Многоэлектродный электрохимический преобразователь Советский патент 1978 года по МПК H01G9/22 

1

Изобретение относится к приборостроению, а более конкретно к электрохимическим иреобразователям с обратимыми окислительнойосстановительными системами.

Предлагаемый преобразователь может быть использован для усиления и интегрирования электрических сигналов, например, в моделирующих устройствах, в измерительной и вычислительной технике.

Известны электрохимические преобразователи концентрационного типа, герметичный корпус которых заполнен электролитом и содержит связанные между собой резервуар и интегральный отсек. Расположенные в этих отсеках три и более электрода служат для ввода входного сигнала, считывания выходного сигнала и предотвращения естественной диффузии реагента между отсеками. Эти преобразователи имеют объемную, планарную или бииланаряуюкояструкции, отличающиеся технологией производства и электрическими параметрами 1. В преобразователях объемной конструкции применяются цилиндрические прецизиоиные блоки из специального стекла и керамические втулки. Они предназначены для объединения, разделения и крепления деталей прибО|ра, в том числе круглых электродов из платиновой фольги, сетки или графита. В сплавленном виде блоки представляют собой компактную конструкцию, ее достоинство -

возможность обеспечения относительно стабильной величины входного сопротивления 2. Сзщественным недостатком преобразователей объемной конструкции является уровень технологии промышленного производства, что затрудняет достил ение малого расстояния между электродами интегрального отсека для повышения чувствительности и верхней граничной частоты. Недостаток преобразователей планарной н бипланарной конструкции состоит в значительной зависимости входного сопротивления от концентрации реагента в интегральном отсеке, а следовательно, от дианазона интегрирования. Это прнводит к необходимости ограничивать диаиазон интегрирования или увеличивать доиолнительное сопротивление во входной цепи интегратора и в результате к синжению чувствительности по нанряжению при интегрировании сигналов низкоомпых и низковольтиых источников, например электрохимических датчиков. Общим недостатком известных преобразователей является наличие только одного входа, поэтому для интегрирования сигналов нескольких, например двух, источников иеобходимо применение коммутатора или иного другого устройства, разделяющего эти источиики. Например, с этой целью в устройстве интегральной оценки вход иреобразоьателя периодически переключают от источника сигнала к генератору импульсов, ЬозвраЩающих Преобразователь в начальное состояние, При этом о рез льтате интегрирования судят по числу Коммутаций, что вызывает погрешность ввиду потери информации во время отключения ее источника. Кроме того, во всех известных конструкциях преобразователей одна или обе стенки интегрального отсека служат также стенками корпуса преобразователя и резервуар расположен со стороны только одной стеики интегрального отсека. Такое взаимное расположение интегрального отсека и резервуара приводит к различию тепловой инерционности заполняющих их объемов электролита, а следовательно, и режимов работы электродов, экранирующих эти отсеки. Результат этого - дрейф нулевого уровня выходного сигнала при колебаниях температуры окружающего воздуха. Известен многоэлектродный электрохимический преобразователь концентрационного типа с интегральным отсеком бипланарной конструкции и с расположенным вокруг .него резер|вуарОМ 3. У плоскости интегрального отсека круглая форма, такая же форма « у размещенных в нем общего и считывающего по переменному току электродов, а остальные электродыконцентрично расположены относительно этих электродов и имеют жольцевую форму. Интегральный отсек сообщается с р-езервуаром через кольцевую щель с находящимся в :пей экранирующим резервуар электродом, а выводы электродов перпендикулярны к их ллосиостям. В этом преобразователе, несмотря на приведенные отличия конструкции, сохраняются недостатки известных преобразователей. Так, расположение выводов электродов перпендикулярно к их плоскостям снижает технологичность конструкции в сравнении с плоскостными конструкциями преобразователей, в которых выводы электродов параллельны их плоскостям. Этот недостаток обусловлен кольцевой формой электродов и расположением