Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Касимзаде М.С. Электрокинетические преобразователи информации

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

9.11 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 145 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

исполнения естественной входной величиной генератор


ных Э К П служит	градиент		давления в жидкости		внутри
преобразующего	элемента,		а выходной — э.	д.	с ,	сни
маемая с электродов.
В генераторных		Э К П ,	работающих на	постоянном
входном сигнале и называемых в дальнейшем Э К П						по
стоянного течения,		рабочая	жидкость непрерывно проте-

/ г

Рис. 11. Устройство ЭКП.


а — преобразователь		постоянного	течения;		б — мембранный переменного дав
ления; в — тороидальный; г — безмембранный-, <5—с подвижной							преобразую
щей перегородкой;		с — капиллярный		ртутно-элсктролнтичеекпй;			/ — преобра
зующая (пористая)		перегородка:	2 — перфорированные электроды;				3 — рабочая
жидкость; 4 — гибкие мембраны			или	гибкий элемент; 5— корпус			из	электро
изоляционного	материала; 5 — в о з д у ш н ы й				зазор;	7 — электроды;	8 — ртуть;
9 — эпоксид"»ч	смола.
кает Через пористую перегородку в одном и том								ж е на
правлении.	Генераторные			же	Э К П	с переменным		вход

ным сигналом содержат ограниченный, как правило, не большой объем жидкости, заключенный в его рабочие камеры.


Н а	рис. 11,а приводится		принципиальное устройство
Э К П	постоянного течения, на		рис. 11,6—д т— переменного
давления различных		конструктивных		модификаций
[Л. 44, 45], а на рис.		11,е — капиллярного		ртутно-элек-
тролитического.

При действии градиента давления внутри системы происходит движение жидкости в порах преобразующей перегородки, в результате которого между электродами возникает э. д. с , связанная с наличием потенциала про текания.

В конструкціпі по ріїс. І1,е образование разности по

тенциалов			связано	с	изменением			строения	двойного
электрического слоя				на	границе		ртуть — электролит				при
наличии		механического			воздействия.
Величина и полярность						выходной		э. д. с. зависят			от
величины		и	направления			вектора		скорости	движения
жидкости в порах перегородки.
При неизменном по величине и направлению										векторе
скорости		на	выходе	Э К П		постоянного течения			(см. рис.
11,о) генерируется постоянная э. д. с. неизменной										поляр
ности.
В случае воздействия на входе								переменного		давле
ния	р (t)	на	выходе	Э К П		образуется		переменная э. д. с.
Конструкции Э К П					согласно		рис.	11,а и б	являются
основными. П е р в а я из них может быть использована											для
определения расхода [Л. 47] и контроля состава										жидко
стей	[Л.	156], а т а к ж е			представляет			собой удобную			мо
дель для экспериментального изучения свойств										Э К П .
Конструкции согласно рис. 11,6,							д применяются		при		раз
работке Э К П , предназначенных							для	измерения	перемен
ных	составляющих			различных			механических		величин

(давления, разряжения, смещения, скорости, ускорения), •акустических, гидроакустических и других параметров .

Конструкция по рис. 11,г выполнена

безмембранной.

Гибкие мембраны заменены газовым пузырьком

в каме

ре преобразователя .

На основе

Э К П по

рис.

10 был

разработан

точечный

зонд на

9 кгц

[Л. 128] и ультразвуковой

гидрофон [Л. 6].

На

базе

электрокапиллярного

преобразователя

по

рис. 11,е в 1928 г. Лятуром [Л. 48] был

предложен

ми

крофон.

Первые лабораторные

макеты

электрокапиллярных

гидрофонов,

разработанные

'50-х

годах японскими

исследователями

[Л. 7,

49],

по

своей

чувствительности

оказались лучше пьезоэлектрических гидрофонов.

