Преобразующий элемент электрокинетического датчика механических и электрических величин

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик ») 1 00 1 205 (61) Дополнительное к авт, саид-ву (22) Заявлено 20.10, 81 (21) 3346979/18-10 (И) М. Кп.

Н 01 4 9/22. с присоединением заявки № (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 28.02,83,Бюллетень ¹ 8

Дата опубликования описания 28, 02. 83 (33) УДК 621,35 (088.8) Г ".

Б.Б. Кузьменко, Н.В. Петькин и Б.И. Ильин (72) Авторы и зобретеи и я

Научно-производственное объединение "Ква (71) Заявитель (54} ПРЕОБРАЗУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО

ДАТЧИКА МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике, в частности к молекулярно-электронным электрокинетическим преобразователям информации.

Преобразующий элемент с герметично присоединенными к нему упругими элементами образуют электрокинетический преобразователь.

Существуют различные типы преобразующих элементов электрокинети.— ческих преобразователей, в которых происходит электрокинетическое преобразование механической энергии, находящейся в преобразующем элементе жидкости, в электрический сигнал.

Известен преобразующий элемент, содержащийся в электрокинетической ячейке, который включает полый, открытый в двух местах полиэтиленовый корпус, пористую преобразующую мембрану (перегородку ), сетчатые электроды, прилегающие к преобразующей мембране, проволочные токовыводы, соединенные с электродами и выведенные сквозь тело корпуса наружу корпуса,и рабочую жидкостьШ.

Недостатками известного преобразующего элемента являются негерметичность корпуса „обусловленная диффу зией через него паров рабочей жидкости и воздуха, и трудности, связанные.с осуществлением герметичной стыковки к корпусу гибких упругих элементов, выполненных из металла и других непроницаемых для диффузии газов материалов. Это приводит к тому, что преобразователи с известным преобразующим элементом имеют очень ограниченный ресурс работы.

Известен также преобразующий элемент, содержащий полый, открытый в двух местах стеклянный xopnyc, по ристую стеклянную преобразующую мембрану (диск ), вплавленную в корпус, сетчатые алюминиевые электроды, прилегающие к преобразующей мембране,, токовыводы, представляющие собой металлические кольца, окаймляющие края корпуса, электрически соединенные с электродами, и рабочую жидкость (ацетонитрил) 2 ).

Недостатками этого преобразующего элемента являются непрочность конструкции и сложность технологии его изготовления.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности н достигае1001205 магму результату является преобразующий элемент электрокинетического преобразователя механических величин, содержащий полый, открытый в двух местах керамический корпус (кольцо ), ! в котором установлена пористая преобразующая мембрана (пористый керамический диск ), разделяющая корпус на две части,. порошковые электроды, нанесенные на поверхности преобразующей мембраны, токовыводы, 10 представляющие собой металлические кольца, окаймляющие края керамического корпуса, электрически соединенные с электродами,и рабочую жидкость (ацетон) (3 ). 15

Недостатки указанного преобразующего элеМента обусловлены невозможностью использования при воздейсТННН на преобразователь QJ:üøèõ механических нагрузок и сложностью технологии его изготовления, Цель изобретения - повышение устойчивости электрокинетического преобразователя к механическим воздейcòâèHì и упрощение технологии его изГОТОвления.

Поставленная цель достига:-тся тем, что в преобразующем элементе электрокинетического т реобразователя механических и электрических величин, З. содер>кащем Открытый цилчндрич ескчй корпус, установленную внутри корпуа пОристу>з праОбразу".4>i>4óþ мембрану, ра деляющую внутреннюю полость корпу а -. :::,г,зе части,. эпектроур:, „зак- З5 репленные à пОэерхнОстя Г!реобразующей мембра.ны, токовыводы, соединенные с электродами, корп jjc выпОлнен из ме алла, электроды<."установлены в центральной части иембраны зь- ОРОМ Относительно корпусау рав ным толщине мембраны а Отнош =.ние диаметра v, ее толщине нахОди ся 8 пределах 10 — 12.

