Г. Юинг - Инструментальные методы химического анализа (1115206), страница 104
Текст из файла (страница 104)
Примеры такого преобразования ток — напряжение показаны на рис. 3-20 и 3-21 в сочетании с фотоумножителями и фотоэлементами. Фотоэлементы Существует несколько типов полупроводниковых фотопреобразователей. Наиболее часто для оптических измерений используется кремниевый фотодиод типа р — г — п.
Он представляет собой тонкую пластинку кремния с собственной ггроводимостью (т. е, состоящую из чистого нелегированного элемента) и с двумя сильно легированными зонамп р-типа на поверхности, куда падает излучение, и и-типа сзади. В качестве соответствующих добавок применяют бор и фосфор. Структура р — г — и предпочтительней простой рп-структуры, так как она позволяет приложить более высокое напряжение смещения без пробоя, а это обусловливает широкий динамический диапазон.
Работа фотоячейки этого типа может быть описана семейством характеристических кривых (рис, 27-18). В области справа от начала координат (первый квадрант) ячейка действует как фотопроводящий прибор. В этой области фототок является линейной функцией освещенности. Второй квадрант соответствует работе в качестве фотогальванического прибора, т. е, ячейка действует как генератор элсктроэнергпи, и выход уже не линееп. Прямые линии 1, 2 и 3 соответствуют трем возможным режимам работы; 1) без смещения приложенного напряжения и с сопротивлением измерительной цепи, близким по величине к нулю, что приводит к хорошей линейности и нулевому темновому току; 2) с отрицательным смещением и высоким сопротивлением нагрузки, дающим повышенную скорость отклика, н 3) с нулевым смещением и высоким сопротивлением нагрузки, дающим отклик, пропорциональный логарифму освещенности.
Элскгронныс схемы в апапипгисских приборах 667 500 «с «ахг 11 зо зоо эго Ы,О «0,5 Π— 5 -10 — 15 Нппряягепио епгеигеиия, В Рпс. 27-)8. Вольтам|горные характеристики кремниевого фотодиода, нагрузоиныс аннин б 2 и 3 обсуждаются в текстс (с!пг(еб г)е(ес(зг Тес)гпогояу).
Селсновьге я гейки, иногда называемые ячейка ип с запираюгг(гг.н слоем, ограничены фотогальваническим режимом. Они впервые были широко использованы в фотометрах пропускания и флуориметрах, но в более современных приборах были заменены кремниевыми фотодиодами Селеновые ячейки имеют более высокие температурные коэффициенты и подвержены «усталости», т.
е. потере чувствительности при длительном нахождении на свету. Фотопроводящие ячейки, не проявляющие фотогальванических свойств, изготавливают из сульфидов или селенидов свинца илн кадмия. СбБ- и Сс(80-ячейки находят широкое и разнообразное применение для контроля и измерений, не требующих большой чувствительности кремниевых фотодиодов. РЫ-ячейки применяются в качестве детекторов преимущественно в ближнем ИК-диапазоне и широко используются в спектрофотометрах для этой области. Известен ряд комбинированных полупроводниковых приборов, таких, как фотогранзпсгоры или фото-!ТТ, в которых управляющая функция транзистора задается излучением.
Их характеристики подобны характеристикам фотодиодов с большей чувствительностью благодаря повышенному коэффициенту усиления. Одним из недавних достижений в этой области является изготовление линейного ряда из большого числа фотодиодов, расположенных близко друг к другу на единой подложке, что позволяет одновременно измерять интенсивность излучения ' Тзк нз гывзсмая днодная матрнна (снобе аггзу), особенно пг1гроко используемая как детектор в современных хромагографах,— )7ргигг.
перси, ббз Глава 27 ВСП С65 бе С65е 5~ РЬ5 ,Е 80 е ЧЧ бо à — — ' 7767 П-Лгп/' о 0500 0,400 05 ° Об 0,7 08 001,0 1,8 20 2,5 30 Длина полны, мкм Рпс, 27-19. Спсктралыив чувствительность фотоэлементов раэлнчпых типов. Сбз-, Сбзе- и РЮ-элементы явлнются фотопронодпиками, Вс- н Я-элементы фо> игал ь в а юя ее к ис, в последовательных точках $)охальной плоскости спектрометра.
Бго можно использовать для имитации быстрого сканирования спектра или в сочетании с многоканальным анализатором для интегрирования спектра в течение какого-либо периода времени. На рис. 27-19 представлена спектральная чувствительность нескочьких фоточувствительных приборов. Вакуумные фотоэлементы и фотоумножители описаны в гл. 3. Схемы составных усилителей Схема полярографа иа рпс. 16-10 представляет пример сложного прибора, который можно легко собрать из стандартных ОУ, Более подробно мы рассмотрим другой электрохимический прибор — кулопометр с контролируемым потенциалом, показанный на рис. 27-20.
В этом случае измеряются три электрохимнгеские велпчпны потенциал рабочего (РАБ) электрода относ1псльпо электрода сравнения (СРВ); ток, протекающий между рабочим и вспомогательным (ВСП) электродами, и число кулонов (количество электриг>ества), необходимое для протекания химического процесса. Все эти величины можно контролировать или измерять с помощью изобра>кенной схемы.
Отметим вначале, что рабочий электрод непосредственно соединен с точкой виртуального заземления — суммирующим входом усилителя 2. Следовательно, для поддержания необходимого потенциала между рабочим электродом и электродом сравнения электрод сравнения должен находиться под напря- Элскгроппьге схсчы в аналитических приборах 569 Рпс.
