- . .I . ,.
Изобретение относится к приборостроению.
Известны водородные электройитичес кие приборы, позволяющие непосредственно интегрировать слабые токи и низкие напряжения. Благодаря своей простоте, надежности, небольшим размерам и удо&ству в эксплуатации эти приборы могут широко применяться в науке и в народном хозяйстве.
Водородные приборы содержат жид.--, кость - раствор электролита, водород И платиновые электроды. При прохождении интегрируемого тока в соответствии С законами Фарадея водород вьщеляется на катоде и поглощается на аноде. Возникающее изменение разности давлений водорода тем или иным образом в водородном приборе преобразуется в сигнал о прошедшем количестве электричества. Среди водородных интегралов различают .приборы с непосредственным (визуальным) отсчетом и датчики. В первых отс« чет ведется по положению мениска столба жидкости. Датчики же не предназначены для визуального отсчета. Они выдают, например, электрический сигнал.
Известны датчики, в которых каждый сигнал о прохождении заданного количества электричества используется также и для того, чтобы изменить направление интегрируемого тока через эти же датчики tn.
Недостатком датчиков этого типа является то, что для их работы требуется дополнительная электрическая с.хема, где в результате переключений ухудшаются метрологические параметры при интегрировании очень низких напряжений.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является датчик, представляющий собой.герметичный, стеклянный сосуд,внутренняя полость которого разделена на две части стеклянной пористой перегородкой, имеющей сквозное капиллярное отверстие. На сторонах перегородки находятся электроды вхрдной цепи. Электродами выходной цепи служит электрод расположенный в капнппярном отверстии, и один из электродов аходной цепи. Пористая перегородка и опгверстие заполнены жидкостью - раствором элект лита. Свободное пространство заполнено водородом. Один из электролитов .являе ся анодом, другой - катодом. Прилёгаку|щие к ним пространства назьтают соответственно катодным и анодньшг. Капиллярное отверстие в перегородке выполня функцию канала, соединяющего катодное анодное пространства. Такой канал в момен ;йрахрждения через датчик 13аданногаКопйче ;ёа электричества освобощ1ается от аалол Няющего его электролита и тут же заполняется им вновь. Поскольку водород ВБЩёпяется на катодеи поглощается на аноде, в катодном пространстве давление больше, чем в анодном. В связи Ъ этим катодное пространство свободно от жидкости. В анодном жидкость может на(Ходиться, но она не заполняет его целиком, поскольку анод должен сопрйкасать ся с водородом... Соединительный канал датчика между кйтодньш и ане)дным пространствами периодически заполняется и освобождается от жидкости. В моМент прохождения заданного количества электричества Жйдкостьвытеснаётся из канала и тут же натекаетвновь, что и служит первичным сигналом. Этот сигнал преобразуется во вторичньй электрический сигп нал, поступающий в выхЬйнуй5 цепи. Благодаря разности давлений водоро дй в катодном и анодном пространствах жидкость, смачивающая поверхность пористой пластины вьггеснена на анодную сторону пластины, где она образует поверхностну ю пленку. В результате про хождения интегрируемого тока разность давлений водорода увеличивается, при этом жидкость ИЗ капНотярнЬго отверстия (канала) вытесняется. В устье капилляра образуется пузьфек водорода, который прорьюает пленку жидкости, закрьтающегб это устье. В момент посл прорьюа катодное и анодное пространства соединяются между собой и давления водорода в них частично.или потностью Выравниваются до тех пор, пока под действием сил поверхностного натяжения жидкость внОвь заполняет капиллярное отверстие, тем самьш пространства разъединяются. В дальнейшем работа протекает в указанной последоватёпьно.с- ти. Электроды выходной цепи датчика замкнуты жидкостью, находящейся в пористой пластине и ее капиллярном, канале. При вытеснении жидкости из канала цепь размыкается, что служит вторичным сигналом, поступающим в выходную цепь С2, Однако интегрирующие приборы, в которых эти датчики служат измерительными элементi MH, отличак тся нестабильностью работы, которая объяЬйяется неконтролируемым присутствием в жидкости датчика следов поверхностно-активных веществ (ПАВ), а точнее изменением со временем местоположения следов ПАВ на поверхности этой жидкости. Миграция следов ПАВ в жидкости может происходить во время хранения датчика, .при воздействий транспортной тряски и пере падов температуры окружающей среды, в процессе работы датчика (в результате перемещений в нем жидкости) и т.