Преобразующий элемент электрокинетического датчика механических и электрических величин Советский патент 1983 года по МПК H01G9/22 

Изобретение относится к измерительной технике и автсялатике, в частности к молекулярно-электронным злектрокинетическим преобразователям информации.

Преобразующий с герметично присоединенными к нему упругими элементами образуют электрокинетический преобразователь.

Существуют различные типы преобразующих элементов электрокинетических преобразователей, в которых происходит электрокинетическое пре-° образование механической энергии, находящейся в преобразующем элементе жидкости, в электрический сигнал.

Известен преобразующий элемент, содержащийся в электрокийетической ячейке, который включает полый, открытый в двух местах полиэтиленовый корпус, пористую преобразующую мембрану ( перегородку ), сетчатые электроды, прилегающие к преобразующей мембране, проволочные токовыводы, соединенные с электродами и выведенные сквозь тело корпуса наружу корпусами рабочую жидкость til.

Недостатками известного преобразующего элемента являются негерметичность корпуса, обусловленная диффузией через негр паров рабочей жид-. кости и воздуха, и трудности, связанные с осуществлением герялетичной стыковки к корпусу гибких упругих элементов, выполненных из металла и других непроницаемых для диффузии газов материалов. Это приводит к тому, что преобразователи с из10вестным преобразующим элементом имеют очень ограниченный ресурс работы.

Известен также преобразующий элемент, содержащий полый, открытый в

15 двух местах стеклянный корпус, пористую стеклянную преобразукадую мембрану (диск), вплавленную в корпус, сетчатые алюминиевые электроды, прилегающие к преобразующей мембране,,

20 токовыводы, представляющие собой металлические кольца, окаймляющие края корпуса, электрически соединенные с электродами, и рабочую жидкость (ацетонитрил) С 2. 25

Недостатками этого преобразующего элемента являются непрочность конструкции и сложность технологии его изготовления.

