ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ИНТЕГРАТОР Советский патент 1973 года по МПК H01G9/22 

Изобретение относится к измерительной технике и служит для интегрирования электркческих величин. Известные электрохимические интеграторы, содержащие ртутно-электролитический кулонометр и систему электрического считывания, основанные на различных принципах, имеют заметную температу;рную погрешность. Целью изобретения является уменьшение погрешности считывания за счет уменьшения влияния температуры и улучшения резонансных свойств управляемого резонатора. В предлагаемом устройстве эта цель достигается снабжением интегратора дополнительной камерой, аналогичной основной, и соединенной с ней каналом с пористой перегородкой, а также подключением электродов в объемах, заполненных электрохимически неактивным электролитом, через усилители положительной обратной связи к устройству сравнения. На чертеже изображен предлагаемый интегратор. Он содержит два капилляра /, 2, соединенных между собой трубкой 3, внутри которой находится пористая перегородка 4, напри.мер стеклянный фильтр. Капилляры заполнены столбиками ртути 5, 6, 7, 8 и столбиками раствора сильного электролита 9, 10, 11, 12, не содержащего легко восста 1авливаемых катионов, например 1 н. водный раствор KI, а также столбиками электролита 13, 14, содержащими в достаточном для элсктрол-иза количестве ионы ртути, например водный раствор KI + Hglo. Между столбиками электролита 9, 10, 13, 14 и торцами капилляров имеются пузырьки из инертного газа 15, 16, 17, 18. Торцы обоих капилляров, после заполнения ртутью и электролитом, герметически закрывают крышками 19, 20, 21, 22. Капли ртути I столбики электрол1гга, не содер кап;его ионов ртути, контактируют с инертными, нанример платиновыми, электродами 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30. Электроды 26, 30 предназначены для подачи на них входного интегрирующего тока. Электроды 23, 24, 25 связаны соответственно с входом и выходом устройства обратной связи 31, а электроды 27, 28, 29 - с устройством обратно связи 32. Выходы 31 и 32 соединены с ттройством сравнения частот 55 измерительного устройства (устройства считывания). Устройства обратной связи 31 и 32 принципиально не отличаются от подобных устройств, применяемых в генераторных системах, и состоят из усилителя переменного тока и регулируемого фазовращателя. Устройства обратной связи 5/ и 32, электрическп соедпнсн1 ыо с соответств ющими

управляемыми резонаторами, образуют две независимые колебательные системы.

Таким образом, интегратор состоит из двух систем, собственно частота колебаний которых зависит от жесткости и колебательной массы электромеханического управляемого резонатора каждой системы. BbixoAiHbie сигналы в виде электрических сигналов тех же частот подаются на устройство сравнения 33, выделяющее разность частот колебаний, которая и является выходной величиной интегратора.

При самовозбуждении системы, включающей устройство обратной связи 31, на электроды 24, 25 нодается переменное нанряжение, которое создает неременную поляризацию поверхности раздела фаз ртуть - электролит 9-5 (возбудитель этой колебательной системы). Так как электролит 9 практически не содержит легковосстанавливающихся (окисляющихся) иоиов, то при поляризации (амплитуда переменного напряжения должна быть меньше Is) на границе раздела фаз ртуть - электролит электрохимические акты не происходят. Ввиду того, что поверхностное натяжение на границе раздела фаз зависит от поляризации ее, то происходит периодическая деформация поверхности раздела фаз возбудителя, что, в свою очередь, вызывает возвратно-поступательное движение ртути и электролита вдоль оси капилляра. При герметически закрытых концах капилляра такое движение возможно (ртуть и электролит практически несжимаемые жидкости в этих условиях) только благодаря изменению газовых объемов. Граница раздела фаз ртуть - электролит 5-10 (приемник автоколебательной системы) деформируется в виду различия гидродинамических свойств ртути и электролита, что вызывает периодическое изменение строения двойного электрического слоя, образовавшегося на этой границе раздела. В рез)льтате на электродах 25, 26 возникает переменное напряжение, которое нодается иа вход устройства обратной связи 31.

Соответствующим выбором коэффициента усиления и фазового сдвига устройства обратной связи осуществляется колебательный режим работы рассматриваемой системы.

Вторая колебательная система, образованная управляемым резонатором (капилляр 2 и устройством обратной связи 32, работает (в точности) аналогично описанной.

При одинаковых геометрических размерах обоих резонаторов и равенств масс столбиков ртути и электролита в них, а также равенстве газовых объемов, собственные частоты обеих систем равны, и на выходе устройства сравнения, которое может быть выполнено известными методами, сигнал отсутствуст. Разделение управляемых резонаторов пористой перегородкой 4, благодаря ее гидравлическому сопротивлению, практически исключает взаимное влияние при работе обеих систем.

При подаче на электроды 26, 30 интегрируемого сигнала, заданного электрическим током, происходит электрохимический перенос ртути из одного капилляра в другой в зависимости от полярности входного сигнала в соответствии с известными законами Фарадея, так как электролит 13, 14 этой системы содержит ионы ртути. РЬменение массы ртутч в каждом управляемом резон аторе (при уменьщении массы ртути п одном капилляре происходит увеличение ее в другом) вызывает изменение их собственных резонансных частот в соответстви с формулой

/ I / 2 f OToim g

Суммарная жесткость 2/С каждого управляемого резонатора практически не меняется во всем рабочем диапазоне и поэтому собственная частота колебаний обратно пропорциональна корню квадратному из массы ртути в капилляре, которая слагается из неизменной массы ртути и электролита гпо и переменной массы ртути, величина которой пропорциональна интегралу от входного (интегрируемого) тока по времени.

Соответствующим выбором геометрической формы внутреннего сечения капилляра может быть получена прямо пропорциональная или другая необходимая зависимость .между собственной резонансной частотой и интегрируемым током.

При изменении собственной резонансной частоты колебаний одной системы на Д/, т. е. (-ДД частота второй системы становится /2 /о-А/ (при начальном равенстве частот ), когда колебательная масса и жесткость обоих управляемых резонаторов преднолагаются соответственно равными, и на выходе устройства сравнения частот 33 сигнал отсутствует. При интегрировании на выходе устройства сравнения 33 появляется сигнал, равный 2Д/, который характеризует величину интеграла, что позволяет нрименять интегратор в следующем режиме работы. Если в начале интегрирования вся переносимая масса ртути находится в одном капилляре, то на выходе устройства 33 частота соответствует 2А/макс, 1при переносе ртути входным током наступает момент, когда 2Д/ 0, что вызывает срабатывание нуль-органа на выходе устройства сравнения 33, сигнал с которого может использоваться для нереключеиия полярности входного интегрирующего сигнала и для срабатывания счетчика количества циклов переключений.

При предлагаемой конструкции управляемых резонаторов, когда оба капилляра расположены практически рядом, изменение температуры окружающей среды оказывает одновременное и одинаковое воздействие на оба резонатора, что при принятой схеме построения интегратора приводит к практически пол