Файл: Стрижевский, И. В. Хемотроника.pdf

I X

перегородки; и — потенциал электрического поло, <? = —^— Д^-). + 'і' (г), где .г — осевая координата; г0 — радиус поры; G — расход жидкости через капилляр

Окончательные уравнения, связывающие потоки ве­ щества и энергии с разностью потенциалов и перепадом дав­ ления для электрокинетического преобразователя в на­ сосном режиме, имеют вид

Второе слагаемое в выражении для тока, описывающее ток переноса, здесь опущено из-за его малого значения при обычно используемой концентрации раствора. $3і Аналогично выводятся окончательные уравнения для

электрокинетического преобразователя, работающего в ге­ нераторном режиме,

Те и другие уравнения выражают статические характе­ ристики электрокинетического генератора и электрокине­ тического насоса. Заметим, что в реальных приборах не­ которая часть внешнего напряжения падает на электро­ дах, так как там происходят электрохимические реакции. При генераторном режиме поляризационные эффекты, связанные с этими реакциями, незначительны, так как ток короткого замыкания мал. В случае насосного режима влияние электродов на процессы в электрохимическом преобразователе необходимо учитывать. Ток переноса при слабой концентрации раствора электролита мал, в связи с чем влиянием, оказываемым движением раствора, пренебрегают.

Щ В частности, если на электродах протекают быстрые окислительно-восстановительные реакции, поляризацион-

90

пое падение напряжения в ячейке может быть определено

по уравнению

J_

Дер, = In — ^

1 ~

К0 — коэффициент, зависящий от заряда восстановленной (окислен­ ной) формы, абсолютной температуры, а также коэффициента пере­ носа; К г и К2 — коэффициенты для окисленной и восстановленной формы, зависящие от коэффициента диффузии, начальной кон­ центрации, площади электродов и расстояния между ними; I — ток через ячейку

Эффект потенциала протекания

Электрокинетические преобразователи на оенрве эффекта потенциала протекания известны давно, но не находили практического применения главным образом из-за того,

зависимости между параметрами приборов с тем, чтобы иметь возможность усовершенствовать конструкцию пре­ образователей. k-

Обычно электрокииетический прибор представляет со­ бой замкнутый корпус, разделенный пористой перего­ родкой на две камеры, заполненные электрокинетической жидкостью. В каждой камере помещается по электроду. Камеры ограничены гибкими мембранами, одна из которых служит для восприятия измеряемой физической перемен­ ной.

I* Было установлено, что величина потенциала протека­ ния прямо пропорциональна диэлектрической постоянной жидкости, ее удельному сопротивлению и дзета-потен­ циалу, возникающему при взаимодействии электрокинетической жидкости с твердым телом. Как мы говорили, при соприкосновении жидкости со стенками капиллярного отверстия в твердом теле в жидкости образуется двойной электрический слой толщиной порядка ионного радиуса. Рассматривая этот двойной слой как конденсатор, можно считать потенциал между его пластинами дзета-потенциа­ лом, различным для каждой комбинации жидкости и твер­ дого тела.

91

Разность потенциалов (потенциал протекания), возни­ кающая вдоль капилляра, не зависит от пористости пере­ городки, диаметра и длины капилляра и определяется уже приведенным выражением

Дса І= М ± Д р

бинаций материалов нельзя,так как проводимость очень сильно зависит уже от ничтожно малого количества при­ месей в жидкости, а получить абсолютно чистую жидкость практически невозможно. Однако приблизительную ве-

личину Л<5 можно определить в тщательно герметизиро­

ванной ячейке, выполненной из специально подобранных материалов. Установлено, что при использовании в ка­ честве рабочей жидкости 50°/0-ной смеси метилового спирта

вительность прибора возрастают примерно на 30% при повышении температуры с 0 до 50° С. Проводимость тоже увеличивается с температурой, но не настолько, чтобы произведение от] было постоянным. При использования

ацетонитрила отношение Да также возрастает с темпера­ турой; при этом проводимость увеличивается, а вязкость

уменьшается.

Важно отметить, что чувствительность прибора не за­ висит от уменьшения проницаемости перегородки в доста­ точно больших пределах (размер пор может быть равен 4 мк). Перегородки чрезвычайно низкой проницаемости характеризуются малым числом Рейнольдса, линейной за­ висимостью между давлением и скоростью и высокой сте­ пенью демпфирования. Последнее достигает столь высо­ кого значения, что силой упругости мембраны и инер­ цией от ускорения жидкости можно пренебречь, за исклю­ чением тех случаев, когда прибор работает на очень низких или~очень высоких частотах.

