Файл: Стрижевский, И. В. Хемотроника.pdf

ностыо капиллярного взаимодействия является то, что пористая трубка смачивается водным раствором электро­ лита, но не смачивается ртутью под давлением, развива­ емым ею в трубке. Взаимоисключающие действия этих двух жидкостей могут быть усилены путем платиниро­ вания части трубки. Тогда ртуть, соприкасаясь с пла­ тинированной поверхностью, образует стабильный мениск, полностью исключающий смачивание этого участка вод­ ным раствором.

Внутренний диаметр трубки равен 3 мм или менее; наружный диаметр значительно меньше диаметра канала, благодаря чему трубка свободно проталкивается по ка­ налу удлиняющимся столбиком ртути. Трубка может быть сделана из спеченной стеклянной смеси. Через многочисленные поры такой массы электролит проходит легко, но они слишком малы для протекания ртути.

Имеется много модификаций кулометра Корсина. Например, если электроды, установленные в стенке трубки, входят в канал 1, устройство может работать как ключ, управляющий внешними цепями, или как переменное сопротивление, зависящее от силы тока и вре­ мени его протекания. На основе этого же кулометра может быть устроен прибор типа реле. В этом случае платиновые электроды входят в канал, полностью пере­ крывая его поперечное сечение. Электролитом служит водный раствор йодида ртути, содержащий йодид одного или нескольких щелочноземельных металлов. При пере­ мещении электролита к электроду полное внутреннее сопротивление увеличивается — в некоторых приборах восьмикратно. При превращении ртутной ячейки (нор­ мальное состояние) в йодисто-ртутную (крайнее состоя­ ние) для получения в ней тока той же величины требуется приложить большее напряжение. Это может быть ис­ пользовано для приведения в действие триггерных цепей

идругих подобных цепей.

Внекоторых случаях кулометр сочетают с дифферен­ циальными емкостными измерительными элементами, что делает способ считывания показаний более удобным. Корпус кулометра покрывают проводящей оболочкой. Изменение емкости емкостного потенциометра, создава­ емого внешней проводящей оболочкой и столбиками жидкого металла при изменении длины последних, есть функция, пропорциональная длице столбиков, Для

»20

считки электрических показаний, соответствующих из­ менению длины столбиков металла, кулометр запитывают переменным током высокой частоты (80 гц), а затем из­ меряют амплитуду переменного напряжения между на­ ружной оболочкой и заземленной рамкой прибора.

Внешняя проводящая оболочка, наносимая на корпус кулометра, может состоять из двух участков, выполнен­ ных из одного или нескольких витков проволоки.

Такая модификация удобна для использования в тех случаях, когда требуется включать и выключать управ­ ляющий сигнал на определенном уровне его интегри­ рования.

Отличительная черта всех описанных приборов — полная реверсивность, достигаемая изменением направ­ ления тока, текущего через прибор. Приборы такого типа могут быть использованы как интеграторы медленно меняющихся электрических сигналов, например в метео­ рологии для измерения естественного испарения, общей освещенности, средней температуры, средней влажности и т. д.

Миниатюрные, легкие и маломощные приборы при­ годны для передвижного оборудования, работающего не­ посредственно от солнечных батарей, термометров сопро­ тивления, термопар, а также для лабораторий и произ­ водства, где их можно использовать для интегрирования переменных, определяющих напряжение, температуру, давление и другие параметры. Эти же интеграторы или индикаторы могут с успехом применяться в цепях пере­ менного тока при включении в цепь выпрямителя.

Твердофазные интеграторы

Твердофазные интеграторы бывают дискретного и не­ прерывного действия. Приборы первого типа получили применение в ракетной технике уже во время второй мировой войны. К их несомненным преимуществам сле­ дует отнести высокую точность, малые габариты и вес, низкое значение потребляемой мощности (доли милли­ ватта), длительную память; приборы способны форми­ ровать задержки от нескольких секунд до нескольких недель, интегрировать сигналы постоянного тока и им­ пульсные.

121

Действие интеграторов дискретного действия основано на том же принципе, что и действие счетчиков машин­ ного времени. Это тот же кулометр, работающий на заданном токе, но для считывания интеграла использу­ ется явление скачка потенциала на одном из электродов при переходе с его поверхности в раствор всего предва­ рительно осажденного на нем металла.

