналiзy процеав проектуван-ня, виробництва й еюшлуатацп ППС розвинуто шфор-мацiйнy технолопю дiагноcтyвання ППС на етапах виробництва та екcплyатацil. В рамках запропоновано! технологи розвинуто метод автоматизованого проекту-вання ППС iз забезпеченням i'x дiагноcтованоcтi, за^ нований на детальному аналiзi електричних пpоцеciв, що протжають у cxемi з урахуванням !'х оcобливоcтей, який оpieнтований на здшстення дiагноcтyвання як на етат виробництва, так i на етат еишлуатацп ППС за рахунок розробленого математичного й програмного забезпечення. Запропоновано дiагноcтичнy модель
УДК 543.257.2(088.8)
A. C. Тисличенко,
ППС, яка вiдpiзняeтьcя cвоi'м кладом i cтyпенем ура-хування впливу зовнiшнix чинникiв (чаc i умови екст-луатацп, похибки вимipювальниx пpиладiв). Розробле-но методику до^дження й забезпечення дiагноcтова-ноcтi ППС на етапах проектування, виробництва та еюшлуатацп. Методика вiдpiзняeтьcя вибором стимуль-ованих i контрольованих cигналiв, iнфоpмативниx контрольних точок вимipювань у статичному режиму чаcтотнiй i чатвш облаcтяx.
ПЕРЕЛ1К ПОСИЛАНЬ
1. OrCAD Pspice. User's Guide. - Oregon: Cadence PCB System Division, 2002. - 236 p.
2. Nikolay Kasyan. Method of the automated analysis and supports of the electrical characteristics of devices of functional conversion with a support diagnosing. Proceedings of the Vl-th International Conference CADSM 2001, 12-17 February 2001, Lviv-Slavsko, Ukraine, p. 121-122.
Надшшла 14.03.05 Июля доробки 10.09.05
Предлагается информационая технология диагностирования аналоговых устройств преобразования сигналов, предназначенная для получения более высоких показателей эффективности изделий путем проведения диагностического контроля их состояния, выявления и устранения потенциально ненадежных элементов на этапах производства и эксплуатации. Для ее реализации разработаны метод обеспечения диагностируемости, математическую модель и методику диагностирования параметров электрорадиоэлементов на этапах производства и эксплуатации.
The method of maintenance of diagnosing of analog devices of transformation of the signals, intended for reception of higher parameters of efficiency of products by realization of diagnostic check of their condition, revealing and elimination of potentially unreliable elements at production phases and is offered to operation. The mathematical base of a method provides compactness of program realization at realization of automation of researches with the help of the COMPUTER.
В. H. Михайлин
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕДНОХЛОРСЕРЕБРЯНОГО ЭЛЕКТРОДА
Проведен сравнительный анализ точности и воспроизводимости результатов измерений при использовании хлор-серебряного и разработанного нами меднохлорсеребряного электродов.
© Тиcличенко А. C., Михайлин В. Н., 2005
ВВЕДЕНИЕ
Одними из остовных требований, предъявляемых к ионоcелективным электродам (ИСЭ), являются линейность электродной характеристики в заданном диа-
РАДЮЕЛЕКТРОН1КА ТА ТЕЛЕКОМУН1КАЦ11
пазоне активностей определяемого иона, а также высокая точность (показатель близости полученного результата к истинному значению) и воспроизводимость (показатель близости друг к другу результатов нескольких измерений в одном растворе) результатов измерений. Последние два параметра особенно важны в медицинской диагностике, проводимой с использованием ИСЭ. Идея ее состоит в том, что ряд заболеваний можно определить на ранних стадиях по изменению активности тех или иных ионов в крови человека, слюне, желудочном соке и т. д. Одним из недостатков такой диагностики является необходимость очень точного определения активности ионов, т. к. в большинстве случаев она изменяется незначительно. Поэтому важной задачей является учет и, по возможности, исключение факторов, которые могут привести к ошибкам в измерениях, а также использование ИСЭ, мало подверженных внешним мешающим воздействиям.
Одним из критических мест в конструкциях всех ИСЭ, используемых на сегодняшний день, является спай в месте контакта внутреннего вспомогательного электрода и медного проводника. Возникающий в месте этого спая гальвани-потенциал при измерениях, проводимых при постоянной температуре, также остается постоянным [1] и не влияет на точность измерений. Но при изготовлении нескольких электродов нельзя ожидать у них одинаковой величины этого потенциала, т. к. очень сложно обеспечить абсолютно одинаковые условия пайки. Поэтому наличие такого паяного соединения увеличивает разброс параметров для разных электродов.