Только при очень малой проницаемости перегородки отношение Аса .начинает снижаться из-за увеличивающе­

гося влияния обратного электроосмотического давления, поверхностной проводимости и других эффектов в гранич-

92

иом слое. Эти эффекты еще полностью не изучены; экспе­ риментально показано существенное снижение чувстви­ тельности в среде ацетонитрила при уменьшении диаметра пор с 5 до 1,2 мк при 25° С. В большинстве случаев это снижение чувствительности несущественно, значительно важнее увеличение частотной чувствительности, т. е. чувствительности при определенной частоте. Варьируя диаметр пор, диапазои измерений можно расширить от 0,1

до 100 000 гц.

В электрокинетических приборах чувствительность и выходное сопротивление — функции температуры. С по­ вышением температуры чувствительность возрастает. Это явление нежелательно, так как прибор в таких' ус­ ловиях работает нестабильно. Чтобы компенсировать влияние температуры методом проб и ошибок, под­ бирают такой термистор, кото­ рый при параллельном вклю­ чении в электродную цепь обеспечивает почти полную неза­ висимость характеристик при­ бора от температуры. Такой метод температурной компенса­ ции является новым для элек­ трокинетических приборов.

В 1953 г. Худвей предложил электрокинетическую ячейку (рис. 21), пригодную для дли­ тельной работы без потери ка­ либровки. Вдоль наружного стеклянного кольца 1 поме­ щен пористый диск 2 из стек­ лянной массы, делящий по­ лость кольца на две камеры, заполненные ацетонитрилом. Алюминиевые гибкие мембраны і и 5 расположены по обеим сторонам кольца и укреплены сверху и снизу полиэтилено­ выми шайбами. Электроды 3 и 6 обычно изготовляются из мелкой алюминиевой сетки. Эти

чашеобразные электроды соРпс. 21. Элсктр0кішетпческая прикасаются с мембранами, ячейка

93

Все поверхности, находящиеся в контакте с ацетонитри­ лом, выполняются из одного и того же металла во избе­ жание электрохимических эффектов. Кроме алюминия можно использовать олово или сплавы алюминия; компо­ нентами сплава могут быть только те металлы, которые не образуют растворимых ионов.

Эффективность электрокинетической ячейки значи- -.тельно увеличивается применением пористых электродов, находящихся в тесном контакте со всей поверхностью пори­ стой перегородки. Проницаемые электроды выполняются из проволочной сетки, спеченного металла, перфориро­ ванных металлических пластин. Материалом для таких электродов служат никель, серебро, платина, медь и дру­ гие инертные к электрокинетической жидкости металлы. В некоторых случаях электроды представляют собой пористую металлическую пленку, нанесенную непосред­ ственно на поверхности перегородки (диска). Так, в част­ ности, изготовлены электроды в приборе Худвея. Пленки наносятся традиционным методом покрытия металлов — напылением. Пористая пленка должна прилипнуть к по­ верхности перегородки только вокруг ее пор, ни в коем случае не попадая внутрь пор; в противном случае сни­ зится проницаемость диска-перегородки и, кроме того, возможно короткое замыкание. Электроды из пористой пленки обеспечивают тесный контакт между электродом

и перегородкой.

Электрокинетические преобразователи можно исполь­ зовать в микрофонах, гидрофонах, сейсмических, вибра­ ционных, фонографических приемниках, в физиологи­ ческих инструментах и т. д. ѵы Г" Интересен преобразователь давления для дефлектор-

ных установок или для приборов, измеряющих силу ударной взрывной волны при взрывах на воздухе. При хо­ рошей герметизации такой преобразователь можно ис­ пользовать для подводных измерений звуковых и ультра­ звуковых колебаний. Во время работы прибора входное давление, воздействующее на мембрану, заставляет электро­ кинетическую жидкость перетекать через пористую пере­ городку, создавая на электродах разность потенциалов, позволяющую производить точные измерения перемен­ ного давления.

94

и Иа основе электр окинетнческого преобразователя Худвея может быть сделан прибор, реагирующий на вибра­ ционные перемещения. Обычно для измерения перемеще­ ний на высоких частотах применяют пьезоэлектрические приборы, но при этом требуется столь высокие сопротив­ ление цепи, что приборы не могут измерять перемеще­ ния при частотах менее 100 гц.

В электрокинетическом виброметре происходит пре­ образование периодического перемещения в электри­ ческий сигнал в широком частотном диапазоне. При срав-

з «

Рис. 22/Электроішнетпчссіши виброметр

нительно низких частотах чувствительность виброметра сравнима с чувствительностью пьезоэлектрических пре­ образователей; кроме того, у электр окинетнческого вибро­ метра гораздо меньший уровень шумов. Такой прибор можно использовать в устройствах, измеряющих вибра­ цию в детекторах внутреннего смещения или регистрирую­ щих сдвиг эксцентриситетов, в фонографах и т. д. а

Принцип работы электрокинетического виброметра заключается в следующем. При приложении давления к одной из мембран 1, 2 виброметра (рис. 22) некоторое количество электрокинетической жидкости будет про­ талкиваться через пористую перегородку 3, создавая на сетчатых электродах 4 ж 5 разность потенциалов, про­ порциональную приложенному давлению. Эта' разность потенциалов фиксируется измерительным устройством 6. При уменьшении давления мембрана возвращается в на­ чальное положение, жидкость перетекает обратно и на электродах создается потенциал противоположной поляр­ ности. Таким образом, прибор реагирует на изменение давления и не дает показаний при устойчивом давлении.

