ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 1973 года по МПК H01G9/22 

11зобретеиие относится к облает усовершеиствоваиия прео|бразователей электрических сигналов для измерительной и вычислителыюй техники и аругих устройств, а ботающих в о бласти инфранизких частот и вытолиеиных на осиове ртутно-каиилл ярных интегри рующих электрохимических элементов. Известиые в настоящее 13ремя ртутно-каоиллярные электрохимические приборы выполняют несколько ограниченное число преобразований с электрическими сигналами. Преобразователь по данному изобретению отличается от известных тем, что в «ем третий электрод вьгиолнен в виде заполненной жидким металлом трубки из диэлектрического материала, расиоложеаной концентрично с зазором ио отношению к капиллярной трубке, что позволило расширить его функциональные возможности, упростить конструкцию и технологию сборки. Па фиг. 1 изображен эскизно электрохимический функциональный гареобразователь (без корпуса); на фиг. 2-принципиальная схема ею /включения в частотно-импульсном режиме использования; на фит. 3 - схемный символ преобразователя; на фиг. 4 - блок-схема устройства для преобразовапия сигналов в частоТНо-имцульсный код с использованием предлагаемого эле1ктрохимического функционального преобразователя. Электрохимический ф}Ч кциональный нреобразователь конструктивно вьиполиен в следуюп;е-м виде. Наружная ка-пилляриая трубка / с внутренним диаметром 0,6-1,0 мм заполняется ртутью, разделенной каплей электролита, содержап его ионы ртути. В наружную капиллярную трубку / помещают внутреннюю капиллярную трубку 2 с внешним диаметром, меньшим внутреннего диаметра наружной капиллярной трубки, и с внутренним диаметром 20-100 -ПК. Внутренняя капиллярная трубка заполнена ртутью и загерметизирована в месте ввода в нее металлического электрода 3 (рабочий электрод) компаундом, например, iia основе эпоксидной смолы. Открытый конец внутренней капиллярной трубки с ртутью расположен в электролите, а металлические электроды 4 и 5 в паружной капиллярной трубке / образуют контакт с ртутью. Электрод 3 является у1правляюп;им, а электрод 4 - общим. Все электроды выполнены иякелевымп. Паруж1ная капиллярная трубка / вместе с электродами 4 и 5 и внутренней капиллярной трубкой 2 герметизируется с образованием демпфирующих возд шных (с инертной средой) зазоров. Для придания прибору механической прочности он может быть иомещен в металлический корпус п залит герметизирующим эластичным компаундом.

Работает лреобразователь следующим образом.

Интегрирование с использованием считывания информации по сопротивлению осуществляется при лропускании постоянного тока управления между электродами 5 и 5 и считыванием значения на переменном токе между электродами 3 vi 4 либо при пропускании постоянного тока между этими электродами считьшамием значения сопротивления на переменном токе между электродами 3 и 5 (фиг. 1). Изменения сопротивления Д/ осуществляется в случае:

а)изменения уровня заполнения трубки 2 ртутью при протекании электрохимических реакций, связанных с прохождением постоянного тока между электродами 5 и 5 либо .

В первом приближении можно записать

А/. ь,-:,(1)

«JBH

где РЭЛ - удельное сопротивление элекцролита, ом. см;

/х 0- /тах-расстояние от oTKipbiToro конца внутренней капиллярной трубки до мениска ртути в нем, см;

5вн - площадь поперечиого сечения по внутреннему диаметру внутренней капиллярной трубки, см

б)изменения поверхности капли ртути па открытом конще внутренней капиллярной трубки 2 при протекании постоянного тока между электродами 3 и 5, либо 3 v. 4.

В первом приближении также можио записать, что

R РпОВ- ЭХВ :

-г1

лс ° сif)

- - экв-к1)- ,

где РПОВ - удельное поверхностное сопротивление на границе ртуть-электролит, ом.

Д5г)кп - Изменепие эквивалентной поверхности капли ртути;

uf BH-внутренний диаметр внутренней капиллярной трубки, ел;

SsKu. кр-эквивалентная поверхность 1капли ртути, см, соответствующая такому ее размеру, при котором происходит отрыв ее во внутренней капиллярной трубке либо за счет гравитационных сил, либо за счет сил поверхностного натяжения при ее контакте с поверхностью ртути в наружной капиллярной трубке. (Под эквивалентной поверхностью каоли ртути понимается поверхность, которую имела бы капли ртути при условии равномерного распределения на ней плотности тока считывания).

В случае управляемого сопротиозлення с использованием принципа по п. б) при достижении Rmax происходит автоматически сброс его в исходное состояние Rmhi. В ряде случаев такое устройство прибораможет быть полезным. Однако необходимо за.метить, что в этом случае имеет место значительно больший удельный вес реактивной составляюпхей (емкостной) в измеряемом полном значении сопротивления прибора, зависимого от текущего значения R, чем в случае по п. а).