п. ПАВ, адсорбируясь в поверхностном слое, приводят к увеличению его вязкости,, а, следовательно, и прочности. В тонких пленках, где поверхность очень велика, а масса жидкости, заключенная между поверхностями мала, явления поверхностного натяжения сказываются резко. По этой причине из-за миграции следов ПАВ тонкая пленка, возникающая в устье соединительного канала при прорьше пузырька водорода, в течение времени изменяет свою прочность. Соответственно величина разности-давйений водорода, необходимая для прорыва пленки, изменяется. Поскольку соединительный канал датчика представляет собой капйлляр, то изменение величины поверхностного натяжения жидкости приводит также к изменению как силы, требуемой; для вытеснения жидкости из. канала, так и времени последующего затекания жидкостй в канал. Это в свою очередь также влияет на разность давлений водорода, требуемую в конечном йтОге для срабатывания датчика, и на степень выравнивания давлений водорода в момент соединения катодного и анОдного пространства. Остаточная{эазность давлений оказывает влияние на последующее срабатывание датчика. Вследствие этого у датчика такого типа неудовлетворительная стабильность в работе. Цель изобретения - повышение стабильности работы И-чувствительности датчика.: Это достигается тем, что в -водородном электролитическом дискретном датчике, у которого сигналом о прах.ождении заданного количества электричества сиужит вытесйение жидкости из кайалаУсВё диняющего кйтодЁОё и айодн(:ю прЬстрайй ва, устье соединительного канала расположено в жидкости, находящейся в анодном пространстве, причем уровень столб этой жидкости находится вышеусть.я. Площадь сечения соединительного к1 нала меньше, чем любая из площадей се чения в горизонтальных плоскостях чаЙти анодного пространства, содержащей жидкость. На фиг. 1 схематически изображен предложенный датчик, первый вариант; на фиг. 2 - то же, второй вариант; на фиг. 3 - то же, третий вариант. Каждый из датчиков (фиг. 1, 2;йз) содержит деталь 1 из пористого диэлект- рика (например стекла), .на сторонах которой расположены катод 2 и анод 3, Соединительный канал 4 находится между катоднь1м 5 и анодньгм 6 пространствами. Часть анодного .пространства ЗйпШ нена жидкостью, в которой находится устье соединительного канала, причем уровень столба жидкости в анодном прос ранстве выще устья канала. Это является отличительной особенностью датчика. В момент срабатывания датчика (после прохождения заданного количества SJieKfричества) из канала 4 жидкость вытесняется, а в ЖИДКОСТИ анодного пространства появляется пузырек 7 водорода. Сигнал во внешнюю цепь может поступать с помощью, например, фотоэлектрического считывания (фиг. 2) - источник света 8 и фотоприемник 9, илис помощью электродов - контактов 10 и 11 (фиг. 2 и фиг. 3). Датчик по первому рарианту: (фиг. 1) представляет собой замкнутое кольцо, по второму варианту (фиг. 2) - трубку, разделенную вертикальной перегородкой (деталь 1), а по третьему варианту (фиг. 3) - трубку в трубке (внутренняя трубка - пористый диэлектрик). Благодаря тому, что в предложенном датчике устье соединительного канала находится в жидкости, уровень кситорой выше этого устья, достигаются следующие преимущества. Во-первых, исключается необходимость прорыва тонкой пленки жидкости пузырьком йбдорода при выходе его из соединительного канала и, во-вторых, после прорьг- ; ва пузырька не происходит яепосрёдст венное соединение водорода, находящегося в катодном и анодном пространствах, В предложенной конструкции для сраба- ;тывания-датчика разность давлений водорода должна преодолеть сопротивление вытеснению жидкости из соединительного канала и давление столба жидкости в анодном прЬстранствё. Преодоление сопротивления вытеснению жидкости из Соединительного канала в предложеннбмдатчике Может зависеть от следов ПАВ, и если канал капиллярный, то может быть таким, же, как сопротивление вытеснению жидкости из капилляра в датчике-прототипе. Но как V в датчике-прототипе, в предложенйом датчике эта величина не является определяющей. В датчике-прототипе она была незначительной по отнощению к непостоянному сопротивлению тонкослой.ной пленки, в предложенном датчике она незначительна по отчощению к стабильному сопротивлению, которое оказывается давлением столба жидкости и которое не з.