Таким интегратором может быть ячейка с платино­ выми или угольными электродами, на которые нанесена медь. Самое большое распространение получил хлорсеребряный интегратор. Корпус интегратора — небольшая стеклянная ампула, заполненная электролитом. В корпус впаяны два серебряных электрода; один из них покрыт слоем хлористого серебра. Электролитом служит рас­ твор хлористого натрия с добавкой уксуснокислого натрия и уксусной кислоты. При пропускании через интегратор постоянного тока на серебряном электроде, служащем анодом, протекает реакция

Аg + Cl" -> AgCl + е

На катоде, покрытом слоем хлористого серебра, начнется обратная реакция

AgCl -f- е -> Ag -f- Gl-

Ha катоде, не покрытом хлористым серебром, возможно выделение водорода

2Щ + 2е -> # 2 f

Таким образом, когда запас AgCl истощится, на катоде вместо выделения серебра начнется образование водорода. При этом напряжение на интеграторе возрастет примерно на 1 в\ во время переноса вещества падение напряжения обычно не превышает 100 мв. Давление выделяющегося газа может настолько повыситься, что произойдет раз­ рушение ячейки. Поэтому предусматривается устройство, ограничивающее падение напряжения на ячейке до 0,5 в.

Для считывания величины интеграла через ячейку пропускают в обратном направлении постоянный ток строго определенной величины. Этот ток переносит AgCl обратно на накопительный электрод. По продолжитель­ ности процесса переноса судят о величине проинтегри­ рованного сигнала. Окончание переноса тоже сопровож­

122

дается повышением напряжения на ячейке, что исполь­ зуется для включения регистрирующей цепи.

Оба электрода ячейки одинаковы, так что они могут попеременно служить анодом или катодом. Это позво­ ляет использовать ячейку в качестве обратимой.

В твердофазных интеграторах непрерывного действия можно использовать явление изменения цвета или опти­ ческой плотности электролита. При прохождении тока через раствор электролита некоторое количество вещества осаждается из электролита на один из электродов. Если растворенное вещество окрашивает элект­ ролит, то интенсивность цвета умень­ шается при прохождении тока, так как электролит становится менее концентри­ рованным. Это удобный индикатор про­ пущенного тока. Обычно изменение в цвете делается заметным при пропуска­ нии тока средней величины примерно в течение часа. Первоначальный цвет элек­ тролита сравнивают с цветовым эталоном, соответствующим определенной начальной концентрации ионов; последующее ослаб­ ление интенсивности окраски эталона гра­ дуируется при известном токе для раз­ личных интервалов времени. Более точ­ ные данные можно получить с помощью стандартного источника света и фотометра.

Корпус такого интегратора делается из непроводящего прозрачного материала, чаще всего из5стекла. Электроды удлинены и изогнуты, как это показано на рис. 32.

Катод выполнен из химически инертного металла, напримерТплатины, анод4-— из металла — катиона соли, исполь­ зуемой в качестве электролита. Для лучшей герметизации ту часть электродов, которая соприкасается с корпусом, изготовляют из сплава с коэффициентом теплового рас­ ширения, равным коэффициенту стекла. Электролит — водный раствор цветной соли металла, например суль­ фата меди, с добавкой этилового спирта для поглощения выделяющегося кислорода. Электролит пропускает 10% света длиной волны 6500 А в течение 2000 час работы прибора на постоянном токе. Точность счетчика при использовании фотометра составляет ±5% .

123

Управляемое сопротпвленпе

Впервые электрохимическое управляемое сопротивление (ЭУС) предложено В. М. Захаровым в 1958 г. Прибор представляет собой бесконтактный аналог переменного резистора, в котором величина сопротивления изменяется под действием электрического сигнала и может оставаться неизменной («помнить») длительное время после' подачи управляющего сигнала. В английской литературе по­ добные элементы получили название мимистров: те-

(платина или родий) резистивный, имеющий некоторое омическое сопротивление, которое и является выходной величиной. Электрод 1 управляющий. Он выполняется из металла, соль которого содержится в электролите;