95

Какая-либо из мембран соединяется с источником из­ меряемого перемещения упругим соединением 7 — метал­ лической листовой пружиной в форме S. Один конец пружины приварен к жесткой металлической детали, соединенной с центром мембраны. Во время работы пре­ образователь помещают таким образом, чтобы другой конец гибкой пружины находился в контакте с источ­ ником вибрации, например какой-то частью машины, вызывающей изгиб пружины. Коэффициент жесткости мембраны и пружины меньше вязкостного сопротивления

перегородки, т. е. того сопротивления, которое она ока­ зывает перемещению электрокинетической жидкости, тан что перемещение жидкости будет незначительным по срав­ нению с отклонением пружины.

Преимущества такого устройства более очевидны при ра­ боте на низких частотах — менее 100 гц.

Электрокинетический преобразователь может быть ис­ пользован для создания аксельрометра — прибора для измерения ускорения. На рис. 23 показан такой аксельрометр, пригодный для измерения установившегося угло­ вого ускорения, переменного углового ускорения в широ­ ком частотном диапазоне, линейного и углового ускоре­ ния вокруг оси, отличной от оси прибора.

Тороидальный корпус 2 аксельрометра, выполненный из пирекс-стекла или другого неорганического изоляцион­ ного материала, заполнен ацетонитрилом. При заполне­ нии корпуса жидкостью через отверстие 1 оставляют не­ много пузырьков воздуха или инертного газа для ком­ пенсации разницы температурного расширения корпуса и жидкости. Участок корпуса выполнен в виде кольца 3, внутри которого помещается перегородка 4 в форме

96

диска из микропористой стеклянной смеси. ПерегородкД сплавлена с внутренними стенками кольца, и в тесном контакте с ней установлены электроды 5 и 6, представ­ ляющие собой сетчатые диски из алюминиевой проволоки. Выводы 7 и 8 служат для подключения регистрирующего прибора. Сопротивление 9, подключенное к электродам, предназначено для компенсации температурных измене­ ний*

При вращении корпуса вокруг оси давление внутри системы повышается, в результате чего жидкость про­ талкивается через капилляры пористой перегородки, и на электродах устанавливается разность потенциалов, измеряемая соответствующим прибором. Противоток жид­ кости, обусловленный ее проводимостью, ограничивает разность потенциалов на определенную величину, про­ порциональную приложенному давлению.

Для увеличения чувствительности корпус прибора

Иногда разность коэффициентов термического рас­ ширения материала корпуса и жидкости может быть на­ столько велика, что внутреннее давление способно разо­ рвать корпус. Во избежание этого корпус полностью заполняют электрокинетической жидкостью, а роль пузырьков газа выполняет гибкая мембрана, прогибаю­ щаяся при избыточном внутреннем давлении. Отверстие 2 имеет в таком случае расширенную часть, закрытую снаружи колпачком, в которую помещают мембрану. Пространство между мембраной и колпачком служит воз­ душным карманом для отвода избыточного давления.

В описанной конструкции весь корпус выполнен из стекла, но это не всегда необходимо. Изоляционный мате­ риал требуется только для кольца, а все остальное может быть сделано, например,из алюминия или другого металла, инертного к электрокинетической жидкости. На рис. 24 представлена одна из модификаций такого прибора, служащая для измерения скорости подъема самолета. Электрокинетический узел, состоящий из пористой пере­ городки 1, электродов 2 и 3, установлен в изгибе, соединя­ ющем две трубки — 4 ж5. Электроды подключены к из­ мерительному прибору 6. Трубки расположены кон­ центрически для предотвращения эффекта увеличения разности давления в гидростатической головке 6, кото-

подниматься. При этом происходит перетекание элек­ тролита через пористую перегородку, и прибор 7 пока­ зывает разность потенциалов.

Явление электроосмоса

Для преобразования электрического' сигнала в механи­ ческий можно использовать электрокинетический пре­ образователь, работа которого основана на явлении электроосмоса, т. е. на перемещении жидкости вдоль стенок капилляра под действием приложенной э. д. с,

На рис. 25 показана электроосмотическая ячейка, управляющая потоком жидкости с помощью подаваемого на нее электрического сигнала постоянного тока или низкочастотного переменного напряжения. Ячейка со­ стоит из корпуса 1 цилиндрической формы с Т-образ­

■88