Наиболее близким к предлагаемому

30 по технической сущности и достигаем му результату является преобразую щий элемент электрокинетического пр образователя механических величин, содержащий полый, открытый в двух местах керамический корпус (кольцо в котором установлена пористая преобразующая мембрана { пористый керамический диск), разделяющая корпус на две части, порошковые электроды, нанесенные на поверхности пр образующей мембраны, токовыводы, представляющие собой металлические кольца, окаймляющие края керамического корпуса, электрически соединен ные с электродами,и рабочую жидкость (ацетон) СЗ. Недостатки указанного преобразую щего элемента обусловлены невозможностью использования при воздействии на преобразователь ботьшик ме ханических нагрузок и сложностью технологии его изготовления. Цель изобретения повышение устойчивости электрокинетического пре образователя к механическим воздействиям и Упрощение технологии его изготовления. Поставленная цель достигается те что в преобразующем элементе электрокинетического преобразователя ме ханических и электрических величин, содержащем открытый цилиндрический корпус, установленную внутри корпуса пористую праобразующую мембрану, раэделяюцу внутреннюю полость сорпуса ва .цзе частИ; элактро.ць;, закреплевные на поверхностях преобразующей мембраны, токовыводьз, соединенмые с электродами, корпус выполнен из металла, электроды с становле ны в центральной части мембраны с зазором относительно корпуса, равным толщине мембраны, а отношение дйгиметра к ее толщине находится в пределах 10-12. Предлагаемый элэкхрокинет1-гческий преобразующий элемент производит преобразованиз перепада давления дР на преобразующей мембране,, создавае мого внешним кзмёряе шпд механическим сигналом, в электрический сигнал. Состав рабочей жидкости и мате риал пористой мембраны подбираются такимр что в порах мембраны на границе раздела жидкость - твердое теле образуется двойной электрический слой , униполярно заряженных подвижных сольватированных ионов с избытком в ЖИДКОЙ фазе. При наложении перепада давления &Р, вызванного измеряер ым механическим сигналом на преобразующую мембрану, в порах возникает течение жидкости. Это течение j/Ёлекает подвижные униполярно заряженные ионы, создавая Е порах электрокинетический ионный ток, величина которого благодаря разделению электрических зарядов электронейтральной/ в целом рабочей жидкости в неоднородном электрическом поле устья поры пропорциональна л Р. Генерированный в порах ток путем электрохимической реакции на электродах или перезарядки двойнослойной электрической емкости (при переменном течении ) переходит в электронный ток 3 металлического проводника и через токовыводы выводится наружу корпуса. При протекании тока О через нагрузочное электрическое сопротивление на последнем создается регистрируемое пропорциональное ЛР электрическое напряжение dU, Некоторая часть,тока при отличном от нуля значении 4U течет обратно через мембрану, электрическое сопротивление которой равно Rj,,. Е1еобходимым условием работы преобразующего элемента является диэлектрическая развязка электродов (электрическая изоляция электродов друг от друга). Только при наличии такой развязки вqзмoжнa регистрация отличных от нуля значений G и лО. Это обстоятельство не позволяет в известных конструкциях использовать металлы для изготовления корпуса преобразующего элемента, так как наличие металлического корпуса привело бы к короткому замыканию электродов. В известных конструкциях диэлектрическая развязка обеспечивается благодаря тому, что корпус выполнен из диэлектрического материала. Однако это приводит к уменьшению прочности электрокинетического преобразователя и значительнрму усложнению технологии его изготовления. Предлагаеа ая конструкция свободна от указанных недостатков, поскольку в ней выполнен из металла материала, более прочного, чем стекло, к.ерамика, полиэтилен, а диэлектрическая развязка, в отличие от известной конструкции, достигается использованием специальной, описанной выше, конфигурацией расположения электродов и корпуса и введением в корпус электрических проходных изоляторов. Выполнить такую конфигурацию и герметично установить изоляторы в металлический корпус технологически значительно проще, чем создать, как это требуется в известной конструкции, протяженное герметичное соединение диэлектрического корпуса с металлическим кольцом, с окаймляющим края корпуса и несущим значительную механическую нагрузку. Для того, чтобы предлагаемый преобразующий элемент функционировал без снижения коэффициента преобразования перепада давления в электрическое напряжение йУ, связанного с обратными токами утечки, необходимо чтобы электрическое сопротивление среды рабочей жидкости, находящейся во внутренней полости корпуса между электродом и корпусом Ry, было значительно больше, чем электрическое сопротивление заполненной ра бочей жидкостью преобразующей мембраны Rgr. Практически достаточно, чтобыКэи было в 10 ра-з меньше, чем Rg. Это условие выполняется в том случае, когда диаметр мембраны в 10-12 раз превышает толщину мембра; ны, а электроды прилегают только к центральной части мембраны с зазором между краями электродов и корпусом, равным толщине мембраны. При выполнении условия 10 Rjj дение коэффициента преобразования uU вследствие появления обратных , токов утечки через электрическое со ротивление Rj не превышает 10%, что во многих случаях несущественн для работы преобразователя. К сниж нию полезного выходного электричес кого сигнала может привести также утечка электрического тока через сопротивление среды рабочей жидкос ти между токовыводом и корпусом R Для того, чтобы избежать этого и пр дать преобразующему элементу наибо льший коэффициент преобразования (чувствительность), в предлагаемой конструкции участки токовыводов, на ходящиеся внутри корпуса, защищены электроизоляционным материалом, химически устойчивым в рабочей жид,кости. Это приводит к увеличению RTK и тем самым к увеличению и. На чертеже, показан преобразующий элемент. Элемент содержит цилиндрический корпус 1, выполненный из нержавеюще стали, в котором с помощью стеклоцемента закреплена преобразующая мембрана 2, представляющая собой спеченный из стеклянного порошка, плоский диск, диаметр D которого в 10 раз превышаетего толщину h, на центральную часть преобразующей мем браны напылены тонкие никелевые пленки 3, играющие роль электродов, причем у краев мембраны кольцевые участки 4 поверхности мембраны шириной h оставлены незапыленными никелем, ТС никелевым пленкам приварены одними концами никелевые проволоки 5, игракмдие роль токовыводов, другие концы проволок приварены к центральному металлическому стержню 6 электрического стеклянног,о проходного изолятора типаисШ-1, -630-А ОЖР 487. ООТУ, наружная мета лическая шайба 7. которого впаяна в корпус преобразующего элемента, Ток выводы 5 защищены электроизоляционным покрытием, которое представляет собой фторопластовые трубки 8, оде- тые на никелевые проволоки так, чтобы концы трубок упирались в стёклян.ную часть 9 электрических изоляторов, В качестве рабочей жидкости 10 используют ацетон. Предлагаемый преобразующий эле-л ; мент может быть использован во всех типах электрокинетических преобразователей, в частности в электрокинетических акселерометрах и преобразователях перепада давления. Улучшение прочностных характеристик электрокинетического преобразователя, в котором используется предлагаемый преобразующий элемент, обусловлено тем, что конструкционные металлические материалы явл.яются значительно более прочными, чем конструкционные диэлектрические материалы. При использовании преобразующего элемента с металлическим корпусом вместо преобразующего элемента с керамическим корпусом технология изготовления электрокинетического преобразователя упрощается. Это связано с тем, что сложный т-эхнологичес-кий процесс получения прочного, герметичного, достаточно протяженного соединения керамического корпуса с металлическим кольцом, на котором : крепится уттругий элемент, заменяется на относительно простой процесс впаивания наружного металлического кольца проходного изолятора . в металлический корпус, Формула изобретения Преобразующий.элемент электроки-нетического датчика механических и электрических величин, содержащий заполненный рабочей жидкостью цилиндрический корпус, установленную внутри корпуса пористую преобразующу о мембрану, разделякяцую внутреннюю полость корпуса на две части, электроды, закрепленные на поверхностях преобразующей мембраны, токовыводы, соединенные с электродами, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости преобразователя к механическим воздействиям и упрощения технологии его изготовления, корпус выполнен из металла, электроду установлены в центральной части мембраны с зазором относительно корпуса, равным толщине мембраны, а отношение диаметра мембраны к ее толщине находится в пределах 10 - 12,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Касимзаде М.С, и др. Электоо кинетические ппеобоазователи инфоомации. М., Энеогия. 1973, с. 83.

2.Патент CulA № 2644900, кл, 310-2. 1953.

3, Домбковский Я. и до. Электоокинетический поеобоазователь для измерения механических величин. В сб..Научные приборы СЭВ, Комитет по научно-техническому сотрудничеству, M.f 1974, №4,с, 3( прототип S .