С целью уменьшения этого разброса параметров, уменьшения погрешности, вызываемой изменением температуры в процессе измерений, а также для снижения расхода серебра при изготовлении ИСЭ, нами было предложено использовать в качестве внутреннего вспомогательного электрода медную проволоку, на часть которой электрохимическим путем нанесен слой серебра и хлоридсеребряная пленка [2]. Предполагается, что при электрохимическом осаждении серебра на медную основу легче обеспечить постоянство режимов осаждения, контролировать площадь контактирующих поверхностей и качество контакта, чем это возможно при пайке. Кроме того, согласно [1], при изменении температуры на 1 °С гальвани-потенциал на границе раздела фаз медь/серебро изменится на величину 10 4 мВ, тогда как в месте контакта меди с паяльным оловом - на 10-3 мВ.
На первом этапе исследований конструкция предложенного нами меднохлорсеребряного электрода предполагает, как и в обычном хлорсеребряном электроде, наличие паяного соединения, но уже между медной основой электрода и медным проводником.
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для исследования возможности и целесообразности использования такого электрода вместо хлорсеребря-ного необходимо провести ряд измерений при помощи обоих электродов, после чего сравнить точность и воспроизводимость полученных результатов. При этом не ставилась задача определить максимально возможные точность и воспроизводимость, а только сравнить результаты, полученные в идентичных условиях, с учетом возможного влияния мешающих факторов.
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Меднохлорсеребряный электрод был изготовлен способом, аналогичным изложенному в [2]. Использовалась медная проволочка диаметром 394 мкм. Серебрение проводилось в течение 15 часов при постепенном уменьшении тока от 390 мкА до 160 мкА. Измерения показали, что толщина осажденного слоя серебра составила 64±2 мкм.
Создание пленки хлорида серебра проводилось в де-цимолярном растворе соляной кислоты в течение 3 минут. Напряжение источника питания составило 2 В, полярность менялась через каждые 15 с. В результате была получена сплошная пленка светло-серого цвета.
Изготовленный таким образом электрод II рода был припаян к медному проводнику. Часть медной проволоки, на которую не проводилось осаждение серебра, была помещена внутрь пластиковой трубки и изолирована для исключения контакта меди со внутренним раствором ИСЭ. Далее электрод был помещен в корпус калийселективного электрода ЭМ-К-01, куда был залит внутренний раствор хлорида калия с концентрацией 10-1 моль/л. В качестве эталонного использовался заводской хлорсеребряный электрод той же модели с тем же внутренним раствором. Перед началом измерений оба электрода в течение суток выдерживались в растворе KCl с концентрацией 10 3 моль/л, в этом же растворе они хранились между сериями измерений. В качестве измерительного прибора использовался иономер ЭВ-74, ко входам которого присоединялись измерительный электрод и электрод сравнения ЭВЛ-1М3. Цена деления шкалы прибора составляет 5 мВ, но, имея навык работы с данной моделью иономе-ра, можно считывать результат с точностью до 0,5 мВ. Измерения проводились в 5 тестовых растворах хлорида калия с концентрациями 10-1...10-5 моль/л, в которые электроды погружались в порядке увеличения концентрации раствора.
Эксперимент проводился следующим образом. Электроды погружались в 15 мл раствора, после чего ионо-мер переключался в режим измерения ЭДС. Считывание показаний прибора проводилось 1 раз в минуту .до
34
ISSN 1607-3274 «Радюелектронжа. 1нформатика. Управлшня» № 2, 2005
А. С. Тисличенко, В. Н. Михайлин: ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕДНОХЛОРСЕРЕБРЯНОГО ЭЛЕКТРОДА
Таблица 1 - Результаты измерений
К С, моль/л
а о Т, °С Хлорсеребряный электрод Меднохлорсеребряный электрод
% 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1
1 19 -87,5 -80,5 -28,0 22,0 69,5 -102,0 -79,0 -30,5 16,5 61,0
2 21 -100,0 -83,0 -32,0 19,0 67,0 -90,0 -79,5 -30,0 18,0 62,5
3 21 -78,5 -84,0 -32,5 17,0 67,0 -91,0 -79,5 -32,0 15,5 63,0
тех пор, пока два последовательных считывания не давали одного и того же значения ЭДС. После этого электроды вынимались из раствора, промывались дистиллированной водой и осушались фильтровальной бумагой. После проведения измерений во всех пяти растворах заменялся измерительный электрод, и процедура повторялась. Всего было проведено три таких серии измерений, по одной серии в день. Полученные значения ЭДС в милливольтах приведены в таблице 1.