резервуара относительно плоскостей интегрального отсека, затрудняющих изолированный вывод электродов параллельно их плоскостям. Концентричное расположение электродов кольцевой формы вокруг интегрального отсека приводит к умепьщению поперечного сечения щели со считывающим по постоянному току электродом относительно щели с экранирующим резервуар электродом. Поэтому входное сопротивление преобразователя в основном определяется концентрацией реагента вблизи интегрального отсека, зависящей от диапазона интегрироваиия. Этот преобразователь принципиальио может иметь только один вход, что обусловлено наличием только одного входного и одного общего электродов, поскольку наличие большего числа этих электродов в резервуаре и в интегральном отсеке не позволит выполнить несколько раздельных входов ввиду гальванической связи между ними через электролит. Кроме того, плоскости интегрального отсека расположень на бтёНках корпуса и не граничат с резервуаром. Поэтому колебания температуры окружающей среды так же влияют на дрейф нулевого уровня выходного сигнала преобразователя. Цель изобретения - повышение технологичности конструкции и точности работы известного преобразователя. Это достигается тем, что в многоэлектродном электрохимическом иреобразователе, содержащем заполненный электролитом герметичный корпус, состоящий по крайней мере из одного резервуара, в котором размещен входной электрод, и интегрального отсека биплапарной конструкции с концентрично расположенными в нем по меиьщей мере одним считывающим, экранирующим и общим электродами, плоскости интегрального отсека выполнены в виде полукруга с входным отверстием в одной или каждой из них вблизи середины прямолинейного ребра и расположены па стенках, общих с резервуаром, а электроды интегрального отсека имеют форму полукольца и расположены концентрично отиосительно входного отверстия, причем выводы электродов размещеиы параллельно плоскостям и перпендикулярно к прямолинейным ребрам интегрального отсека. Другое отличие преобразователя состоит в том, что экранирующий резервуар электрод расположен на поверхности входного отверстия. Эти отличия обеспечивают технологичность конструкции предлагаемого преобразователя, как у известиых преобразователей, бипланарпой конструкции, и одновременно относительную стабильность входного сопротивления, как у известных преобразователей объемной конструкции, а также уравнивание температурных режимов интегрального отсека и резервуара, отсутствующие у известных преобразователей. Кроме того, с целью обеспечения возможиости непосредственного подключения к двум независимым источникам электрического сигнала, предлагаемый преобразователь имеет резервуар с входным электродом со стороны каждого входного отверстия интегрального отсека. При этом входные электроды оказываются расположенными в отдельных резервуарах, разделенных общими с интегральным отсеком стенками и сообщаемых с ним и друг с другом через входные отверстия интегрального отсека с низкой концентрацией реагента в них относительно концентрации в резервуарах. Возможность введения в преобразователь дополнительного входного электрода, отсутствующего у известных преобразователей, обусловлена конструкцией интегрального отсека и размещением в нем электродов и их выводов. Иа фиг. 1 изображен общий вид преобразователя в разрезе; на фиг. 2 - узлы преобразователя в разрезе; на фиг. 3 - одна из плоскостей иитегральпого отсека в плапе с электродами и их выводами; на фиг. 4 показаны условное графическое изобрал ение и схема включения преобразователя.

Преобразователь содержит корпус 1 с расположенпыми в нем резервуарами 2 и 3 и интегральным отсеком 4. Резервуары ограничены стенками 5 и 6 и стенками 7 и 8, причем последние являются также стенками интегрального отсека 4 и имеют входные отверстия 9 и 10, через которые все отсеки преобразователя сообщаются друг с другом. На внутренних поверхностях стенок 5 и 6 резервуара расположены входные электроды И и 12, во входных отверстиях 9 и 10 - экранирующие резервуар электроды 13 п 14, а на внутренних повер.хпостях стенок интегрального отсека (на плоскостях интегральпого отсека) - считывающий 15 и общий 16 электроды. Электроды 13 и 16 имеют форму полукольца, а электроды 13-14 - также и форму цилиндра, поскольку расположены еще и на поверхностях входных капиллярных отверстий 9 и 10.

