книги из ГПНТБ / Стрижевский, И. В. Хемотроника

Правильный выбор рабочей жидкости во многом опре­ деляет работу преобразователя. Жидкость должна быть маловязкой, иметь диэлектрическую постоянную не ниже 20 и высокий дзета-потенциал. Пригодными жидкостями являются вода, ацетон, метанол, этанол, ацетонитрил, но предпочтительнее всех — пропионитрил.

Не менее существенное влияние оказывают электроды. Во-первых, они должны быть самодеполяризующимися; во-вторых, на металле, из которого они сделаны, должны легко протекать реакции типа Me -»■ Ме+'+е и Ме++ е -> -> Me; в-третьих, электроды должны быть достаточно пористыми. Для изготовления электродов используется серебро, медь, кадмий, свинец. В соответствии с этим элек­ троды обозначаются Ag/Ag+, Cu/Cu2+, Cd/Cd2+, Pb/Pb2+.

Пористые электроды делают, осаждая на металл соот­ ветствующую окись. Например, водную "пасту окиси серебра Ag20 наносят на основу из серебряной решетки. Паста высыхает, после чего электрод сильно нагревают; окись серебра выпадает в осадок, образуя на поверхности электрода пористую массу.

Рабочая жидкость, естественно, никогда не бывает идеально чистой: в ней всегда присутствует то или иное количество примесей. При установке электродов в ячейку из-за наличия примесей в рабочей жидкости появляется некоторое количество ионов серебра. Для устранения этого нежелательного явления в жидкость добавляют не­ много какой-нибудь соли, например хлорид серебра или

по отношению к рабочей жидкости; в противном случае последняя будет сильно загрязняться. Когда рабочей жид­ костью служит вода, корпус может быть из полиэтилена, полиметилметакрилата или нейлона. Пористый диск чаще всего делают из стеклянной массы, но можно применять и другие материалы, например спеченную окись алюми­ ния. Главное требование к материалам — инертность к рабочей жидкости.

Следует отметить, что некоторые материалы на основе целлюлозного волокна обладают положительными по­ верхностными зарядами. При использовании диска из

100

Электроосмотическая ячейка может служить преоб­ разователем, получившим в технике название «микро­ насос». По устройству такой микронасос отличается от ячейки, изображенной на рис. 25, лишь тем, что обе камеры выполнены в виде замкнутой системы и соеди­ нены капилляром, в котором вместе с жидкостью пере­ мещается инородное тело-(пузырек газа, капля ртути или

Рпс. 20. Интегратор на основе микронасоса

впаивают необходимое число пар контактов, последова­ тельно замыкающихся при движении ртутной капли. Первая и последняя пары контактов осуществляют реверс входного напряжения.

Производительность микронасоса — объем перекачи­ ваемой жидкости в единицу времени — прямо про­ порциональна приложенному напряжению. Кроме того, она зависит от силы тока, протекающего через ячейку, от вязкости жидкости и величины дзета-потенциала си­ стемы. При некотором минимальном напряжении, необ­ ходимом для преодоления гидродинамического сопротив­ ления системы, производительность пропорциональна числу капилляров и обратно пропорциональна их длине. Известны конструкции микронасосов производитель­ ностью 1,4-ІО-2 м3/сек.

В электрохимических преобразователях с камерами, ограниченными гибкими мембранами, развиваемое меха­

101

ническое усилие передается на различные вторичные устройства. Существенно, что это усилие изменяется

взависимости от приложенного напряжения.

Впреобразователях типа микронасоса, где камеры выполнены в виде замкнутой системы, положение инород­ ного тела, определяемое количеством пропущенного элек­ тричества, сохраняется и после снятия входного напряже­ ния. Следовательно, такие преобразователи обладают интегрирующими свойствами.

