Схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате Российский патент 2017 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к схеме подключения молекулярно-электронных преобразователей, используемых в линейных и угловых акселерометрах, к сопутствующей электронике. Это изобретение может найти применение в сейсмодатчиках, приборах для стабилизации движущихся объектов и инерциальной навигации.

Молекулярно-электронные преобразователи линейных и угловых акселерометров используют раствор электролита в качестве инерционной массы и преобразуют поток электролита в электрический сигнал. Молекулярно-электронные преобразователи включают четыре электрода, помещенные в контур, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а внешние - анодами.

При подключении электродов молекулярно-электронного преобразователя к электронике потенциалы катодов поддерживаются равными, а аноды соединены между собой и находятся при потенциале, примерно на 300 мВ более высоком, чем катоды.

Фоновые катодные токи в неподвижной жидкости определяются скоростью диффузии активных носителей. При наличии внешних механических возмущений жидкость перетекает через молекулярно-электронный преобразователь, и дополнительно к диффузионному действует конвективный перенос носителей, увеличивающий или уменьшающий, в зависимости от направления гидродинамического потока, катодные токи.

В качестве выходного сигнала преобразователя обычно применяется разность катодных токов. Для полностью симметричной ячейки в случае покоящейся жидкости она равна нулю. При движении жидкости один из токов возрастает, а другой убывает. В реальной преобразующей ячейке, даже для неподвижного электролита, фоновые токи различаются до 10-15%.

Из технической литературы известны несколько схем подключения молекулярно-электронного преобразователя к сопутствующей электронике, обеспечивающих преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение. В книге [1] представлена схема, при которой катоды подсоединены к общей земле электроники через малые резисторы. В этом случае разность потенциалов между катодами пропорциональна разности катодных токов. В настоящее время такая схема не используется, поскольку не обеспечивает стабильной разности потенциалов между электродами и, как показано в работе [2], в силу зависимости сопротивления ячейки от приложенного напряжения, является источником нелинейности.

Потенциостатическая схема, поддерживающая постоянные потенциалы на всех электродах ячейки, не вносит дополнительных нелинейных искажений и в настоящее время получила наибольшее распространение. Пример реализации такой схемы приведен в работе [3] и, в упрощенном виде, воспроизводится на фиг. 1. Отметим, что в отличие от схемы из [1] потребление приведенной потенциостатической схемы больше, поскольку токи текут не от плюса источника питания к земле, а через операционные усилители от плюса к минусу питания. Как следствие, потребление входного каскада практически удваивается.

Улучшенный, с точки зрения потребления, вариант схемы преобразования разностного катодного тока в напряжение представлен на фиг. 2, на которой в несколько упрощенном виде воспроизводится схема из работы [4]. В этом случае, фоновые токи первого и второго плеча вносят различный вклад в общее потребление каскада преобразования разностного тока в напряжение. Ток катода 1, подключенного к неинвертирующему входу операционного усилителя, протекает прямо на землю, в то время как ток второго катода, как и в схеме, приведенной на фиг. 2, протекает от плюса к минусу источника питания. Таким образом, потребление схемы оказывается выше, чем в варианте из работы [1], но ниже, чем для схемы на фиг. 1 [3]. Схема, приведенная на фиг. 2, является прототипом предлагаемого технического решения.

Задачей настоящего изобретения является создание схемы подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате, обеспечивающей преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение, сохраняющего неизменными потенциалы катодов, обеспечивая тем самым линейность преобразования, и, одновременно, обеспечивающего меньшее по сравнению с аналогичными решениями потребление тока.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в сохранении точности (линейности) измерения угловых и линейных движений датчиком и уменьшении его энергопотребления.

Поставленная задача решена за счет того, что между каждым из катодов и землей устанавливается резистор, обеспечивающий перетекание большей части фонового тока между положительным полюсом источника питания и землей. При этом оба катода подключаются ко входам операционного усилителя и находятся при одинаковых потенциалах. Соответствующая схема приведена на фиг. 3. Для расчета выходного напряжения и токов, протекающих в схеме, воспользуемся моделью идеального операционного усилителя. Тогда ток, протекающий через резистор R₁, равен току, вытекающему из первого катода, I_cath1:

Ток, протекающий через резистор R₂:

Ток, протекающий в обратной связи операционного усилителя через резистор R₃ и втекающий в отрицательный источник питания:

Напряжение на выходе операционного усилителя:

При дополнительном условии:

выражение (4) преобразуется в следующее:

В результате, с точки зрения выходного сигнала, схема ведет себя как преобразователь разности катодных токов в напряжение. При этом в отличие от прототипа изобретения не только ток от катода 1, но и большая часть тока от катода 2 текут от положительного полюса источника питания к земле.