Электрохимический функциональный преобразователь может быть использован и в качестве реле времени с образованием ртутного контакта IB момент его срабатывания. Ртуть из внутренней капиллярной трубки переносится за счет электрохимической реакции при пропускании электрического тока между электродами 3 и 5 или 3 и 4 на требуемую длину /л(фиг. 1), внутренняя капиллярная прубка при этом своим открытым концом находится в электролите. Затем также с помощью электрического тока, пропускаемого между электродами 5 и 4, объемы ртути перераспределяются и открытый конец внутренней капиллярной трубки 2 оказывается погруженным в ртуть. На этом заканчиваются все иодготовительные операции.

С момента начала отсчета времени между электродами 3 и 4 пропускается рабочий ток /раб- таким образом, что катодом является электрод 3. Внутренняя капиллярная трубка

5 благодаря электролизу заполняется ртутью, электролит вытесняется в паружную капиллярную трубку }. Когда весь электролит из трубки 2 вытеснится, в ней происходит замыкание ртути с ртутью в наружной капилляр0, ной трубке / и образование ртутного контакта между электродами 3 и 4. Повторное использование прибора в таком режиме предполагает перераспределение объемов ртути в наружной капиллярной трубке 1 таким образом,

5 4TOi6bi открытый конец внутренней каоилляриой трубки 2 оказался в электролите. Подготовптел1)Ные операции повторяются.

Время задержки /з в первом приблил ении может быть записано следующим образом:

/л(3)

t, -- К,

где К - каэффицие|НТ пропорциональности, зависящий от конструктивных параметров

электрохимического функционального преобразователя и свойств используемой электрохимической системы.

Время задержки 4 может варьироваться в широких пределах, от 10 до Ю сек.

Генерация низкочастотных сигналов с управляемой частотой может быть осуществлена электрохимическим функциональным преобразователем следующим образом. Пропуская ток подстройки между электродами 5 и 4, выбирают расстояния между открытым концом внутренней капиллярной трубки 2 и мениоко.м в наружной капиллярной трубке, при котором образовывающаяся на торце трубки 2 капля ртутя срывается с него силами поверхностного

натяжепия в момент касания мениска ртути.

Выполненные оценочные расчеты показали, что HNreeT место соотиощение

/,ф.п.(/-,)„„,, -Н-, (4)

I -(1Л:)я J

где /крвт - максимальное раостоя.ние между открытым .«ондом внутренней калиллярной трубки и мениском ртути в наружной капиллярной Т1рубке, см;

« - критический радиус капли ртути, еж;

(Т - коэффициент поверхностного натял един

ПИЯ, ;

см

/о -.внутренний диаметр внутренней капиллярной трубки;

pHg-ллоткссть раствора, г/см

р -плотность раствора, г/см ;

g - ускорение силы , см/сек.

Частота генерации / определяется радиусом капли ртути Гк, который в свою очередь рассчитывается по законам электролиза Фарадея с использо-ванием параметров электрической схемы управления и приложенного напряжения. При / /ICPHTи,

/ - К,

Kz - :ксэффициент пропорцпональиости.

Диапазон частот генсрагцпи составляет 1 -10- гц. Напряжение управления должно быть таким, чтобы на самой электрохимической ячейке управления определяться, как правило, уровнем действующей помехи.

В момент -касашия капли, образовавшейся на торце трубки 2, поверхности меи.пска замыкаются электроды 3 и 4 (фиг. 1). Возникающий при этом перепад напряжений в точке соединения сопротивлений 6 п 7 делит-еля напряжения (фиг. 2) в виде импульса длительностью, равной .времени замыкания электродов 3 и 4, передается через разделительную емкость 8 1на усилитель я затем, если это необходимо, на схему счета импульсов. Схемный символ электрохимического функциояалыного преобразователя (фиг. 3) имеет управляющий электрод 9, рабочий электрод 10 и общий электрод 11.

Преобразовапие интеграла тока в частоту следования импульсов может быть реализовано следующ1им образом. 11з 1сряемый ток пропускают между электродами 5 и 4, а напряжение управления ирикладывают между электродами 3 И 5 (фиг. 1). Подачей напряжения подстройки ип (фиг. 2) выбирают исходное значение расстояагия /о между открытым концом внутренней капиллярной трубки 2 } мениском ртути в наружной капиллярной трубке /. Током настройки нерераспределяются объемы ртути в течение времени подстройки. В исходно-м состоянии преобразователя частота генерации прибора / /о. Режим генерации в преобразователе диалогичен описанному выше для случая генератора низкочастотных с;ггналов с уиргл ляемой частотой с тем лншь различием, что при.тоженное между электродамп ,3 и 4 напряжение управления остается постоянным. Расстояние / изменяется за счет протекания тока между электродамп 4 и 5 в следую цпх пределах /о±А/, причем

/о -|- Л / т и л- Sj /I; ь г. т

,.., ,

где /Сз - коэффициент про(порционально1сти, зависящий от конструкции преобразователя и выбранной электрохимической системы.