27-20. Схема установки па ОУ пля кулонол>етрии прп контролируемом потенциале. Потенциал электрола сравнения, рабочий ток и количество электричества контролируются одновременно. жением, отличающимся от потенциала Земли. Это достигается с помощью усилителя 1, который заставляет электрод принимать потенциал Е„„, установленный вручную. Его значение можно считать с панели вольтметра К Усилитель 1 подает на вспомогательный электрод ток, который необходим для поддержания электрохимической реакции на рабочем электроде. Ток, протекающий через рабочий электрод, должен последовательно проходить через сопротивления 171 и )т>5, где он заряжает интегрирующий конденсатор С в цепи обратной связи усилителя 3.
Выход ЕО этого усилителя пропорционален таким образом временнбму интегралу тока и, следовательно, количеству электричества, прошедшего через раствор Повторитель напряжения, ус~лягель 7, обеспечивает измерение электродного тока. Генераторы сииусоидальиых импульсох Иногда в лабораторном приборе необходим источник перемен- ного тока как дополнение к постоянному (лкнейная частота). Для его получения удобнее всего использовать электронный 570 Глава 27 а Частота б 1 2н Ч/1.С (27-11) сг„„1 1 2н77С Сервомехан измы (27-12) юл генератор. В принципе любой усизоо е кав литель можно превратить в генеракоа тор, обеспечив продолжительную обратную связь с соответствующей — 1.- частотной характеристикой.
(Это означает возврат части переменного тока с выхода на вход через частотно-селективную цепь с таким фазовым соотношением, что сигнал нужной частоты усиливается, в то рнс. 27-21. Схема генератора время как другие ослабляются.) Хартии. На рис. 27-21 изображена схема генератора Хартли, являющаяся одной из многих схем, удовлетворяющих этим условиям. Обратная связь выхода и входа осуществляется через взаимную индуктивность катушки Д.
Частота генерации в герцах определяется уравнением где Ь выражено в генри, а С вЂ” в фарадах. Частоту можно легко менять, заменяя конденсатор. Другой путь установки чаза стоты заключается в использовании )сС-цепочки, такой, ак й, как аграждающий фильтр (рис. 27-22,а). Этот фильтр пропускает всс частоты, кроме одной )„выражаемой формулой Г рафик импеданса как функции частоты имеет очень четкий пик (рис. 27-22, б), резкость которого зависит от того, насколько точно подобраны конденсатор и сопротивление. Если эту цепочку поместить в контур обратной связи ОУ (рис.
27-22, в), коэффициент усиления схемы (Сг=л,,,/д,„) будет низким для всех частот, кроме 1в. На неэкранированный суммирующий вход будет поступать достаточно шумов различной частоты (вход показан на рисунке штрихами). Это определяет начало генерации с частотой, задаваемой фильтром. Для поддержания генерации неинвертирующий вход включают в неглубокую неселективную положительную обратную связь через конденсатор С,, Такой генератор удобно использовать прп фиксированной частоте, но его трудно сделать перестраиваемым. Весьма точный (прецизионный) генератор фиксированной частоты лучше всего изготавливать на основе кварцевого кристалла, из которого вырезают небольшую пластинку и прикреп- Электроивые схемы в аналитических приборах 571 ляют к ней с противоположных сторон металлические электроды. Если через эти электроды подвести к пластинке элект роэнергию, то она будет колебаться с характеристической частотой.
Температурный коэффициент расширения кристаллического кварца очень невысок, поэтому частота генератора изготовленного из надлежащим образом вырезанной пластинки, почти не зависит от температуры. Диапазон частот таких генераторов от 10 кГц до 50 МГц. Кварцевые генераторы обычно изготавливают с одним транзистором (рис. 27- 23). ОУ используются редко из-за ограниченных возможностей в области высоких частот, Сервосистема прибора — б в своей обычной фоРме рис.
27-22. а — заграждаюши Фильтр состоит из небольшого с характеристической застотой 7з= электродвигателя (посто- =!/(2л1гС) Гп; б — импедаис фильтра как янного тока или двухфаз- Функиия частоты; в — генератор иа Оу ного переменного тОка), с обратиой связью через заграждаюпгий фильтр. скорость и направление вращения которого контролируются усплнтелем Система снабжена некоторым типом обратной связи, так что при вращении электродвигателя возникает напряжение, которое автоматически сравнивается со стандартным, Разница, называемая сигналом оизибки, усиливается по мощности усилителем и передается на электродвигатель с тем, чтобы уменьшить ошибку до нуля. Прибор нуждается в сервосистеме, если кахой-либо механический эффект должен быть пропорционален переменному сигналу.
В качестве примера ее использования можно привести 372 Глава 27 Рис. 27-23. Схема кварцевого генератора. Сопротивления й~ и лз устаиав- лииают точное смещение транзистора. Коидеасаторы С, и Сз определяют от- пощеипе обратной связи. Полученный переменный ток изолировав от источ- пака ппзаиия малой иидуктивиостыо [«дросселем»). регистрирующий спектрофотометр, в котором сервосистема контролирует ширину щели.
Луч света, проходящий через кювету с раствором сравнения, служит сигналом, поддерживающим постоянство передаваемой энергии во время сканирования спектра. Сервосистема применяется также в самобалансирующемся самописце, описанном в следующем разделе. Самописцы [2) Большинство электронных самописцев, используемых в лабораторных приборах, работают по нулевому сервопринципу (рнс. 27-24). Потенциал, который нужно зарегистрировать, Е„, включен последовательно (встречно) напряжению Е„; Е„снимают с переменного сопротивления, называемого балансируюи[им гготенг[иометролг (реохордом).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