Плоскость интегрального отсека 4 на каждой из стенок 7 и 8 выполнена в виде полукруга. На одной плоскости расположены электроды 13 и 15, на другой - электроды 14 и 16. Выводы этих электродов расположены параллельно плоскостям и перпендикулярно к их прямолинейиым ребрам. Необходимое углубление плоскостей в стенки 7 и 8 получено одновременно с прощивкой в них входных отверстий 9 и 10 средствами ультразвуковой механической обработки. Материал стенок 5-8 - стекло платиновой группы, инертное к электролиту; после сплавления этих стенок преобразователь представляет собой монолитную конструкцию. Электролит - раствор йодистого калия и йода в воде или диметилформамиде; заполняется преобразователь электролитом через трубки в стенках 5 и 6 (на фигурах не показаны), после чего эти трубки завариваются. Для тренировки и работы преобразователя между его в.ходным И и экранирующим 13 электродами резервуара 2 включен источник поляризующего напряжения EI, между входным 12 и экранирующим 14 электродами резервуара 3 - источник поляризующего напряжения EZ, а между считывающим по постоянному току электродом 15 и общим электродом 16 интегрального отсека 4 - источник поляризующего напряжения Е, иоследовательпо с сопротивлением нагрузки Ru. Величины ианряжения между электрода.ми не превышают 0,7 В для водных растворов электролита или 1,58 - для растворов в диметилформамиде.

Клеммы «Вход 1, соединенные с входным 11 и общим 16 электродами, служат для подключения одного из источников интегрируемого электрического сигнала, клеммы «Вход 2, соединенные с входным 12 и общим 16 электродами, - для подключения второго такого источника.

Работает преобразО15атель следующим образом.

С подключением источников интегрируемых сигналов по входам «Вход 1 и «Вход 2 преобразователя через его входные цепи проходят входные токи. Величина каждого из них определяется напряжением и внутреппим сопротивлением соответствующего источника сигнала, а также внутренним сопротивлением каждой входной цепи преобразователя и общей для пих концентрационной ЭДС. Впутреннее сопротивление каждой входной цепи преобразователя в основном определяется сопротивлением электролита во входном отверсти;: 9, 10 и вблизи него со стороны интегрального отсека 4, поскольку поперечное сечение

этого участка электролита меньше, чем в интегральиом отсеке 4 и вблизи от него, а концентрация реагента в нем убывает по экспоненциальному закону в направлении от резервуара 2, 3 к интегральному отсеку 4. Величина этой концентрации в основном определяется концентрацпей реагента в резервуаре 2, 3, а также эффективностью экранирующего резервуар электрода 13, 14, зависящей от его геометрических размеров: радиуса и длины

входного отверстия 9, 10, ширины полукольца каждого экраиирующего резервуар электрода 13, 14 и ширины щели между ними. В этой щели концентрация реагента изменяется в меиьшей степепи, чем в интегральном отсеке 4

и вблизи пего, а в отверстии 9, 10 она постоянна. Поэтому внутреннее сопротпвление каждой входной цепи преобразователя относительно постоянно, а величина его в осиовном определяется сопротивлением электролита во входном отверстии 9, 10. При этом можно иренебречь сопротивлением электролита в общем для обеих входных цепей участке электрод 13, 14 - общий электрод 16 и падением напряжения на этом участке от проходящего по нему

входного тока, а следовательно, п взапмным влиянием входных цепей преобразователя.

Пропорционально алгебрапческой инierpa;iOB входных токоз изменяется концентрация реагента в интегральном отсеке 4 межДУ считывающим по иостояниому току электродом 15 п общим электродом 16. Это сопровождается измеиепием выходного тока преобразователя, проходящего через сопротивление иагрузки. Наличие двух входов расширяет

функциональные вoз ioжпocти преобразователя, упрощает устройство на его осиове и иовышает их точность. Так, при использовании этого преобразователя в устройстве интегральной оценки к его входам пепосредственпо и постояпко подключены; к «Входу 1 - источник интегрируемого электрического сигнала, к «Входу 2 - генератор 1 мпульсов, возвращающих преобразователь в начальное состояпие. В таком устройстве исключеиа погрешпость иигегрироваипя, обусловлениая потерей информации во отключения входа преобразователя от источника пнтегрируемого сигнала п иодключепия к генератору импульсов. Если заряд двух импульсов установить

равным емкости иитегрального отсека, погрещ