Предла аемый электрокинетический 2 пр образующий элемент i-роизводит преобразование перепада давления аР на преОбразующей мембране,, создавае" мого внешним измеряемым механическим сигналом, в элек †.ðè,-÷. åñêèé .сигнал. Состав рабочей жидкости и материал гористой мембраны подбираются таким, что в порах мембраны íà границе раздела жидкость — твердое тело образуется двойной электрический слой . униполярно заряженных подвижных сольватированных ионов с избытком в жидкой фазе. При наложении перепада давления др, вызванного измеряемым механическим сигналом, на преобразующую мембрану, в порах 66 возникает течение жидкости. Это течение .УВлекаеr подвижные униполярно заряженные ионы, создавая в порах электрокинетический ионный ток, величина которого благодаря разделению электрических зарядов электро= нейтральной, в целом рабочей жидкости в неоднородном электрическом поле устья поры пропорциональна д Р.

Генерированный в порах ток путем электрохимической реакции на электродах или перезарядки двойнослойной электрической емкости (при переменном течении )переходит в электронный ток 3 металлического проводника и через токовыводы выводится наружу корпуса. При протекании тока через нагрузочное электрическое сопротивление на последнем создается регистрируемое пропорциональное ЬР электрическое напряжение аО. Некоторая часть. тока при отличном от нуля значении dU течет обратно через мембрану, электрическое сопротивление которой равно R „„.

Необходимым условием работы преобразующего элемента является диэлектрическая развязка электродов (электрическая изоляция электродов друг от друга). Только при наличии такой развязки возможна регистрация отличных От нуля значений 3 и aU. Это обстоятельство не позволяет в известных конструкциях использовать металлы для изготовления корпуса преобразующего элемента, так как наличие металлического корпуса привело бы к короткому замыканию электродов. В известных конструкциях диэлектрическая развязка обеспечивается благодаря тому, что корпус выполнен из т-,,иэлектрического материа— га. Однако этс приводит к уменьшению прочности электрокинетического преобразователя и значительн4:>му усложнению технологии его изготовления.

Предлагаемая конструкция свободна от указанных недостатков, поскольку коф>ус в ней выполнен из металла— материала. более прочного, чем стек— ло,. к.ерамика, полиэтилен, а диэлектрическая развязка, в отличие от известной конструкции, достигается использованием специальной, описанной выше, конфигурацией расположения электродов и корпуса и введением в корпус электрических проходных изоляторов. Выполнить такую конфигурацию и герметично установить изоляторы в металлический корпус технологически значительно проще, чем создать, как это требуется в известной конструкции, протяженное герметичное соединение диэлектрического корпуса с металлическим кольцом, окаймляющим края корпуса и несущим значительную механическую нагрузку.

Для того, чтобы предлагаемый преобразующий элемент функционировал без снижения коэффициента преобразования перепада давления в электрическое напряжение д(4, связанного с

1001205 выводы 5 защищены электроизоляционным покрытием, которое представляет собой фторопластовые трубки 8, оде- . тые на никелевые проволоки так, чтобы концы трубок упирались в стеклян5 ную часть 9 электрических изоляторов.

В качестве рабочей жидкости 10 используют ацетон.

Предлагаемый преобразующий эле- :":

10 мент может быть использован во всех типах электрокинетических преобразователей, в частности в электрокинетических акселерометрах и преобразователях перепада давления. l5

При использовании преобразующего элемента с металлическим корпусом вместо преобразующего элемента с керамическим корпусом технология изЗО готовления электрокинетического преобразователя упрощается. Это связано с тем, что сложный технологический процесс получения прочного, герметичного, достаточно протяженного соединения керамического корпуса с металлическим кольцом, на котором к крепится упругий элемент, заменяется на относительно простой процесс впаивания наружного металлического кольца проходного изолятора

40 в металлический корпус.