В частном случае симметричной ячейки, когда катодные токи близки между собой, имеется возможность обеспечить выполнение условия R₁/R₃<<1 и R₂/R₃<<1, и согласно выражениям (3) и (5), между положительным и отрицательным источниками питания будет протекать только малая, при данных условиях, часть тока, равная разности катодных токов.

Таким образом, предложенная схема обеспечивает решение поставленной задачи уменьшения потребления входного каскада, при одновременном обеспечении высокой точности преобразования разностного тока катодов в напряжение.

На фиг. 1 схематически представлено известное техническое решение потенциостатической схемы, используемой для подключения молекулярно-электронного преобразователя к сопутствующей электронике.

На фиг. 2 схематически представлено известное техническое решение оптимизированной по потреблению потенциостатической схемы, используемой для подключения молекулярно-электронного преобразователя к сопутствующей электронике.

На фиг. 3 представлена предлагаемая схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате, обеспечивающая меньшее потребление по сравнению с аналогами.

На фиг. 4 показана фотография молекулярно-электронного сейсмического датчика, на котором было реализовано предлагаемое техническое решение.

Для реализации изобретения использовался сейсмодатчик линейной виброскорости модели МТСС-1001. Внешний вид датчика показан на фиг. 4. Электроника выполнена в виде двух плат, размещаемых одна над другой. Одна из плат представляет собой блок питания, обеспечивающий рабочие напряжения для операционных усилителей, а также сдвиг напряжения между катодами и анодами молекулярно-электронного преобразователя. Вторая плата представляет собой электронный усилитель, входной каскад которого соответствует либо схеме, приведенной на фиг. 2, либо, после перепайки, схеме, приведенной на фиг. 3. Во втором случае использовались следующие номиналы сопротивлений входного каскада: R₃=1000 Ом, R₁=15 Ом, R₂=15 Ом. Экспериментально исследовалось потребление сейсмодатчика при использовании двух типов преобразователя, различающихся концентрацией рабочего электролита, а следовательно, величиной фонового тока.

Результаты измерений потребления приведены в таблице.

Как видно из представленных в таблице данных, указанное техническое решение действительно обеспечивает снижение потребление входного каскада электронной схемы.

Предлагаемое изобретение может найти применение в сейсмических системах и приборах стабилизации и инерциальной навигации движущихся объектов. Оно позволяет с помощью небольших конструктивных доработок снизить энергопотребление, что имеет принципиальное значение для множества автономно функционирующих систем.

Источники информации

1. «Введение в молекулярную электронику», под ред. Н.С. Лидоренко, М.: Энергоатомиздат, 1984 г., 273 с.

2. Козлов В.А., Тугаев П.А. Нелинейные эффекты при протекании тока в электрохимической ячейке. Электрохимия, 1996, том 32, №12, С. 1431-1435.

3. Абрамович И.А., Агафонов В.М., Дараган С.К., Козлов В.А., Харламов А.В. Разработка сейсмодатчиков на новых технологических принципах (молекулярная электроника). Сейсмические приборы, Вып. 31. Москва: ОИФЗ РАН, 1999 г.

4. Егоров Е.В, Егоров И.В., Агафонов В.М. Self-noise of the MET angular motion seismic sensors. Journal of Sensors Volume 2015, Article ID 512645.

Изобретение может быть использовано в линейных и угловых акселерометрах и может найти применение в сейсмодатчиках, приборах для стабилизации движущихся объектов и инерциальной навигации. Предложена схема подключения к электронной плате молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из четырех электродов, помещенных в замкнутый корпус, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, в которой катоды подключены к двум соединенным с землей посредством резисторов R₁ и R₂ входам операционного усилителя, в обратной связи которого установлен резистор R₃, причем величины всех резисторов удовлетворяют соотношению R₂=R₁/(1-R₁/R₃). Величины резисторов могут удовлетворять условиям R₁/R₃<<1 и R₂/R₃<<1. Изобретение обеспечивает преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение, сохраняющего неизменными потенциалы катодов, обеспечивая тем самым линейность преобразования, и, одновременно, обеспечивающего меньшее по сравнению с аналогичными решениями потребление тока. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Схема подключения к электронной плате молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из четырех электродов, помещенных в замкнутый корпус, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, отличающаяся тем, что указанные катоды подключены к двум соединенным с землей посредством резисторов R₁ и R₂ входам операционного усилителя, в обратной связи которого установлен резистор R₃, причем величины всех резисторов удовлетворяют соотношению R₂=R₁/(1-R₁/R₃).

2. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что величины резисторов удовлетворяют условиям R₁/R₃<<1 и R₂/R₃<<1.