Форум: Техническая поддержка

Здравствуйте!

Вы не могли бы подсказать, правильно ли я придумал схему для создания и измерения наноамперных токов?

Мне понадобилось собрать стимулятор для нейрофизиологических нужд.
Идея в том, что в отдельный нейрон вводится пучок из шести стеклянных микроэлектродов (капилляров с раствором электролита). Очень-очень тонких, потому что нейроны маленькие.
Один из электродов присоединён к усилителю и АЦП - с него и снимается сигнал. Этот электрод меня сейчас не интересует, главное, наводки на него не навести.

В четырёх других (форетических) электродах - растворы солей. К этим электродам прикладывается ЭДС, создающая электрофоретический ток, то есть, поток ионов, дозировано вводящихся в нейрон этим током. Иногда мне ничего в нейрон вводить не нужно. Тогда я прикладываю ЭДС противоположной полярности, чтобы электрофоретический ток противостоял диффузии.

И есть ещё последний, шестой, электрод, форетический компенсирующий. Он нужен для компенсирующего тока. Скажем, если через стимулирующие электроды вводится триллион положительных ионов в секунду, то компенсирующий электрод должен те же триллион положительных ионов выводить, чтобы не изменить заряд нейрона. Потому что нейроны очень активно реагируют на изменение заряда.

Соответственно, мне нужна возможность измерять и изменять токи всех пяти форетических электродов.
Вот примерная схема установки (для простоты, изображён всего один форетический канал)

I - форетический электрод
II - компенсирующий электрод
IV-V - система усиления и записи сигналов, подаваемых нейроном

Звучит просто, но беда в том, что эти токи очень маленькие, порядка 0-100 наноампер. При этом входное сопротивление электродов огромное и не постоянное, а электрическая активность нейрона очень слабая, и, соответственно, её измерение очень чувствительно к помехам.

Создать малые стабильные токи просто, достаточно взять батарейки на 100В и резисторы R15-R16 (с картинки выше) на 1 гигом.
А вот с измерением малых токов проблема. В стимуляторах, которые собирали полвека назад, использовался какой-то древний бакелитовый прибор, регулярно вручную подключавшийся к каждому электроду по очереди. Сейчас, конечно, хочется сделать что-нибудь более удобное. Проблема, как я уже сказал, в том, что ток очень маленький, а потенциал точки, в которой ток измеряется, меняется на двести вольт (то есть, продумывая схему, надо следить за тем, чтобы эти 200В не попали ни на какой вход ОУ).
Я подумал, что для моей задачи подойдут инструментальные усилители - у них огромное входное сопротивление, и ничем, кроме входа, они с измеряемыми цепями не контактируют.

Получилась примерно такая схема:

Сверху - два форетических канала (ещё два не нарисовал, для уменьшения размера схемы) , снизу - компенсирующий.
Точки OUT1, OUT2, OUT-C идут к электродам, точки ADC1, ADC2, ADC-C - на входы стандартного  АЦП (для начала, я думаю, Arduino с дисплейчиком, а там, возможно, на ваш Е154 перейдём). Arduino, дисплей и усилители (V+, V-, "2.5V") питаются от общего БП (наверное, сетевого, если это не будет источником помех), источник тока питается от двух 100В химических батарей.

Проверьте схему, пожалуйста!
1. Правильно ли я понимаю, что вместо гигомного резистора R26 должно быть два гигомных резистора сразу после S1 и S2? По логике должны быть, но на всех моих образцовых схемах именно так, как нарисовал я.
2. Будет ли работать такая схема наноамперметра? Насколько надёжно?
3. Не будет ли моя измерительная схема пробрасывать помехи в линии стимуляции?
4. Если поставить в обвязку ОУ (для первого канала, например, R17, R19, R20) постоянные прецизионные сопротивления, то будет ли коэффициент усиления всех ОУ одинаковым? То есть, можно ли будет считать, что одинаковое напряжение на выходе всех ОУ означает одинаковый ток?

Прошу прощения, ссылка на полноразмерную картинку со схемой не вставилась.