Прибор, интегрирующий напряжение или ток в тече­ ние определенного промежутка времени, показан на рис. 26, Он представляет собой комбинацию электроосмотической ячейки и калиброванного капилляра. Внутри стеклян­

ного или пластмассового сосуда 1 имеется пористый диск 2, делящий сосуд на две камеры. Внутри каждой камеры близко к диску помещены электроды 3 и 4 типа Ag/Ag+ с контактными выводами 5 к внешней цепи. Одна из камер соединена с капилляром 6, калиброванным или снабженным шкалой. Далее капилляр расширяется и превращается в изогнутую трубку 7, соединяющуюся с другой камерой прибора. Камеры и капилляр напол­ нены жидкостью; внутри капилляра имеется пузырек газа или иное инородное тело для наблюдения за пере­ мещением жидкости по шкале. Жидкость должна быть полярной, маловязкой, с высокой диэлектрической по­ стоянной. Как мы говорили, пригодны вода, ацетон, метанол, этанол, ацетонитрил, пропионитрил;?чаще всего используют воду или ацетон.

Пористый диск выполнен из фарфора; толщина диска 3 мм, диаметр 20 и , пористость 25°/0, диаметр пор 1 мк. Давление, развиваемое вдоль диска указанных парамет­ ров после приложения к электродам напряжения, до­ статочно велико по сравнению с любым другим давлением в этой системе. Сопротивление’’ячейки переменному току составляет 18-ІО3 ом. Объем жидкости, перемещающейся за 1 сек при напряжении 1 в, равен 3 -10_э .и3. В зависи­ мости от полярности приложенного напряжения жидкость перемещается вправо или влево) при горизонтальном положении прибора, вверх или вниз — при вертикаль­ ном.

102

Явление U-эффекта

В электрокинетических преобразователях на основе U- эффекта «работает» поверхность раздела ртуть—электро­ лит. При наложении электрического потенциала поверх­ ность стремится изменить свою форму, и, наоборот, при смещении поверхности создается электрический потен­ циал. На этом принципе разработан преобразователь инерциального типа, в котором колебательное движение преобразуется в переменный электрический сигнал вслед­ ствие инерции ртути. Преобразователь представляет собой капиллярный электрометр с корпусом, двигающимся относительно жидкости, находящейся внутри него. Жидкость обладает значительной массой по сравнению с массой всей системы и сосредоточивает в себе почти всю инерцию системы.

Электрометры с ртутью и разбавленной серной кисло­ той работают до порогового напряжения порядка 0,5 в. Для увеличения этой величины несколько поверхностей раздела соединяют последовательно с чередованием слоев жидкого электролита и ртути. Число поверхностей раз­ дела обычно четное, крайние слои — всегда ртуть. Это снижает до минимума требуемое количество электролита и уменьшает электрическое сопротивление системы. Удельный вес ртути или одного из ртутных сплавов всегда больше удельного веса вещества, используемого в ка­ честве смежного электролита (обычно 10%-ный раствор серной кислоты). Кроме того, электрическое сопротив­ ление почти всех электролитов намного выше сопротив­ ления ртути. Поэтому желательно, чтобы по объему ртути было больше, чем электролита. При соблюдении этого условия инерция ртути как подвижного элемента со­ ставит основную часть общей инерции преобразователя.

Из рис. 27 видно устройство такого преобразователя. Овальная камера 1 из гибкого и легкого изоляционного

ляров порядка 0,01 ли; установлено, что при очень уз­ ких капиллярах возникают нежелательные побочные яв­ ления, а при слишком широких — снижается чувствитель­ ность прибора. Длина трубок тоже колеблется в широких пределах — 0,6—2 см. В торцевой части трубок закреп­ лены платиновые выводы 4. Трубки герметизированы.

103

Внутрь камеры заливается ртуть, заполняющая и капил­ ляры. В капиллярах между каплями ртути находятся капли электролита (10 %-ный раствор соляной кислоты) 5, благодаря чему образуются поверхности раздела ртуть—электролит. В торцевой части трубок капилляры расширены. Эти отсеки 6 заполнены воздухом или инерт­ ным газом и предназначены для передачи импульса жид­ кости системе.

Камера может иметь любой размер и любую форму. Важно, чтобы ее объем намного превышал объем капил­

ляров. На поверхности камеры укреплена мембрана 7, через которую колебательные движения передаются при­ бору.