Б л а г о д а р я

своим метрологическим

качествам данные

преобразователи

находят

применение

в конструкциях

микрофонов,

гидрофонов,

а т а к ж е

используются

как дат

чики параметров вибрации, датчики низких давлений при

исследовании	технических и	биологических	объектов
[Л. 4, 50].		(до 1 в-сек2/м),
Высокая	чувствительность	(до 1 в-сек2/м),	сравни
тельно широкий частотный диапазон (0,1 гц—10				кгц),
значительная	величина выходного напряжения		(до 1	в),

х о р о ш ая помехоустойчивость и возможность				использова
ния без дополнительных источников энергии,					а т а к ж е
малые габариты	и масса	делают	электрокапиллярные
преобразователи	перспективными		элементами		автомати
ки и измерительной техники.
Основу генераторных		Э К П составляет		электрокине
тическая ячейка	Э К Я , состоящая		из корпуса,		заполнен

ного рабочей жидкостью, и преобразующей пористой пе регородки, снабженной электродами . Кроме того, в за висимости от конкретного назначения и применения Э К П содержит дополнительные конструктивные элементы для восприятия первичной информации, защиты от внешних

влияний	и др.
6) ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Электроосмотнческие			преобразователи ( Э О П ) , построен
ные на	принципе	использования		электроосмотпческнх
явлений,	имеют	ряд	достоинств,	обеспечивающих им

перспективность. К ним относятся универсальность при менения, эффективность работы на низких и ннфраннзкнх частотах, возможность миниатюризации и использо вания как на постоянном, так и переменном токах, про

стота	устройства,	отсутствие	изнашивающихся		механи
ческих частей, взрывобезопасность и				др.
В	некоторых	устройствах	[Л. 51,	52] Э О П	наиболее

удачно технологически согласуются с другими электро химическими преобразователями .

В настоящее время на базе Э О П предложен ряд са мостоятельных приборов: микронасос, вольтметр, инте

гратор,	множительные и дифференцирующие	устройства
[Л. 52—56], а т а к ж е элементы автоматики: реле,			комму
татор,	функциональный преобразователь	[Л.	57, 59],

фильтр низких,и инфранизких частот, сумматор, смеси тель [Л. 60—63] и др.

Могут быть построены электроосмотические фазомет ры, частотомеры и др. Естественно, этим не ограничи вается возможность применения Э О П . В частности, про является определ.енный интерес к электроосмотическому преобразованию электрической энергии в механическую

[Л. 64,	65].
К а к	у ж е указывалось, входным параметром Э О П

являются подводимые к электродам напряжение или ток через осмотическую ячейку, определяемый в первом при ближении по закону Ома . Выходным параметром служит"

перемещение исполнительного органа, определяемое объемом жидкости, перенесенной через пористую пере городку из одной камеры в другую, или же электроосмо тическое давление.

Независимо	от конкретного назначения Э О П содер
жит .следующие	основные элементы:

воспринимающий орган (преобразующая пара с элек тродами) ;

исполнительный орган (мембрана, капля ртути в со четании с контактами, дополнительные капилляры, пре образующие системы и др . ); промежуточные элементы, передающие и распределяющие усилия от преобразую

щей пары к исполнительным органам						(гидропровод, кла
паны и т. д . ) .
В зависимости от характера противодействующей си
лы, возникающей при			работе	исполнительных органов,
Э О П	можно разделить на две группы.
1.	Преобразователи,		в которых		противодействующая
сила	создается	преимущественно			упругими элементами
(рис.	12,я) или	квазиупругой		силой		гидростатического
				11
		н

В)

Pile. 12.		Электроосмотическне преобразователи.
а — мембрапньи'І; б — U-образньпї;				в — электроосмотнческнн				трансфор
матор;	г	— с замкнутым гндропроводом			н ртутным		указателем .
давления		столбов жидкости		(рис. 12,6),			пропорциональ
								на
ной количеству перенесенной				жидкости			Fnp = K	J	Qa.odU
								и
В таком		исполнении Э О П может				быть	использован как
излучатель, двигатель			(рис. 12,я),			вольтметр (рис.			12,6).
2. Преобразователи,			в которых			жидкость		движется
в непрерывной замкнутой гидравлической системе									(рис.
12,0, г)	и противодействующая				сила создается силами
вязкого	трения в этой		системе.

В исполнении по рис. 12,6 Э О П представляет собой трансформатор переменного -или постоянного тока. Кон струкция на рис. 12,г может быть использована для раз

работки	электроосмотического интегратора,			коммутато
ра, функционального преобразователя			и т. д.
В зависимости от рода тока, питающего Э О П , пре
образователи следует классифицировать иа				Э О П	посто
янного и переменного тока.
Хотя	по устройству	электроосмотическая		и	генера
торная	электрокинетические ячейки идентичны,				однако
процессы в них следует		рассматривать	самостоятельно.