Переключатели на схемах нужны для переключения между током, выталкивающим ионы, и током, противостоящим диффузии.

Здравствуйте.
Например, для биолога Вы неплохо излагаете инженерную задачу  , но до обсуждения схемы электрической принципиальной (2-ой рисунок) здесь ещё далеко, поскольку электрофизические характеристики схемы измерения приведены не полностью. А без этого невозможно корректно спроектировать схему измерения (а, тем более, её проверить).
Вы совершенно верно начали с первого рисунка - "примерной схемы установки". Я предлагаю Вам на основе неё попытаться создать эквивалентную электрическую схему измерительных цепей, на которой отобразить:
1. Точку, которую мы будем считать точкой нулевого потенциала измерительной цепи.
2. Контура протекания токов всех электродов (на первой схеме электрод, подключенный к усилителю, контура тока не имеет).
3. Если какие-либо точки схемы гальванически связаны с цепью заземления или с проводящим корпусом конструкции, то это необходимо отразить на схеме. Если какие-либо изолированные цепи схемы имеют повышенную ёмкостную связь с цепями заземления, корпуса, экрана, это необходимо отразить на схеме (указав величину емкостной связи). Емкостная связь может образоваться, например, близостью электропроводных объектов большой площади - это нужно учитывать при столь высокоомных цепях, как в данной схеме измерений. Также близость проводки питания ~50 Гц может создать инжекцию переменного заряда в высокоомные цепи (на эквивалентной схеме можно показать, куда приложена эта помеха, чтобы схемотехнически её можно было бы компенсировать, тем или иным способом, или экранировать).
4. Все каналы измерения тока необходимо отобразить на схеме.
Необходимо также определить:
5. Возможный диапазон внутреннего сопротивления  объекта измерения (электрод - электрод).
6. Значения сопротивлений на схеме.
7. Собственное сопротивление электрода.
8. Возможный диапазон напряжений на электродах относительно точки нулевого потенциала.
9. Возможный диапазон напряжений "электрод - электрод".
10. Диапазон измерений токов  0-100 нА?
11. Какой динамический диапазон (разрешение) нужно достичь при измерениях токов?
12. В какой полосе частот нужно измерять ток?
13. Кроме токов, какие напряжения необходимо измерять?   
14. Требование к системе сбора данных (сколько каналов измерения, скорость сбора данных на канал).
15. Компьютер будет с аккумуляторным питанием или питаться от сети?
16. Требования к точности измерений.
17. Требования к стабильности генерации токов в схеме. (Вы описывали выше  некую процедуру достижения баланса токов, в то время как стабилизация токов через электроды в данной схеме, по сути, отсутствует).  Для меня не очевидно: баланс токов или баланс потенциалов, приложенных к объекту, нужно достигать для поддержания "рабочего режима"? - это явно требует пояснения.

Если такие данные Вы аккуратно предоставите, то на основе них можно будет понять общие требования к оборудованию (к усилителю, системе сбора данных) и с этой точки зрения взглянуть на Ваше конкретное решение (2-ой рисунок).

P.S. Быстрые ответы по этой теме не гарантирую - по мере возможности (если, конечно, Вы проблемой covid-2019 не занимаетесь  ).

Отредактировано Инженер (20.04.2020 12:28:00)

Здравствуйте! Спасибо за ответ!
Прежде всего замечу, что знакомый инженер, имеющий опыт работы с ионофорезом (и вообще, весьма опытный человек, так что, я думаю, ему виднее), узнал про мою задачу и дал несколько советов. В частности, он посоветовал не возиться с АЦП и выводом на компьютер, а обойтись независимыми стрелочными индикаторами. Также он предложил упростить схему и пускать компенсирующий ток пассивно, используя первый закон Кирхгофа.
В результате, схема приняла вот такой вид:

Теперь касательно вопросов:
С учётом приведённой выше схемы (состоящий, в основном, из элементов, близких к элементам эквивалентной схемы), я не стал рисовать эквивалентную схему, а ответил на вопросы устно:

2. Контуры постоянного форетического тока замыкаются через компенсирующую линию. Контур усилителя замыкается через линию земли (электрод, воткнутый куда-то в мозг) - это не отображено на схеме, так как она сфокусирована на форетической части установки.
3. Схема связана с линией заземления через точку GND. Емкостных связей, по идее, быть не должно. На практике, конечно, что-то такое будет, но где - не известно.
4. Отобразил.
5. Внутреннее сопротивление объекта пренебрежимо мало (десятки кОм).
6. Все сопротивления на схеме обозначил.
7. Сопротивление электрода порядка 1 МОм.
8. Как я уже сказал, сопротивление объекта пренебрежимо по сравнению с сопротивлением схемы, так что напряжение на объекте стремиться к нулю.
9. Видимо, на входах в электроды будет порядка единиц вольт. Это не принципиально.
10. Да, токи где-то до 100 нА в каждом направлении.
11. думаю, точности порядка 1 нА более чем достаточно - в любом случае, утечки на основании электрода будут больше.
12. Полоса частот - достаточно 1 Гц.
13. Вроде, напряжение измерять не требуется.
14. Если говорить об измерении форетических токов, то каналов 5, а скорость сбора данных пренебрежимо мала (единицы выборок в секунду).
15. Не принципиально.
16. думаю, точности порядка 1 нА более чем достаточно - в любом случае, утечки на основании электрода будут больше.
17. Нужен баланс токов. Но, учитывая пренебрежимо малое сопротивление объекта и соотношение сопротивлений балластного резистора (1 ГОм) и резистора делителя напряжения (десятки кОм) это эквивалентно балансу потенциалов.

В таком случае, я, пожалуй, не буду комментировать конкретное схемотехническое решение, предложенное Вашим знакомым инженером, а предложу своё на случай, если Вы захотите использовать систему сбора данных для ввода в ПК.
Вы можете рассмотреть для этой измерительной системы крейт LTR-CEU-1-4 c модулем-носителем LTR27 в составе c тремя субмодулями H-27T для получения 6-канальной системы сбора данных с поканальной гальванической изоляцией, с синхронным параллельным вводом информации по всем каналам. Входы с входным сопротивлением 10 МОм имеют диапазон измерения -25...+75 мВ. Если в Вашей схеме все резисторы-шунты 1 МОм заменить на 800 кОм, то параллельно подключенные к ним входы измерителей 10 МОм (см. замечание https://www.lcard.ru/forums/viewtopic.p … 533#p64533 ) обеспечат диапазон измерения тока  -33...+100 нA. Разрешение этого измерителя (эффективная разрядность) будет порядка 13 бит при частоте сбора данных 5 Гц с каждого канала - это значительно больше, чем у любого стрелочного измерителя. Бесплатное ПО-самописец LGraph2 прилагается. Под LGraph2 пользователь может писать плагины для совместной обработки данных со всех 6-ти каналов.

Отредактировано Инженер (22.04.2020 12:41:50)

Ага, спасибо, если всё-таки будем подключать измеритель к компьютеру- воспользуемся советом. Единственное что, нижний диапазон "-33 нА" маловат, хорошо бы иметь 100нА в обе стороны.

С технической точки зрения, возможно доработать  H-27T под заказ для получения симметричного диапазона -50...+50 мВ. Соответственно, для получения диапазона измерения тока -100...+100 нА понадобится  уменьшить сопротивления шунтов в Вашей схеме примерно до 520 кОм. Возможность такого заказа и др. оргвопросы согласовывайте с нашим отделом продаж, естественно.
Единственное ограничение - это то, что модуль LTR27 с H-27T с такой доработкой нельзя будет поверить. Но он будет иметь паспорт и заводскую калибровку.

По поводу входного сопротивления  H-27T - в метрологических данных оно более 10 МОм. Понятно, что для использования H-27T с высокоомными шунтами для реализации наноамперметров  необходимо более определённое нормированное  значение входного сопротивления. Доработка  H-27T в этом направлении тоже возможна (в сочетанием с симметричным входным диапазоном  -50...+50 мВ).