ависит от ПАВ. Если возникает некоторое отличие от нормы при одном срабатывании, то оно компенсируется датчиком при следующем срабатывании. . Последнее обеспечивается тем, что датчик запоминает величину разности давлений водорода ;в Момент срабатывания. Это достигается благодаря тому, что водород в катодном и анодном пространствах при срабатывании непосредственно не соединяется. Указанное отличие от нормы при одном срабатьшании может иметь место, например, при преждевременном срабатывании датчика в результате тряски при эксплуатации на движущемся объекте. Датчик работает следующим образом. При прохождении интегрируемого тока на катоде 2 водород вьщеляется, а на аноде 3 поглощается. Разность давлений водорода, возникающая в датчике после прохождения заданного количества электричества, приводит к вытеснению, жидкости из соединительного канала 4, вслед . за чем пузырек водорода 7 покидает устье канала и поднимается вверх в столбе жидкости (на фиГ. 2). При этом соединительный канал вновь заполняется жидкостью. Достигнув мениска жидкости, .пузырек переходит в газовую среду. Далее все повторяется в той же последовательности. Следует подчеркнуть, что в предложеной конструкции не имеет значения окаывают или нет следы ПАВ влияние на ыход пузырька из жидкости. Это обес7 71
; - т ГтемгадХ)Ё:ьй йд пузырька ШШс реде;тйбанр /йе связан с появлением сигнапаГШ || ШУ°§и Н
1е№ужш Т11
жидкости в Соединительном канале. Если
liffawtetp пЗ зырБка равен или превышает диаметр той же части анодного пространства, в которой находитсй жидкость, 0 Дйайетр этого пространства Должен быть больше определенной критической величины. Например, у датчика (фиг. 2) диаметр трубки 6 должен бьггь не менее 4 мм, если в Датчике применен 37%-ный раствор серной кислоты, обычно используемый в водородных интеграторах. В
Пр угйвном; случае в анодном пространстве может образоваться- столб, состоящий из перемещающихся столбиков жидаостр
ШШ5рбда, отрйаат скажется на результатах работы датчика.
С Целью повьшения чувствительности предложенного датчика, площадь сечения соедиййтельного канала или только его
устья следует вЪТпоПнить меньшим, чем ппгОщади сечений в горизонтальных плос костях той- ШйГ ШШнозго tipOfcilpaHCTBai
где находится яшдксжть (на фиг. 2). Чувствительность увеличивается благода р:Г - oKfijft; 4tO 1в Ш бпу«Ш ВбЗШйЙ пузырек водорода имеет меньший объем. Соответственно требуется меньшее коли чество электричества для его образования. В отношении считывания, то есть Т1олуч ения вторичйого си1гнала в выходной цепи, отметим следующее. Встраива- Шё электродов - контактов часто позволяет более просто получить вькЬдйбй сигнал, чем фотоэлектрическим способом. В предложенном датчике (фиг. 2 и фиг. 3) в отличие от датчика-прототипа электроды входной и выходной цепей непосредственнЬ не соединены. Однако здесь имеется некоторая связь (гальваническая) Шадуг цбпШй,; акКШг ёйй датчика смочены электролитом. Кроме fOrO, при встраивании электродов выходной цепи в некоторых случаях может
HWefb место перенос водорода из одного газового пространства в другоеиз-за
6668 . . :
электрохимических реакций при протекании тока считьтанйя. По этим причинам при использований датчйкоЬ для высоко. точных измерений, а особенно при интегрировании очень слабьгх токов и напряжений, встраивание электродов выходной цепи нежелательно.
Срявнитепьнь1е испытания на стабильность различных образцов дат ика-прОто10 типа и прёдлоШйного датчика показали, что колебаййй ё айачёнйЙ.Х количества ёктричества, соответствующих одному срабатьшанию, составляют у образцов датчика-прототипа + 10 - 15%, у образ15 цов предложенного датчика - йе более 1%.
Формула изобретения
1. Водородньй электролитический дискретный датчик, содержащий герметичный стеклян1 ь1й.1 корпус с электродами, заполненный водородом, разделенный на анодную и катодную камеры пористой стеклянной пластиной, пропитанной электролитом и снабженной каиапо, соединяющими Kai iepbi, о т л и чаю щ и и с я Тёй, ЧТО, с цепью повышения, стабильное ти работЙ, в;Ш 5йнЬе отверстие канала ра СпОлОн ено в электролите анодного пространства, причем мениск столба электролита- нaxbMтё: ; Шйё ШйоДйб О отверстия.
2. Водородныйэлектролитический скретный датчик по п. 1, о Т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повыше Шя ЧувстЁИТёпьйосТи, площадь сечения СбёДйнйТёйЬйоГб канала меньш1ё, чем любая из площадей СёЧёнйя ь гО{эизонтальных плоскостях Части анодного пространства, содержащей жидко1рть1.
Источники информации, йрййяТёШ вЬ в йМание при экспертизе 1.Приббр 1 иСистемы управления , № 2, 1975,, с. 35.
2. Авторское свидетельство СССР М9 153962, кл. G 01 R li/44, 1961. (прототип).
Фиг. 1
- /7
Фигг.З