В отличие от ЭКЯ, выходное напряжение которой, как правило, незначительно (от долей вольта до нескольких вольт), в ЭОЯ для получения относительно больших электроосмотических поднятий и выходных усилий (дав лений) требуется приложение значительных напряжений, доходящих до сотен и тысяч вольт. Б о л ь ш и е подводимые напряжения вызывают прохождение через ЭОЯ значи тельно больших токов, чем в Э К Я . Большие ж е токи со провождаются интенсивными электрическими и электро химическими процессами как на электродах, так и в жид кости ЭОЯ, приводящими к таким нежелательным по следствиям, как нарушение линейности преобразования, ухудшение воспроизводимости и стабильности парамет ров во времени и т. д.

Только при относительно малых приложенных гради ентах напряжения, не превышающих 500 в/м, обеспечи вается требуемая воспроизводимость выходных парамет ров Э О П .

Д л я нормального функционирования Э О П его вос принимающий орган должен быть рассчитан так, чтобы активная д в и ж у щ а я сила полностью преодолевала силы реакции исполнительных органов, достигающих иногда десятки и сотни ньютон. Д л я преодоления их необходи мо выбирать преобразующие пары, развивающие при

прочих	равных условиях	большие	усилия	(давления) .
Весьма	в а ж н ы м и для расширения		области	применения
Э О П имеет и изыскание		путей повышения		их к. п. д.

7. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ ЭКП И ИХ ВЫБОР

Несмотря на простоту принципа, конструктивно-техноло гическая реализация электрокинетических преобразова телей, впрочем как и других электрохимических преоб-

разователей	информации, оказалось достаточно слож
ной.
Основную	трудность при этом создает применение

в электрохимических преобразователях двухфазной твер до-жидкой системы.

Конструктивные		элементы	и выбранная	преобразую
щ а я пара:	рабочая	жидкость — пористая		перегородка
должны обеспечить		не только	высокие первоначальные
технические	и метрологические		показатели	преобразова

теля, но и сохранение стабильности последних в течение

длительного времени.	Рабочие	жидкости,	используемые
в Э К П , в большинстве	случаев	являются	хорошими ра

створителями, поэтому возможно химическое взаимодей ствие между жидкостью и твердыми элементами преоб разователя, что приводит к изменению его параметров . Нестабильность во времени характеристик электрокапил

лярных преобразователей т а	к ж е	связана с наличием
примесей в рабочем растворе	и	с загрязнением послед

него в процессе работы. Определенную трудность вызы

вает т а к ж е	герметизация ЭКЯ , в		особенности в миниа
тюрных конструкциях, в связи с отсутствием				достаточно
химически стойких замазок и клеев.
Рассмотрим более подробно требования, предъявляе
мые к отдельным элементам Э К П			и основы	их выбора.
а) ПРЕОБРАЗУЮЩАЯ		ПАРА
Наиболее	в а ж н ы м	из элементов	электрокинетических

преобразователей является преобразующая пара, в ко торой происходит обратимое преобразование энергии и от свойства которой зависят основные технические ха

рактеристики

преобразователя .

Основные требования к преобразующей паре можно

сформулировать

следующим

образом .

Рабочая

жидкость.

Используемая

Э К П

рабочая

жидкость

д о л ж н а

обеспечить получение в паре с данной

пористой

перегородкой»

наибольшей

величины

g-потен-

циала

и,

следовательно,

максимального

электрокинети

ческого

эффекта . Д л я этого она

должна

обладать

боль

шим

значением

диэлектрической

проницаемости

є, ма

лой

электропроводностью Хо и вязкостью

JLI.

Таковыми

являются

жидкости,

молекулы

которых

имеют

полярную активную

группу:

— О Н ,

— С О О Н ,

— N H 2 ,

— C N , — N 0 2 , —CNS,

— С Н О ,

— S H ,

— S 0 2 O H ,

а также другие гидрофильные

группы [Л. 17].

. г45

И н т е р в ал температур фазового перехода рабочей жидкости по возможности должен -быть широким, а аб солютные значения этих температур большими. Малое изменение физических констант под воздействием внеш них факторов, м а л а я токсичность и невысокая стоимость т а к ж е являются важными требованиями к рабочей жид кости.