ЭУС имеет три вывода 3—5, два последние относятся к резистивному электроду и используются для включения ЭУС в измерительную цепь. При подаче управляющего сигнала постоянного тока на клеммы 3 ж4 через прибор начинает протекать ток той полярности, при которой резистивный электрод будет катодом; на нем происходит электролитическое осаждение меди из раствора. Управ­ ляющий электрод (анод) при этом растворяется. При изменении полярности управляющего сигнала во вход­ ной цепи электроды обмениваются своими ролями, и, естественно, состав электролита в ячейке остается не­ изменным. Растворение меди резистивного электрода или осаждение меди на нем изменяют сечение, а следовательно, и сопротивление электрода. ' '

124

Сопротивление между клеммами 4 и 5 (по цепи счи­ тывания) при подаче постоянного тока в цепь управления изменяется во времени по гиперболическому закону, а проводимость прямо пропорциональна времени про­ хождения тока по цепи управления. Полный импеданс этой цепи прибора состоит из активных и емкостных составляющих. Активная составляющая импеданса между клеммами 4 ж 5 определяется сопротивлением резистив­ ного электрода и гальванически нанесенного на него слоя меди, а также сопротивлением электролита, а емкостная составляющая — наличием фазовой границы электрод— электролит. Естественно предположить, что все указан­ ные сопротивления включены между точками 4 ж 5 па­ раллельно.

Основными характеристиками электрохимических управляющих сопротивлений служат: диапазон измене­ ния, кратность изменения и время изменения сопротив­ ления во всем диапазоне, а также самопроизвольное изменение во времени в отсутствие управляющего тока. В некоторых типах выпускаемых приборов диапазон из­ менения сопротивления составляет 0,5—50; 0—100; 0—200; 0—1 ком, диапазон токов управления 0,05—1 ма, ча­ стота считывающего сигнала 10—50 гц, потребляемая мощность управления 10-3—10-® втп. Габариты прибора 0,2—0,4 С.И3, вес несколько граммов.

Величина самопроизвольного изменения сопротивле­ ния во времени в отсутствие управляющего сигнала обусловлена физико-химическими процессами на поверх­ ности гальванически осажденной пленки. В результате этих процессов на поверхности электрода могут образо­ ваться пленки окислов либо протекать электрохимиче­ ские, коррозионные и другие нежелательные процессы. Однако в современных приборах величина самопроиз­ вольного изменения сопротивления обычно не превышает 1— 2 % в сутки. Необходимо отметить и другой небольшой дефект приборов. Дело в том, что точность обратимого регулирования их работы, связанная с неравномерностью осаждения металла на электроде, несколько ограничена. Растворение металла на электроде тоже неравномерно. В первую очередь и наиболее активно, растворение идет по ребрам и граням кристаллов, а также по межкристал­ лическим плоскостям.

Электрохимические управляемые сопротивления могут

125

быть бесконтактными регулирующими элементами, анало­ говыми элементами памяти, регулирующими элементами в автоматических системах управления, в интеграторах электрических сигналов изменяющейся частоты, элемен­ тами для дистанционной регулировки коэффициента усиления аппаратуры связи и других телемеханических устройств. ЭУС включается также в различные устрой­ ства в качестве интегрирующих элементов для суммиро­ вания и усреднения электрических сигналов, работают как аналоговые элементы памяти в устройствах времен­ ной задержки на очень длительные интервалы и исполь. зуются для построения адаптивных систем в различных модификациях.

Запоминающие устройства

В наше время существуют и широко используются многие различные типы запоминающих устройств: электротерми­ ческие, электростатические, электромагнитные, магиитострикционные и др. Запоминающие свойства термисторов основаны на изменении термического состояния, а считыва­ ние—на электросопротивлении прибора. Термисторы по­ требляют малую мощность (10—103.чвпг}, недороги, но, к со­ жалению, длительность запоминания (1—5 мин) приборов невелика, тогда как погрешность измерений (порядка 5%) сравнительно большая. В электростатических запомина­ ющих устройствах с электростатическими конденсаторами длительность хранения информации обычно не превышает 103 сек. Кроме того, управление сопротивлением терми­ сторов возможно лишь в сторону уменьшения этого параметра.

