Файл: Стрижевский, И. В. Хемотроника.pdf

ным сечением, образующим центральное отверстие. К торцам корпуса приварены мембраны 2 ж3. Пористый диск 4 из стеклянной массы установлен в центральном отверстии, а в непосредственной близости от него раз­ мещены пористые электроды 5 ж6, соединяющиеся с внеш­ ним источником электрического напряжения Е. Камеры, образованные мембранами и диском, заполнены поляр­ ной жидкостью.

Данный тип ячейки является непосредственным пре­ образователем электрической энергии в механическую.

Рис. 25. Элсктроосмотнчеекпя ячейка

При подаче напряжения к электродам полярная жид­ кость начинает перетекать из одной камеры в другую через капилляры электродов и пористого диска по направ­ лению к отрицательному электроду. Это и есть явление электроосмоса. При перетекании жидкости создается давление, воздействующее на мембрану. Это гидравличес­ кое давление Ар связано с напряжением Е, подайным на электроды, соотношением

Ар— Ttr2Ы Е

При заданном напряжении величина давления опре­ деляется свойствами жидкости, радиусом пор г, диэлектри­ ческой постоянной е и дзета-потенциалом. Напомним, что дзета-потенциал — эта та часть общего падения по­ тенциала между жидкостью и поверхностью капилляра, которая определяет движение некоторой части жидкости. Чем меньше вязкость, чем выше диэлектрическая постоян­ ная, и чем выше дзета-потенциал, тем больше поток жид­ кости при заданном напряжении. С увеличением радиуса пор перепад давления убывает.

7* 99

Правильный выбор рабочей жидкости во многом опре­ деляет работу преобразователя. Жидкость должна быть маловязкой, иметь диэлектрическую постоянную не ниже 20 и высокий дзета-потенциал. Пригодными жидкостями являются вода, ацетон, метанол, этанол, ацетонитрил, но предпочтительнее всех — пропионитрил.

Не менее существенное влияние оказывают электроды. Во-первых, они должны быть самодеполяризующимися; во-вторых, на металле, из которого они сделаны, должны легко протекать реакции типа Me -»■ Ме+'+е и Ме++ е -> -> Me; в-третьих, электроды должны быть достаточно пористыми. Для изготовления электродов используется серебро, медь, кадмий, свинец. В соответствии с этим элек­ троды обозначаются Ag/Ag+, Cu/Cu2+, Cd/Cd2+, Pb/Pb2+.

Пористые электроды делают, осаждая на металл соот­ ветствующую окись. Например, водную "пасту окиси серебра Ag20 наносят на основу из серебряной решетки. Паста высыхает, после чего электрод сильно нагревают; окись серебра выпадает в осадок, образуя на поверхности электрода пористую массу.

Рабочая жидкость, естественно, никогда не бывает идеально чистой: в ней всегда присутствует то или иное количество примесей. При установке электродов в ячейку из-за наличия примесей в рабочей жидкости появляется некоторое количество ионов серебра. Для устранения этого нежелательного явления в жидкость добавляют не­ много какой-нибудь соли, например хлорид серебра или

по отношению к рабочей жидкости; в противном случае последняя будет сильно загрязняться. Когда рабочей жид­ костью служит вода, корпус может быть из полиэтилена, полиметилметакрилата или нейлона. Пористый диск чаще всего делают из стеклянной массы, но можно применять и другие материалы, например спеченную окись алюми­ ния. Главное требование к материалам — инертность к рабочей жидкости.

Следует отметить, что некоторые материалы на основе целлюлозного волокна обладают положительными по­ верхностными зарядами. При использовании диска из

100

Электроосмотическая ячейка может служить преоб­ разователем, получившим в технике название «микро­ насос». По устройству такой микронасос отличается от ячейки, изображенной на рис. 25, лишь тем, что обе камеры выполнены в виде замкнутой системы и соеди­ нены капилляром, в котором вместе с жидкостью пере­ мещается инородное тело-(пузырек газа, капля ртути или

Рпс. 20. Интегратор на основе микронасоса

впаивают необходимое число пар контактов, последова­ тельно замыкающихся при движении ртутной капли. Первая и последняя пары контактов осуществляют реверс входного напряжения.