3 ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Используя значения коэффициента активности, приведенные в [3], были рассчитаны значения активностей а и величины рК, соответствующие концентрациям тестовых растворов. Найденные значения приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Концентрации, активности ионов калия и значения рК в тестовых растворах
По полученным данным для обоих электродов для каждой серии измерений с помощью метода линейной регрессии были расчитаны коэффициенты уравнения:
Е = Е0 - 5 • рК, (1)
где Е - измеренная ЭДС электродной системы, мВ; Е0 - стандартный потенциал данной электродной системы, мВ; 5 - угол наклона электродной характеристики, мВ/рИон.
А также определены абсолютные отклонения (АЕ) измеренных значений ЭДС от расчитаных с помощью данной зависимости. При расчете не использовались результаты измерений в растворе с концентрацией 10 моль/л, т. к. эта концентрация не попадает в диапазон линейности электродной характеристики
электрода ЭМ-К-01. Результаты расчетов представлены в таблице 3.
Для определения точности и воспроизводимости результатов измерений была проведена статистическая обработка экспериментальных данных. Используя рассчитанные значения коэффициентов уравнения (1), по измеренным значениям ЭДС были найдены соответствующие им значения активностей ионов калия в растворах. Затем для каждого раствора по трем измерениям было найдено среднее значение активности и доверительный интервал Аа. Также средние значения и доверительные интервалы были найдены для стандартных потенциалов и углов наклона электродной характеристики. При вычислении доверительных интервалов была принята достоверность 95 %. Результаты расчетов приведены в таблице 4.
Результаты показывают, что:
а) как следует из сравнения средних значений активностей с их действительными значениями, точность измерений, проводимых с использованием обоих электродов, примерно одинакова;
б) воспроизводимость результатов, характеризующаяся доверительным интервалом, у меднохлор-сереб-ряного электрода несколько хуже, чем у хлорсереб-ряного. Частично это можно объяснить меньшим значением угла наклона электродной характеристики мед-нохлорсеребряного электрода, что определяется состоянием мембраны;
в) величина Е0 у обоих электродов значительно сильнее изменилась после первой серии измерений, чем после второй. Очевидно, это связано с изменением температуры на 2 °С;
г) максимальное значение доверительного интервала для активности раствора (в процентах от среднего значения активности) составляет ~10,9 % для хлор-серебряного электрода и ~13,1 % - для меднохлор-серебряного, что, согласно [3], является типичным для измерений, проводимых в обычных условиях (т. е. без стабилизации температуры, размешивания растворов, использования цифрового иономера и др.).
Дополнительными преимуществами предложенного нами меднохлорсеребряного электрода II рода являются:
- упрощение технологии изготовления электрода, в частности, использование электрохимического метода
С, моль/л а, моль/л рК
10-1 7,710810-2 1,1129
10-2 9,0074 10-3 2,0454
10-3 9,6494-10-4 3,0155
10-4 9,8855-Ю-5 4,0050
10-5 1,010-5 5,0
РАДЮЕЛЕКТРОН1КА ТА ТЕЛЕКОМУН1КАЦ11
получения хлорсеребряного покрытия вместо погруже- - снижение себестоимости электрода за счет умень-
ния серебряной основы в расплав хлорида серебра [4]; шения расхода серебра по сравнению с методом, описанным в [4], по крайней мере, в 40 раз.
Таблица 3 - Рассчитанные коэффициенты уравнения (1) и отклонения измеренных значений ЭДС от рассчитанных
№ серии рк Хлорсеребряный электрод Меднохлорсеребряный электрод
Ео, мВ мВ/рК АЕ, мВ Е0, мВ мВ/рК АЕ, мВ
1 1,1129 127,6643 51,8389 -0,4729 115,2033 48,4156 -0,3215
2,0454 0,3669 0,3261
3,0155 0,6557 0,2941
4,0050 -0,5497 -0,2986
2 1,1129 124,9140 51,9370 -0,1133 117,8078 49,1444 -0,6150
2,0454 0,3179 0,7122
3,0155 -0,2981 0,3872
4,0050 0,0936 -0,4844
3 1,1129 124,4202 52,0868 0,5472 117,0316 49,2324 0,7591
2,0454 -0,8819 -0,8317
3,0155 0,1475 -0,5714
4,0050 0,1873 0,6440
Таблица 4 - Результаты статистической обработки данных
а, моль/л Электрод
Хлорсеребряный Меднохлорсеребряный
аср , моль/л 7,710810-2 7,7074-Ю-2 7,691710-2
А а, моль/л 6,2207 10-3 9,2297 10-3
Аа, % 8,0711 11,9996
аср ,моль/л 9,0074 10-3 8,9845-Ю-3 9,041710-3
Аа, моль/л 9,7833-Ю-4 1,185110-3
Аа, % 10,8890 13,1070
а, моль/л 9,6494-10-4 9,7233-10-4 9,6688-10-4
а, моль/л 7,2375-10-5 8,3565-10-5
а, % 7,4435 8,6428
а , моль/л 9,8855-10-5 9,847110-5 9,8659-10-5
а , моль/л 6,1257 10-6 9,8952-10-6
а, % 6,2208 10,0297
5,мВ/рК - 51,9542 48,9308
А5, мВ/рК 0,4383 1,5740
А 5, % 0,8437 3,2168
Е0, мВ - 125,6662 116,3476
АЕ0, мВ 6,1371 4,6720
АE0, % 4,8836 4,0156
36
1607-3274 «Радюелектронжа. 1нформатика. Управлшня» № 2, 2005
Е. Я. Швец, Е. Н. Киселев: РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ДАТЧИКОВ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЙ
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали принципиальную возможность и целесообразность замены хлор-серебряного электрода более дешевым меднохлорсе-ребряным. В дальнейшем планируется усовершенствовать технологию электролитического осаждения серебряного и хлорсеребряного покрытий, а также устранить паяное соединение электрода с медным проводником.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Камман К, Работа с ионоселективными электродами. -М.: Мир, 1980. - 428 с.