Электромагнитные и магнитострикционные элементы работают по принципу изменения остаточного состояния намагниченного ферромагнитного материала с прямо­ угольной петлей гистерезиса под действием электрических сигналов, подаваемых в обмотки управления. Магнитные барабаны, магнитные ленты, ферромагнитные и ферроэлектрические устройства вполне приемлемы для совре­ менных цифровых вычислительных машин, но и они имеют ряд недостатков: значительная величина потреб­ ляемой мощности, наличие подвижных частей, большие габариты и вес. Ленты и барабаны требуют довольно

126

долгого считывания. Магнитные барабаны имеют низкий уровень памяти и, кроме того, со временем истираются. Ячейки памяти малоемки, для определения мгновенных токов, индуцируемых изменением статических характе­ ристик магнитного сердечника, требуется электронное оборудование. Общим недостатком запоминающих уст­ ройств этого типа является потеря информации при считывании.

В последние годы все большее внимание привлекают электрохимические элементы памяти. Элементы преобра-

Рис. 31. Двухэлсктродный запомішшощип элемент с разгрузоч­ ным клапаном

зугот импульсы напряжения в сигналы двоичного кода, причем запись, воспроизведение и хранение этих сигналов осуществляются простым способом. В элементах нет движущихся частей, и они имеют очень малые вес и объем. Электрохимические запоминающие устройства различной конструкции применяются уже довольно широко. При­ ведем несколько примеров, иллюстрирующих принцип работы некоторых из них.

На рис. 34 показан электрохимический элемент, спе­ циально приспособленный для включения в электронные цепи как обычные миниатюрные сопротивления и кон­ денсаторы. Элемент состоит из кожуха 1, или капсулы, двух платиновых электродов 2 и 3 и разгрузочного клапана 4 для выхода газов, образующихся при вторич­ ных реакциях. Для этого в клапане имеется пружина сжатия 5, загоняющая шаровой клапан 6 в выпускное отверстие. Электроды погружены в электролит (хлорид меди). Заметим, что платиновые электроды отнюдь не обязательны. Электроды могут быть из магния, алюминия, цинка, железа, кобальта, никеля и многих других ме­ таллов; электролит в любом случае должен быть гало­ генным солевым раствором используемого металла.

127

Йапряжение, приложенное к электродам, вызывает электролитический процесс — на катоде начинает осаж­ даться медь. Газ или реагент вторичной реакции выде­ ляется в свободном состоянии у анода. После снятия напряжения на катоде остается осажденное гальваниче­ ское покрытие из меди, которое может рассматриваться теперь как материал катода, отличный от материала анода. Иными словами, получается гальванический эле­ мент, имеющий напряжение, зависящее от разности электрохимических потенциалов меди и платины. Это напряжение равно 0,519 в. Показания вольтметра, под­

элемент может заряжаться попеременно в зависимости от полярности заряжающего напряжения.

Запоминающие устройства описанного типа биста­ бильны в том отношении, что они возбуждают селективно одно из двух альтернативных состояний или сигналов. Сигналы могут быть выражены цифрами «1» и «0» или словами «да» и «нет», как это требуется для аппаратуры или оборудования, где устройство применяется. Разря­ жение элемента, таким образом, становится средством считывания накопленной информации. Термин «считы­ вание», используемый здесь, относится к функциональным или эксплуатационным характеристикам запоминающего устройства или аппаратуры, которые определяют ха­ рактер накопленной информации.

Электрохимическое запоминающее устройство можно сделать очень компактным, вводя в электрохимическую ячейку не один, а целую систему анодных электродов при одном общем катоде. На рис. 35 приведена конст­ руктивная схема такого устройства. В ячейку, содер­ жащую раствор хлорида цинка, помещена система анод­ ных электродов 1 и один общий катод 2. Все электроды выполнены из меди. До пропускания тока разность по­ тенциалов между любым из анодов и общим катодом равна нулю. При прохождении тока, когда на один из анодов подано напряжение отрицательное по сравнению с напряжением на катоде, на данном аноде осаждается цинк, а медный электрод 2 растворяется. Если теперь отключить внешний источник, то разность потенциалов между анодом, через который шел ток, и катодом не будет равна нулю. Это связано с тем, что анод в рѳзуль-

128