Производительность микронасоса — объем перекачи­ ваемой жидкости в единицу времени — прямо про­ порциональна приложенному напряжению. Кроме того, она зависит от силы тока, протекающего через ячейку, от вязкости жидкости и величины дзета-потенциала си­ стемы. При некотором минимальном напряжении, необ­ ходимом для преодоления гидродинамического сопротив­ ления системы, производительность пропорциональна числу капилляров и обратно пропорциональна их длине. Известны конструкции микронасосов производитель­ ностью 1,4-ІО-2 м3/сек.

В электрохимических преобразователях с камерами, ограниченными гибкими мембранами, развиваемое меха­

101

ническое усилие передается на различные вторичные устройства. Существенно, что это усилие изменяется

взависимости от приложенного напряжения.

Впреобразователях типа микронасоса, где камеры выполнены в виде замкнутой системы, положение инород­ ного тела, определяемое количеством пропущенного элек­ тричества, сохраняется и после снятия входного напряже­ ния. Следовательно, такие преобразователи обладают интегрирующими свойствами.

Прибор, интегрирующий напряжение или ток в тече­ ние определенного промежутка времени, показан на рис. 26, Он представляет собой комбинацию электроосмотической ячейки и калиброванного капилляра. Внутри стеклян­

ного или пластмассового сосуда 1 имеется пористый диск 2, делящий сосуд на две камеры. Внутри каждой камеры близко к диску помещены электроды 3 и 4 типа Ag/Ag+ с контактными выводами 5 к внешней цепи. Одна из камер соединена с капилляром 6, калиброванным или снабженным шкалой. Далее капилляр расширяется и превращается в изогнутую трубку 7, соединяющуюся с другой камерой прибора. Камеры и капилляр напол­ нены жидкостью; внутри капилляра имеется пузырек газа или иное инородное тело для наблюдения за пере­ мещением жидкости по шкале. Жидкость должна быть полярной, маловязкой, с высокой диэлектрической по­ стоянной. Как мы говорили, пригодны вода, ацетон, метанол, этанол, ацетонитрил, пропионитрил;?чаще всего используют воду или ацетон.

Пористый диск выполнен из фарфора; толщина диска 3 мм, диаметр 20 и , пористость 25°/0, диаметр пор 1 мк. Давление, развиваемое вдоль диска указанных парамет­ ров после приложения к электродам напряжения, до­ статочно велико по сравнению с любым другим давлением в этой системе. Сопротивление’’ячейки переменному току составляет 18-ІО3 ом. Объем жидкости, перемещающейся за 1 сек при напряжении 1 в, равен 3 -10_э .и3. В зависи­ мости от полярности приложенного напряжения жидкость перемещается вправо или влево) при горизонтальном положении прибора, вверх или вниз — при вертикаль­ ном.

102

Явление U-эффекта

В электрокинетических преобразователях на основе U- эффекта «работает» поверхность раздела ртуть—электро­ лит. При наложении электрического потенциала поверх­ ность стремится изменить свою форму, и, наоборот, при смещении поверхности создается электрический потен­ циал. На этом принципе разработан преобразователь инерциального типа, в котором колебательное движение преобразуется в переменный электрический сигнал вслед­ ствие инерции ртути. Преобразователь представляет собой капиллярный электрометр с корпусом, двигающимся относительно жидкости, находящейся внутри него. Жидкость обладает значительной массой по сравнению с массой всей системы и сосредоточивает в себе почти всю инерцию системы.

Электрометры с ртутью и разбавленной серной кисло­ той работают до порогового напряжения порядка 0,5 в. Для увеличения этой величины несколько поверхностей раздела соединяют последовательно с чередованием слоев жидкого электролита и ртути. Число поверхностей раз­ дела обычно четное, крайние слои — всегда ртуть. Это снижает до минимума требуемое количество электролита и уменьшает электрическое сопротивление системы. Удельный вес ртути или одного из ртутных сплавов всегда больше удельного веса вещества, используемого в ка­ честве смежного электролита (обычно 10%-ный раствор серной кислоты). Кроме того, электрическое сопротив­ ление почти всех электролитов намного выше сопротив­ ления ртути. Поэтому желательно, чтобы по объему ртути было больше, чем электролита. При соблюдении этого условия инерция ртути как подвижного элемента со­ ставит основную часть общей инерции преобразователя.

