5.3. Электрохимические датчики (конструкция,

технология изготовления, тарировка)

Электрохимический датчик скорости. В практике электрохимических измерений наиболее употребительны цилиндрические датчики скорости [10], клиновые [11], конические [12], сферические [13], лобовая точка [14]. Как показывает опыт, при измерении осредненных скоростей в ньютоновских жидкостях форма и размеры датчиков и их чувствительных элементов не играют решающего значения. Измерения различными датчиками, как правило, хорошо согласуются между собой. Однако датчики с чувствительным элементом на вершине державки раньше загрязняются, чем в случае, когда чувствительный элемент отнесен от вершины державки.

При внешнем обтекании затупленных тел вязкопластчиной жидкостью вблизи лобовой точки образуется застойное квазитвердое ядро [15]. Его можно устранить заострением наружной части датчика и отнесением микроэлектрода. Возможно применение датчиков со сплошными электродами (например, конические), где только небольшая часть поверхности заблокирована застойной зоной. Однако такие сравнительно удлиненные вдоль потока электроды инерционны, а их применение ограничено измерениями при низкочастотных флуктуациях. Использование клинового электрохимического анемометра с чувствительным элементом – микроэлектродом, отнесенным от передней кромки на 1,5 мм (рис. 5.3), практически исключает влияние застойных и квазитвердых зон на показания датчика. Миниатюрность электрода и державки обеспечивает также высокую пространственную разрушающую способность и малую инерционность измерителя.

а

б

Рис. 5.3. Конструкция (а) и общий вид (б) электрохимического анемометра:

1 – микроэлектрод; 2 – корпус; 3 – проводник

При изготовлении анемометра необходимо обеспечить тщательную изоляцию боковой поверхности чувствительного элемента во избежание подтекания раствора, а, следовательно, неконтролируемого изменения активной поверхности. Эпоксидные смолы и лаковые покрытия, в общем, не обеспечивают надежной изоляции по причине микродефектов и трещин, нарушающих стабильность показаний вследствие возникновения высокого остаточного тока и ряда других погрешностей. Качественную изоляцию и достаточную механическую прочность обеспечивает стекло. Чувствительным элементом датчика является микроэлектрод из платиновой фольги толщиной 50–100 мкм. Предварительно промываются спиртом и просушиваются электродные полоски и стеклянный капилляр, платина прокаливается в пламени спиртовки, чтобы предотвратить образование в месте спая мельчайших пузырьков газа. Стеклянный капилляр с вваренным микроэлектродом помещается в державку из нержавеющей стали внутренним диаметром 0,8 мм и приклеивается по месту эпоксидной смолой. Затем производится механическая обработка мелкозернистым алмазным кругом, наждачной бумагой и полировальными пастами.

Статическая тарировка анемометра проводится в потенциальном ядре затопленной струи, бьющей из сопла диаметром 4 мм на специальном калибровочном стенде (рис. 5.4).

Зная (по расходу) среднюю скорость струи U₀ при однородном поле скорости в ядре и регистрируя изменения диффузионного тока датчика I, строится тарировочная зависимость I = f (U). На рис. 5.5 она представлена для датчика скорости в ньютоновской жидкости (чистый электролит). У ньютоновской жидкости эта зависимость должна согласоваться с классической формулой I ~ U₀^0,5.

При измерении не только средних, но и пульсационных значений скоростей необходимо учитывать инерционность анемометра в области высоких частот, так как процесс массопереноса более инерционен, нежели перенос импульса. Поэтому необходимо исследовать характер и качество воспроизведения процессов массообмена от входного сигнала в зависимости от частоты, т.е. провести динамическую тарировку электрохимического анемометра на специальной вибросистеме (рис. 5.6).

Рис. 5.4. Схема стенда для тарировки ЭХ–анемометра

в потенциальном ядре затопленной струи:

1 – напорный бак; 2 – ванна; 3 – мерная емкость; 4 – насадок; 5  ЭХ–анемометр; 6 – анод; 7 – усилитель электрохимический АЭ–3; 8 – самопишущее устройство; 9 – осциллограф; 10 – вольтметр среднеквадратичных значений Brüel & Kjaer; 11 – спектроанализатор ТОА–III

Рис. 5.5. Тарировочная характеристика ЭХ–анемометра

в растворе электролита

Датчику электрохимического анемометра 1, помещенного в струю, бьющую из сопла 2, специальной вибросистемой из двух динамических головок 3 и 4 задаются гармонические колебания заданной амплитуды и частоты. Звуковые катушки динамиков жестко связанны между собой никелевой трубкой 5. В нижней ее части устанавливается датчик 1. На звуковую катушку силового динамика 3 подается через усилитель низкой частоты синусоидальное напряжение с регулируемой амплитудой и частотой. ЭДС–индукция, наводимая в динамике 4, пропорциональна скорости перемещения датчика и является контролируемым параметром. При варьировании частоты колебаний датчика f и при установленной средней скорости среды U₀ на срезе сопла соответственно изменяется напряжение, возникающее в катушке динамика 4 так, чтобы сохранить неизменной колебательную скорость U = A  · cos t. Переменная составляющая диффузионного тока датчика регистрируется вольтметром среднеквадратичных значений. Зависимость отношения от f является нужной амплитудно–частотной характеристикой (АЧХ) анемометра. За характерную величину бралось значение тока , соответствующее условию безинерционной работы датчика (при f0). На рис. 5.7 представлены АЧХ анемометра при разных скоростях течения электролита.

Рис. 5.6. Схема стенда для определения амплитудно–частотной