56. Электрокинетические преобразователи.

Электрокинетические явления

На границе твердого тела и электролита происходит скачок потенциала. Заряженный слой жидкости имеет диффузное строение, при котором плотность зарядов быстро убывает с их удалением от поверхности твердого тела. Скачок потенциала в диффузном слое жидкости называется электрокинетическим потенциалом. В случае, если твердое тело является диэлектриком, образование электрокинетического потенциала обусловлено неодинаковой адсорбцией ионов обоих знаков.

Если на концах капилляра или пористой перегородки поместить электроды и создать электрическое поле, то возникает движение жидкости в капилляре. Это явление называется электроосмосом. Скорость течения жидкости в результате электроосмоса определяется выражением:

(9.11)

где E - напряженность электрического поля в капилляре, В/м; S - сечение капилляра (сумма сечений пор), м²; - диалектрическая постоянная жидкости, Ф/м; - динамическая вязкость жидкости, Па·с; - электрокинетический потенциал, B;Q - расход жидкости, м³/с.

Если твердая фаза образована частицами, взвешенными в жидкости, то эти частицы, получив тот или иной заряд, движутся от одного электрода к другому в неподвижной жидкости. Такое движение частиц называется электрофорезом или катофорезом.

Явление электроосмоса обратимо. При принудительном протекании жидкости через капилляр или пористую перегородку между электродами возникает разность потенциалов - так называемый потенциал течения:

(9.12)

где P - гидростатическое давление (перепад давления), Па;

 - удельная проводимость жидкости, См/м.

Конструкция электрокинетических преобразователей. Электрокинетические преобразователи (ЭКП) основаны на использовании разности потенциалов, возникающих при протекании полярной жидкости через пористую перегородку или при деформации границы раздела двух жидкостей, различающихся физическими свойствами. На рис. 9.11, а показан ЭКП давления, состоящий из изоляционной пористой перегородки 1 с диаметром пор 10-100 мкм, по бокам которой расположены сетчатые электроды 2. Корпус преобразователя, закрытый по бокам мембранами 3, заполняется полярной жидкостью (вода, спирт, ацетон и др.). ЭКП такого типа отличаются широким диапазоном измерения (0,1 Па - 1 МПа). Чувствительность к ускорениям составляет 1 мВ/(м/с²).

Рис. 9.11. Конструкция ЭКП

На рис. 9.11, б изображен капиллярный ЭКП для измерений параметров вибраций. Он состоит из стеклянного капилляра 1, заполненного электролитом 2 и ртутью 3, с которыми контактируют выводы 4. На концах капилляра имеются воздушные пузырьки 5, являющиеся упругими элементами преобразователя. При вибрации, направленной вдоль оси капилляра, возникает возвратно-поступательное движение ртути и электролита, приводящее к деформации границы раздела между ними, поскольку плотности и коэффициенты кинематической вязкости ртути и электролита отличаются на порядок. Возникающая при этом периодическая конвективная диффузия ионов на границе раздела приводит к появлению переменных токов через преобразователь. Частотный диапазон преобразователя в режиме акселерометра 0,1 - 10540 Гц, диапазон измерений 10^-5 - 10 м/с², чувствительность 0,1 - 1 мВ/(м/с²).

На рис. 9.11, в показан частотный ЭКП для измерений медленно меняющихся механических величин (перемещения, давления, силы). Капилляр 1, в котором находятся два столбика электролита 2, разделенные каплей ртути 3, и два воздушных пузырька 4, представляет собой резонатор, один конец которого герметически закрыт, а на другом установлена мембрана 5. Резонатор с помощью электродов 6, 7 и 8 подключен к усилителю 9. При подаче напряжения на электроды 6 и 7 происходит деформация границ раздела ртуть - электролит, что приводит к возвратно-поступательному движению ртути и электролита и самовозбуждению автогенератора, колебательным контуром которого является электрокинетический резонатор. Частота автогенератора при отсутствии внешних воздействий определяется параметрами резонатора (жесткость мембраны, масса ртути и электролита, объем воздушных пузырьков). Перемещение мембраны под воздействием внешнего давления приводит к изменению объема воздушных пузырьков и собственной частоты резонатора, которая определяет частоту автогенератора. Изменение давления на мембрану в пределах 10 – 10⁵ Па или перемещение мембраны в пределах 10^-3-1 мм вызывает изменение частоты автогенератора в пределах 0,5-10³ Гц. Чувствительность преобразователя давления 0,1 Гц/Па, преобразователя перемещения 1 Гц/мкм.

Частотные свойства ЭКП определяются гидродинамической инерционностью самого электрокинетического эффекта, гидродинамической инерционностью движения жидкости в капиллярах с учетом вязкости и жидкости, механической инерционностью, обусловленной жесткостью мембран и массой движущейся жидкости. В зависимости от вида и конструкции ЭКП их частотный диапазон составляет от сотых долей герца до нескольких килогерц.