Процесс преобразования колебательной энергии в пере­ менный электрический сигнал происходит следующим образом. Вибрация мембраны 7 вызывает колебания при­ бора вдоль своей оси. При этом ртуть в силу своей боль­ шой инерционной массы остается на месте. Следовательно, поверхности раздела ртуть—электролит начинают со­ вершать колебательные движения относительно электро­ дов, что создает на них переменную разность потенциалов. Таким образом, колебания мембраны преобразуются

впеременный электрический сигнал.

'Прибор работает обратимо: при подаче на электроды переменного напряжения мембрана начинает совершать колебания, в результате чего переменный электрический сигнал преобразуется в механические колебания системы.

Модификацией описанной конструкции является при­ бор, в котором преобразовательное действие соверша­ ется только в одном капилляре при наличии двух от­ секов для газа, передающего импульс.

104

При параллельном включении нескольких капилляр­ ных электрометрических элементов ток увеличивается и создаются большие механические усилия. Если рабо­ чая температура не превышает 35° С, в качестве жид­ костей, образующих поверхности раздела, можно исполь­ зовать галлий и водный раствор щелочного галоидного соединения.

В капиллярных электрометрах закрытого типа практи­ чески нельзя обойтись без хотя бы микроскопического количества газа или пара, поскольку их присутствие

Рис. 28. Капиллярный электрометр с устройством для защиты поверхностей раздела от проникновения пора плп газа

определяет вибрационные свойства системы. Однако про­ никновение газа или пара в жидкости, образующие по­ верхности раздела, нарушает стабильность рабочих ха­ рактеристик прибора. Устранить это явление в приборах описанной конструкции невозможно, так как при запол­ нении отсеков 6 любым газообразным веществом там обяза­ тельно появляются пары ртути и воды. Давление этих паров может изменяться в широких пределах; нижний предел обусловлен давлением паров серной кислоты и ртути при рабочей температуре, верхний — прочностью стекла. Практически возможны изменения давления от нижнего предела до нескольких атмосфер.

На рис. 28 показан преобразователь на основе капил­ лярного электрометра с устройством, предохраняющим поверхности раздела в капиллярных каналах от про­ никновения к ним газа или пара. Внутри стеклянного корпуса 1 имеется капиллярный канал 2, заканчиваю­ щийся с двух сторон камерами 3 и 4. Камера 4 соединяется узким каналом 5 с камерой 6, в которой находится газ или пар. Проволочный, чаще всего платиновый вывод 7 рходцт в торцевую часть корпуса через камеру 6 и, об-

105

Эффект возникновения потенциала вдоль раздела по­ верхностей нескольких жидкостей (U-эффект) может быть использован в электролитическом аксельрометре весьма простой конструкции — стеклянная трубка с капилляр­ ным каналом, где глобулы ртути разделены слоями раз­ бавленной серной кислоты. При ускоренном движении такого прибора в направлении, параллельном капил­ лярному каналу, между его концами возникает разность потенциалов, зависящая от величины ускорения в достаточно широком диапазоне.

Несмотря на простоту и высокую чувствительность, аксельрометры такого рода нашли применение только в лабораториях, поскольку они механически неустойчивы. При наклонном положении прибора глобулы ртути в капилляре постепенно скатываются на дно, а серная кислота оказывается в верхней части капилляра. Естест­ венно, что при этом прибор выходит из строя.

Однако механическую стабильность прибора можно резко повысить, установив вдоль капиллярного канала удерживающие кольца из материала, например платины, смоченного ртутью. Каждая глобула ртути будет на­ ходиться в контакте с одним из колец, прилипая к его поверхности. При этом остается некоторая свобода ограни­ ченного перемещения глобул в результате изменения их

формы при ускорении.