Изменение значения / приводит к изменению частоты генерации преобразователя, при этом

/-/,(/,|г„з„ / ,

0

т. е. i7y выполняет роль коэффициента пропорциональности, определяющего чувствительность преобразования в частоту следования и.мпульсов;

/ j-коэффициент, зависящий от кснструк5 преобразователя и выбранной электрохимпческой системы.

Расстояние / может быть измерено не только ьутем перераспределения объемов ртути в трубке 1, но и изменением формы ее мениска

0 при пропускании переменного тока между электродами 5 и 4.

В этом случае (со,/4) f/y, где ы и /1 - частота и амплитуда переменного сигнала между электродами 5 и 4.

В этом случае предлагаемый электрохимический функциональный нреобразсватель может быть лс юльзовап в качестве частотно-импул1 с 1ого модулятора высокочастотного периодического сигнала, а также в качестве уст0ройства умножения, преобразующего произведешге на1пряжения постояпаюго тока t/y и напряжение неремекпого тока Vn в частоту следования импульсов.

И, наконец, предлагаемый преобразователь может быть использован в качестве модулято.ра инфрапизкочастотных н&рподическнх снгналов в частотно-импульоный код. Прп этом должно быть соблюдено услс/вне: частота модулируемого перноднческого сигнала

0 быть мпого меньше несупгей частоты /о, соответствующсг /о. Расстояние /о « случае ыб 1рается из словия получения требуемой максимальной девиации частоты при этом / /о±А/т„х соответственпо

5 . .Модулируемый сигнал подается между электродами 5 и 4 в соответствии со схемой включения прибора, иоказапной на фиг. 3. р эт:)м случае текуигему значению входного сигнала соответствует частота генерируемых

0 импульсоВ /о±Д/, где Л/ 0- -А/та,.

Перечисленные выше функции преобразователя, кроме нптегрировапия с памятью и считыванием информани.и на пepeдieннo r токе, а также пспользовашием его в виде реле времемм с образованием ртутного конта та, могут б|)Ггь реализованы и с применением рабочего электрода другой кo ;-ктpyкпии. Он может быть ()Л11ен г использованием мпкропровода с химически стойким : 1золируюп1им покрытием.

0 Торс; лшкропровода г налог 1Ч11;) торцу трубкп 1 не .имеет изолир юп1;его покрытия п находится в контакте с электролитом. Один коiicu рабочего электрода вставляют во внутреппюо ;|0. ,-|ляр - ой трубки / И герметическ; закрепляют комПаундом, другой - присоединяют к кантактно-му выводу и иьпользуют 3 качестве токоподзода. Материал рабочего электрода, соприкасающийся с электролитом, является по отношению к нему электрохи.ммчески стойким. Для этого может быть использовапя, например, платина. Работа прибора аналогично описанной ранее с той лишь разницей, что капля ртути образуется не от ртути на торце электгрода, а на открытом мегаллическом конце рабочего электрода.

Электричесюие сигналы в -виде импульсов г1.алряжен;|я или тока в зависимости от выбранных соотношений значеНИЙ сапротивлений 6 1 7 (фиг. 2) 11 диапазона внутреннего сопротивлешш самого преобразователя между электродами 9 п 10 (фиг. 3) поступают на усил-ятель 12, который созмеияеи с ключевой схемой и осуществляет усилеиие импульсов со схемы 13 толыко в течение времени регистрации грегИмпульсы с усилителя 12 поступают на счетчик 14, KjT jpbui имеет счетный ход и с которого состояние считывается через время /per подачей соответствующих оигналов на ключ; 15, ..., 15 . Тогда частота следо1вания импульсов в течение времени fvcr может быть определена

п

где п - число импульсов, лросчикак П р I

таи1ных за вре.мя /РСГ. В случае необходимости ;io заданаюй программе счетчнк может сбрасываться в исходное (незаполкенлое) состояние. Считываемая со счетчика информация требуемым образом преобразовываться и ввод 1ться в ЦВЛ1 для последующей обработки.

П р е д м е т и з о б р е т е и и я

Электрохимический 1преобразовател1, содержащий капиллярную трубку из д;1электрического материала, внутренняя полость которой ; аполнс1:1а жидким металлом, разделенным электролитом с HOisaMH жидкого металла, и три электрода с токоотводами, отличающийся тем, что, с целью расщпрения функциональных зозйгожностей, упрои1,ения конструа ции и технологии сборки преобразователя, в HejM третий электрод выполнен в йиде заполненной жидким металлом трубки из диэлектрического материала, колиентрично расположенной с зазором по отношению к капиллярной трубке.

- KoMTiayi o

Ртути

C iiimb §uHue

Фиг. 4