2. Декларацшний патент № 5864 (УкраТна). Cnoci6 ви-готовлення xлoрcрiбнoгo шдикаторного електрода /
6. Я. Швець, В. М. Михайлш, О. C. "По^ченко. - 2005. -Бюл. №3.-2 с.
3. A beginners guide to ion-selective electrode measurements [Электронный ресурс] / Rundle C. C. - Электрон. дан. - London, 2000. - Режим доступа: http://www. nico2000.net/Book/guide1. htm. - Загл. с экрана.
4. А. с. № 291141 (CCCP). Способ приготовления хлорсеребряного индикаторного электрода / В. И. Петренко, В. П. Храпай, Н. C. Баландина. - 1971. - Бюл. № 3. -2 с.
Надшшла 20.04.05 Шсля доробки 8.10.05
Проведено пор1вняльний анал1з monnocmi та eidmeo-pweanocmi резyльmаmiв euMipie при euKopucmaHHi хлор-cpi6iozo ma poзpoбленoгo нами мiднoхлopcpiбнoгo елекm-poдiв.
A comparative analysis of accuracy and reproducibility of measurements' results for using an Silver/Silver Cloride electrode and new Copper / Silver / Silver Chloride one, which had been designed by us, is carried out.
УДК 621,3,049,77
E. Я. Швец, E. Н. Киселев
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ДАТЧИКОВ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЙ
Предложены новая методика разработки и исследования интегрированных адаптивных датчиков на основе комбинированных твердотельных структур, к которым относится биполярный транзистор с полевым управлением (БТПУ). Исследования характеристик БТПУ показали их способность к адаптивному изменению электрических параметров. На базе предложенной методики разработаны и исследованы конструкции датчиков мощности излучений.
варительные исследования которого [1] показали возможность его использования в качестве основы для интеллектуальных сенсоров. Таким образом, представляет интерес дальнейшее исследование характеристик БТПУ, ДМИ на его основе и разработка методов и средств автоматического регулирования чувствительности.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие методов измерительной техники обуславливает необходимость в создании новых датчиков мощности излучений (ДМИ). При этом, основные усилия изготовителей направлены на снижение инерционности, повышение чувствительности, увеличение динамического диапазона при сохранении высокого коэффициента поглощения. С этой точки зрения перспективным является обеспечение адаптивной настройки чувствительности пироэлектрических приемников.
Создание ДМИ, реализующих функции адаптивной настройки делает актуальными изучение возможности интеграции пироэлектрических преобразователей с твердотельными полупроводниковыми приборными структурами, к которым относится биполярный транзистор с полевым управлением (БТПУ), пред© Швец Е. Я., Киселев Е. Н., 2005
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Схемные решения предварительной обработки в современных ДМИ реализуются путем интеграции отдельных функциональных элементов в микроэлектронные конструкции сенсоров. Поэтому предпочтительным представляется схема обработки, которая обладала бы следующими характеристиками [2]:
- высоким входным сопротивлением, с возможностью адаптивного изменения в процессе функционирования ДМИ, для лучшего согласования выходного сопротивления пироэлектрического сенсора с входным сопротивлением схемы обработки и обеспечения высокого уровня чувствительности по напряжению;
- высоким коэффициентом усиления для получения высокого уровня выходного сигнала ДМИ;