Исследования, проведенные в Азербайджанском	Н И И
энергетики показали, что достаточно эффективными	для

Э1Ш	являются однокомпонентные		полярные жидкости:
нитробензол,		ацетон, ацетонитрил,	диметилформамид
и др.
По величине потенциала протекания в ряде случаев
могут	быть	рекомендованы спирты	(этиловый, метило

вый, пзопроппловыи), тщательно очищенная вода. Одна ко относительно быстрое старение ограничивает приме нение последней. В этой связи представляют интерес ра-


бчты	по	стабилизации электропроводности		дистиллиро
ванной воды [Л. 66].
Большую эффективность проявляет бензин					с	при
месью	нефтяного битума, обеспечивающий			чувствитель
ность	на	один-два	порядка выше (100—ПО		мв-м2/н),
чем все		остальные	исследованные жидкости.
Потенциал протекания смеси двух полярных жидко
стей ниже, хотя в			ряде случаев (по соображениям			обес

печения	малого значения выходного сопротивления, рас
ширения	температурного	диапазона	преобразователя
и т. д.)	применение смесей	жидкостей	может оказаться
предпочтительным.
Пористая перегородка.		Пористая	перегородка Э К П

д о л ж н а обладать высокими электроизолирующими свой ствами, иметь достаточную механическую прочность (жесткость структуры) и сохранять эти свойства неиз менными в широком диапазоне температур: от —-(50 —

60)до +(200—300) °С.

С целью	длительного	сохранения стабильности пара
метров Э К П	материал	пористой перегородки должен

быть химически стойким по отношению к применяемой рабочей жидкости.

Существенным для Э О П является т а к ж е структура пористой перегородки. При значительных размерах пор увеличиваются пусковые градиенты потенциала, габа

риты преобразователя, уменьшаются развиваемые уси лия,

Д л я перегородок с диаметром нор свыше 20—40 мклі Ограничивающими являются малые развиваемые усилия,

для перегородок	ж е с	малым	размером	пор — м а л а я
объемная электроосмотическая			скорость.
Перегородки	с радиусом пор		1—3 мкм	обеспечивают
получение оптимальных		выходных параметров Э О П .

Предпочтительна однородная структура пористой пе регородки в виде параллельных цилиндрических капил ляров.

Проведенные экспериментальные исследования пока зывают, что по электрокинетической эффективности изу ченные пористые материалы можно расположить в ряд:

полиэтилен, шамотно-бентонитовая

керамика,

керамика

Г И К И *, кварц, фторопласт-4,

стекло, магнезиальная

ке

рамика.

На генерируемый потенциал протекания, чувствитель

ность по давлению и другие параметры системы

большое

влияние оказывают не только индивидуальные

свойства

преобразующей пары, но и тщательность их

очистки.

Д л я

преобразующих

пар

ацетонитрнл — шамотно-

бентонитовая

керамика

в интервале

температур

—35-f-

+ 75 °С, ацетонитрил — стекло в

интервале —35 -г-+50 °С,

ацетон — полиэтилен

в интервале

—29ч- + 4 5 ° С ,

в режи

мах холостой работы и нагрузки

чувствительность

по

давлению

практически

остается

неизменной.

Д л я

пары ацетон — шамотно-бентонитовая

перегород

ка в интервалах температур

— 2 2 - ^ + 4 5 ° С чувствитель

ность уменьшается на 2% на 10°С.

Внутреннее

сопро

тивление всех

исследованных

систем

монотонно

убывает

с повышением

температуры.

Применение преобразующих пар в электроосмотиче

ских преобразователях связано с определенными

ограни

чениями. Использование

воды и водных растворов вслед

ствие газовыделения

ограничено

небольшими

градиента

ми напряжения . В

то ж е

время

другие

электрокинетиче

ские эффективные

жидкости,

указанные

выше, д а ж е

при

градиентах

до

105

в/м

обеспечивают

нормальное

функ

ционирование

преобразователя .

Преобразующие пары Э'ОП более эффективно исполь

зуются

на

высоких

градиентах

потенциала,

поскольку

к участию

в электроосмос

включается

большее

число

пор.

* Государственный научно-исследовательский институт керами ческой промышленности.