Из рис. 27 видно устройство такого преобразователя. Овальная камера 1 из гибкого и легкого изоляционного

ляров порядка 0,01 ли; установлено, что при очень уз­ ких капиллярах возникают нежелательные побочные яв­ ления, а при слишком широких — снижается чувствитель­ ность прибора. Длина трубок тоже колеблется в широких пределах — 0,6—2 см. В торцевой части трубок закреп­ лены платиновые выводы 4. Трубки герметизированы.

103

Внутрь камеры заливается ртуть, заполняющая и капил­ ляры. В капиллярах между каплями ртути находятся капли электролита (10 %-ный раствор соляной кислоты) 5, благодаря чему образуются поверхности раздела ртуть—электролит. В торцевой части трубок капилляры расширены. Эти отсеки 6 заполнены воздухом или инерт­ ным газом и предназначены для передачи импульса жид­ кости системе.

Камера может иметь любой размер и любую форму. Важно, чтобы ее объем намного превышал объем капил­

ляров. На поверхности камеры укреплена мембрана 7, через которую колебательные движения передаются при­ бору.

Процесс преобразования колебательной энергии в пере­ менный электрический сигнал происходит следующим образом. Вибрация мембраны 7 вызывает колебания при­ бора вдоль своей оси. При этом ртуть в силу своей боль­ шой инерционной массы остается на месте. Следовательно, поверхности раздела ртуть—электролит начинают со­ вершать колебательные движения относительно электро­ дов, что создает на них переменную разность потенциалов. Таким образом, колебания мембраны преобразуются

впеременный электрический сигнал.

'Прибор работает обратимо: при подаче на электроды переменного напряжения мембрана начинает совершать колебания, в результате чего переменный электрический сигнал преобразуется в механические колебания системы.

Модификацией описанной конструкции является при­ бор, в котором преобразовательное действие соверша­ ется только в одном капилляре при наличии двух от­ секов для газа, передающего импульс.

104

При параллельном включении нескольких капилляр­ ных электрометрических элементов ток увеличивается и создаются большие механические усилия. Если рабо­ чая температура не превышает 35° С, в качестве жид­ костей, образующих поверхности раздела, можно исполь­ зовать галлий и водный раствор щелочного галоидного соединения.

В капиллярных электрометрах закрытого типа практи­ чески нельзя обойтись без хотя бы микроскопического количества газа или пара, поскольку их присутствие

Рис. 28. Капиллярный электрометр с устройством для защиты поверхностей раздела от проникновения пора плп газа

определяет вибрационные свойства системы. Однако про­ никновение газа или пара в жидкости, образующие по­ верхности раздела, нарушает стабильность рабочих ха­ рактеристик прибора. Устранить это явление в приборах описанной конструкции невозможно, так как при запол­ нении отсеков 6 любым газообразным веществом там обяза­ тельно появляются пары ртути и воды. Давление этих паров может изменяться в широких пределах; нижний предел обусловлен давлением паров серной кислоты и ртути при рабочей температуре, верхний — прочностью стекла. Практически возможны изменения давления от нижнего предела до нескольких атмосфер.

На рис. 28 показан преобразователь на основе капил­ лярного электрометра с устройством, предохраняющим поверхности раздела в капиллярных каналах от про­ никновения к ним газа или пара. Внутри стеклянного корпуса 1 имеется капиллярный канал 2, заканчиваю­ щийся с двух сторон камерами 3 и 4. Камера 4 соединяется узким каналом 5 с камерой 6, в которой находится газ или пар. Проволочный, чаще всего платиновый вывод 7 рходцт в торцевую часть корпуса через камеру 6 и, об-

105