На рис. 29 показана схема такого аксельрометра. Его корпус 2 сделан из непроводящего материала — стекла, бакелита или другого пластмассового материала. Концы капиллярного канала 2 диаметром 0,25—0,5 мм гермети­ зированы. Капилляр заполнен глобулами ртути 3 и ело-

107

ями разбавленной серной кислоты 4. В крайние глобулы ртути погружены платиновые выводы 5. Стабилизирующие платиновые кольца 6 затоплены в стенки трубкц заподлицо с ее внутренней поверхностью. Материал для колец должен быть химически инертен, нерастворим в ртути и серной кислоте. В противном случае в электро­ литической ячейке, образованной кольцами и этими веще­ ствами, возможен значительный ток, а также выделе­ ние водорода.

При изготовлении^прибора кольца заглубляют в стенки трубки, а ,затем ее погружают в раствор нитрата ртути, находящийся над жидкой ртутью. Отрицательный полюс источника тока подключают к кольцам, а положитель­ ный — к жидкой ртути. При электролизе нитрата ртути ртуть осаждается на платиновых кольцах, образуя тон­ кий слой амальгамы, которая смачивается ртутью, не рас­ творяясь в ней. Размеры и положение глобул ртути должны быть такими, чтобы кольца находились в кон­ такте только с центральной частью глобулы; тогда пе­ риферия поверхностей раздела будет касаться скорее стеклянного корпуса, нежели кольца. Это резко снижает влияние стабилизирующих колец на работу аксельрометра, обеспечивая в то же время неподвижность гло­ бул.

Во время работы прибора капиллярный канал должен быть параллелен направлению, вдоль которого измеряют ускорение. Выводы подключаются к измерительному при­ бору, например ламповому вольтметру, который может быть отградуирован в единицах ускорения.

Электрокинетические преобразователи, действующие по описанному принципу, используются в гидрофонах, работающих в диапазоне 60—1о50 гц, а также в электро­ фонографах, кардиографах, стетоскопах, телефонах, мик­ рофонах и т. д.

Как мы уже говорили, U-эффект обратим. Это значит, что, когда к электродам в капилляре приложено напря­ жение, капли ртути начинают двигаться. Используя это явление, можно создавать генераторы механических коле­ баний малой мощности, работающие в очень широком диапазоне частот.

108

Потенциал седиментации и явлений* близкие к электрошшетическим

При осаждении в полярной жидкости неэлектропровод­ ной твердой фазы (песок, стеклянные .шарики и т. д.) происходит «размыв» двойного электрического слоя, суще­ ствующего на границе между жидкостью и дисперсной фазой. В результате осаждающиеся части приобретают некоторый избыточный заряд, величина которого зависит от природы жидкой фазы, материала частиц и скорости оседания последних. Именно движение электрически за­ ряженных частиц — причина разности потенциалов между электродами, помещенными на разной высоте в среде, где происходит осаждение дисперсной фазы под действием силы тяжести. Это явление называется эффектом потен­ циала седиментации. Как показывает теоретический ана­ лиз, основанный на модели сферических частиц, величина потенциала седиментации

Ее — потенциал седиментации; г— радиус сферических частиц; С — концентрация частиц; Q и <?0 — плотность дисперсной фазы и среды; т] — вязкость среды; к — электропроводность дисперсной фазы; е — диэлектрическая постоянная; С — дзета-потенциал

Как видно из уравнения, потенциал седиментации пропорционален ускорению силы тяжести. Такая зависи­ мость дает возможность создавать электрокинетические преобразователи типа линейных датчиков механических величин, например датчиков линейных ускорений и виб­

раций.

Один из таких электрокинетических седиментационтгьтх приборов показан на рис. 30. Измерительный отсек 1 и два вспомогательных отсека 2 ж3 соединены капил­ лярами. Отсек 2, где находится дисперсная фаза 4, ис­ пользуется для заливки и герметизации прибора. В от­ секе 1 имеются два сетчатых электрода 5. На дне отсека 3 скапливается «отработавшая» фаза 6. При ускорении объекта, на котором расположен прибор, между его сет­ чатыми электродами возникает потенциал седиментации, пропорциональный величине этого ускорения. Время непрерывного измерения определяется временем осажде­ ния дисперсной фазы.

І09