6) ЭЛЕКТРОДЫ
Электроды	д о л ж н ы	изготовляться		из	хорошо		проводя
щих металлов в виде перфорированных пластинок								(се
ток) или ж е напылением			металла	на	поверхность пори
стой перегородки. П л о щ а д ь электродов					следует		выбирать
не менее	площади	пористой перегородки,				толщина		их
-существенной роли не играет и может					быть	доведена		до
минимально возможной			величины.

Представляет интерес использование в качестве элек тродов внутренней поверхности ЭКЯ, покрытой графи том [Л. 66]. Более существенным представляется требо вание к материалу электродов в отношении химической стойкости и неполяризуемости, в особенности для электроосмотическпх преобразователей. Если химическая стойкость электрода может быть обеспечена за счет при менения некорродирующих в данной жидкости металлов', то проблема . неполярпзуемости, особенно для электроосмотнческнх преобразователей, нуждается в дополни тельном изучении.


В генераторных Э К П определяющим выбор					материа
ла электрода		является	фактор	химической	стойкости.
Л и ш ь на	ннфранизких		частотах	следует считаться с по
явлением	поляризации, и как следствие — возникновени
ем потенциала		асимметрии.

В настоящее время в качестве электродного материа ла используется алюминиевая фольга, никель, нержа веющая сталь, платина и др .

в) МАТЕРИАЛ Д Л Я КОРПУСА ЭКЯ

Корпус ЭКЯ должен изготовляться из механически проч

ного термостойкого		электроизоляционного	материала,
химически	стойкого	к используемой рабочей	жидкости.
Не менее	важной является технологичность		материала,'

обеспечивающая простоту сочленения деталей, простоту и надежность установки пористой перегородки и крепле ния мембран, возможность герметизации мест выхода выводных концов и заливочных отверстий. Исходя из этого для изготовления корпусов-ЭКЯ можно рекомендо

вать специальные химически стойкие сорта стекол,	поли
м е р ы — ф т о р о п л а с т ы , полиэтилен, полипропилен и	др.

Хотя фторопласт и обладает уникальной химостойкостыо, однако склонность к пластической деформации и отсутствие достаточно химически стойких клеев и зама -

зок, пригодных для сочленения деталей из фторопласта-4, затрудняет его применение, в особенности в миниатюр-, ных Э К П .

Д л я разработки опытных образцов Э К П хорошо за рекомендовал себя полиэтилен, являющийся относитель но химически стойким к рабочим жидкостям и весьма


технологичным	материалом .
Не исключена		возможность	использования			д л я	к о р :
пуса ЭКЯ и других материалов,				в частности		металлов
с применением	химически стойких			электроизоляционных
покрытий, например эмульсии			фторопласта.
г) МАТЕРИАЛ Д Л Я МЕМБРАН
В Э К П возможно		применение как металлических, так и
неметаллических		мембран — пленок, главным			образом из
полимеров — полиэтилена, фторопласта-4 и					др.'	Необхо
димая упругость		в этом случае создается дополнитель
ной пружиной,	сильфоном, воздушным объемом и						т. д.
В ряде случаев применение обычных мембранных							ма

териалов (фосфористой и бериллиевой бронзы, нейзиль бера и др.) не представляется возможным из-за недоста точной химической стойкости в среде рабочей жидкости. Возможно применение нержавеющей стали, титана и его сплавов в контакте с основными рабочими жидкостями, ацетоном, ацетонитрилом, диметилформамидом и др. Удо влетворительными оказываются комбинированные мем браны [Л. 68], состоящие из неупругой полимерной плен ки (полиэтилен), на которую накладывается металличе ская мембрана . Монолитность системы обеспечивается

заливкой	Между	последними		тонкого	слоя	жидкости.
Пленка	полиэтилена,		легко	приваривается		к корпусу
ЭКЯ, обеспечивает		ее	герметизацию, а		металлическая

мембрана создает необходимую упругость. Представляет интерес применение металлических мембран, покрытых химически стойкими веществами.

8. ЭЛЕКТРОКАПИЛЛЯРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Основой электрокапиллярных преобразователей служит капиллярная ячейка, внутренний объем которой залит двумя несмешивающимися электропроводными жидко стями, в которые помещены электроды.

В	зависимости от требуемых выходных характери
стик	возможны различные конструтивные решения ячей-

4—24

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 145 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