Элемент содержит цилиндрический корпус 1, выполненный из нержавеющей стали, в котором с помощью стеклоцемента закреплена преобразующая мембрана 2, представляющая собой спеченный из стеклянного порьшка плоский диск, диаметр 0 которого в

10 раз превышает его толщину центральную часть преобразующей мембраны напылены тонкие никелевые пленки 3, играющие роль электродов, причем у краев мембраны кольцевые участки 4 поверхности мембраны шириной h оставлены незапыленными ни- 55 келем. К никелевым пленкам приварены одними концами никелевые проволоки 5, играющие роль токовыводов, другие концы проволок приварены к центральному металлическому 60 стержню 6 электрического стеклянного проходного изолятора типа HGtl-1,4-630-A ОЖР 487. ООТУ, наружная металлическая шайба 7. которого впаяна в корпус преобразующего элемента. Токо-65

Формула изобретения обратными токами утечки, необходимо, чтобы электрическое сопротивление среды рабочей жидкости, находящейся во внутренней полости корпуса между электродом и корпусом В „, было значительно больше, чем электрическое сопротивление заполненной рабочей жидкостью преобразующей мембраны Кзя. Практически достаточно, чтобы- R „ было в 10 раз меньше, чем

R . Это условие выполняется в том эк случае, когда диаметр мембраны в

10-12 раз превышает толщину мембраны, а электроды прилегают только к центральной части мембраны с зазо ром между краями электродов и корпусом, равным толщине мембраны. При выполнении условия 10 Кэм -а Вэкпа= дение коэффициента преобразования л0 вследствие появления обратных токов утечки через электрическое соп ротивление R „ не превышает 10%, что во многих случаях несущественно для работы преобразователя. К снижению полезного выходного электрического сигнала может привести также утечка электрического тока через сопротивление среды рабочей жидкости между токовыводом и корпусом R <.

Для того, чтобы избежать этого и при дать преобразующему элементу наибольший коэффициент преобразования (чувствительность ), в предлагаемой . конструкции участки токовыводов, находящиеся внутри корпуса, защищены электроизоляционным материалом, химически устойчивым в рабочей жид, кости„ Это приводит к увеличению RT и тем самым к увеличению Ь0.

На чертеже. показан преобразующий элемент.

Улучшение прочностных характеристик электрокинетического преобразователя, в котором используется предлагаемый преобразующий элемент, обусловлено тем, что конструкционные металлические материалы являются значительно более прочными, чем конструкционные диэлектрические мате риалы.

Преобразующий. элемент электроки-.нетического датчика механических и электрических величин, содержащий заполненный рабочей жидкостью цилиндрический корпус, установленную внутри корпуса пористую преобразующую мембрану, разделяющую внутреннюю полость корпуса на две части, электроды, закрепленные на поверхностях преобразующей мембраны, токовыводы, соединенные с электродами, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения устойчивости преобразователя к механическим воздействиям и упрощения технологии его изготовления, корпус выполнен из металла, электроды установлены в центральной части мембраны с зазором относительно корпуса, равным толщине мембраны, а отношение диаметра мембраны к ее толщине находится в пределах 10 †:12.

1001 205

Составитель И. Полунина

Редактор Л. Огар Техред О,неце Корректор Б. Бутяга

1408/б1 Тираж 701 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Мосива, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Источ ники информации, принятые во внимание при экспертизе

Касимзаде 14.С. и др. Электро" кинетические пвеобоазователи инФоомации. М.. "Энеогия". 1973. с. 83.

2. Патент СЫ Р 2644900. кл. 310-2. 1953.

3. Ломбковский Я. и до. Электрокинетический поеобоазователь для измерения механических величин.

В сб. Научные приборы СЭВ, Комитет по научно-техническому сотрудничест5 ву, М,, 1974, Р 4, с, 3 (прототип).