Преобразующий элемент электрокинетического преобразователя

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1040538

3 5р Н 01 G 9/22 с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3433544/18-10 (22) 07.05.82 (46) 07.09.83. Бюл. У 33 (72) Б.Б. Кузьменко, Б.В. Кудашкин . и Н.В. Петькин (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока (53) 621.35(088.8) (56) 1. Касимзаде М.С, и др. Электрокинетические преобразователи информации. М., "Энергия", 1973, с. 46..

2. Collins J.1 ., E11is G..Е. "Elect"

rok1netic Acoustic Pressure Tranducer". - "Acoustical Society of Anerica", 1964, 36, — 10, р. 1858 (прототип). (54)(57) ПРЕОБРАЗУЬЗЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, со" держащий полый корпус, внутри которо-.

ro установлена стеклянная пористая преобразующая мембрана, разделяющая внутреннюю его полость на две час" ти, в каждой из которых расположены электроды, соединенные с токовыводами, изолированными друг от друга и герметично выведенными наружу корпуса, и рабочую жидкость на основе этилового спирта, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности преобразующего элемента по напряжению и коэффициента преобразования по электрической мощНости, рабочая жидкость выполнена в виде бинарного раствора этилового спирта с гексаном при следующем соотношении компонентов, об.3:

Этиловый спирт 10,0-79,7

Гексан 30,3"90,0!

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике, а имен- но к молекулярно-электронным электрокинетическим преобразователям информации. 5

Преобразующий элемент с герметично присоединенными к нему упругими элементами или трубой образуют электрокинетический преобразователь. Непосредственно в преобразующем элементе происходит преобразование видов энергии.

Известны различные типы преобразующих элементов электрокинетических преобразователей, содержащих корпус, пористую преобразующую мембрану, электроды и рабочую жидкость. В качестве рабочей жидкости используются этило-

BblH метиловый и изопропиловый спирты, нитробензол, ацетонитрил, дете- тилформамид, пропионитрил, бензин с

20 примесью нефтяного битума, диэтилкетон ацетон. Преобразующие элементы, в которых используются указанные однокомпонентные органические полярные

25 жидкости, имеют относительно низкую чувствительность по напряжению (ко" эффициент преобразования перепада давления на преобразующей мембране в электрическое напряжениВ). Эти жид- кости в той или иной степени являются токсичными, из них наименьшую токсичность имеет этиловый спирт.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является 35 преобразующий элемент электрокинетического преобразователя, который имеет корпус, внутри которого установлена стеклянная пористая преобразующая мембрана (стеклянный диск ), разделяю- 40 щая внутреннюю полость корпуса на две части, в каждой из которых расположены электроды токовывода, изолированные друг от друга и герметично выведенные наружу корпуса, рабочую жидкость на основе этилового спирта ).

Недостаток преобразующего элемента состоит в том, что его чувствительность по напряжению и коэффициент преобразования перепада давления на преобразующей мембране в электрическую мощность недостаточно велики, чтобы удовлетворить требованиям, предьявляемым к чувствительным измерительным приборам повышенной точности, Это обьясняется тем, что пористая преобразующая мембрана элемента из-за относительно большой удельной электропроводности этилового спирта имеет относи538 тельно невысокое электрическое сопроо тивление.

Цель изобретения - повышение чувствительности преобразующего элемента электрокинетического преобразователя по, напряжению, повышение коэффициента преобразования по электрической мощности, Указанная цель достигается тем, что преобразующий элемент электрокинетического преобразователя содержит полый корпус, внутри которого установ@ лена стеклянная пористая преобразующая мембрана, разделяющая внутреннюю

его полость на две части, в каждой из которых расположены электроды, соединенные с токовыводами, изолированными друг от друга и герметично выведенными наружу корпуса, и < абочую жидкость, на основе этилового спирта.

Рабочая жидкость выполнена в виде бинарного раствора этилового спирта с гексаном при следующем соотношении компонентов, об.3:

Этиловый спирт >0"79,7

Гексан 20,3-90

На фиг. схематически показана конструкция предлагаемого преобразующего элемента; на фиг. 2 - зависи" мость чувствительности от концентрации гексана.

В корпусе 1 установлена стеклянная пористая преобразующая мембрана 2 и электроды 3, соединенные с,токовыводами 4, во внутренней полости корпуса, порах преобразующей мембраны содержится рабочая жидкость 5., которая представляет собой бинарный раствор этило" вого спирта с гексаном указанной концентрации.

Принцип работы преобразующего элемента состоит в следующем.

Состав рабочей жидкости и материал пористой мембраны выбираются такими, что при заполнении рабочей жидкости пор мембраны на поверхности раздела жидкость — твердое тело за счет межфазного разделения электрического заряда, обусловленного стремлением к минимуму свободной поверхности энер" гии, возникает двойной электрический слой. Существенное значение,в Формировании двойного. электрического слоя, а следовательно, и в электрокинетическом преобразовании имеют как состав рабочей жидкости, так и материал преобразующей мембраны. Часть зарядов двойного электрического слояего диффузная часть, благодаря тепловому движению молекул жидкости, нахо1040

i=-ЗЬР- „, Ь0, ЭЮ

° 40

l эн. (2) из которой следует, что

Ь эм эн -p

Зм — 4Р. (+} эи+ эн дится s несвязанном жестко с твердым телом подвижном состоянию. Это приводит к тому, что в заполненной pa6o" чей жидкостью поре существует значи"тельное количество униполярно (одного знака ) заряженных избыточных по от- . ношению к ионам другого знака сольватированных ионов. При наложении перепада давления ЬР на преобразующую мембрану, вызванного; механическим сиг- 10 налом, который и регистрируется преобразователем, в порах возникает течение жидкости. Это течение увлекает подвижные униполярно заряженные ионы, создавая в порах электрокинетический ионный ток Э, который поддерживается стационарным благодаря разделению электрических зарядов электронейтраль" ной, в целом рабочей .жидкости в ус" тьях пор. Величина 5 пропорциональная о

hP, Э = — 3 ° 4 Р, где 3 - отнесенный к единице давления электрокинетичес" кий ток течения.

Генерированный в порах ток 3 путем электрохимической реакции на электро- дах или путем перезарядки электрическОй электродной емкости (при переменном течении ) переходит в электронный ток металлического проводника 1 и через токовыводы выводится наружу корпуса.

При протекании тока i через нагрузоч" ное электрическое сопротивление Я на последнем создается регистрируемое. пропорциональное 4Р электрическое напряжение 40 . Поскольку преоб-" разующая мембрана имеет конечное электрическое сопротивление Й „, то эк некоторая часть электрокинетийеского тока течениЯ - ток 1 р, течет обРатно чЕрез мембрану, в результате 1 обр " об !R3í

Такйм оЬразом, имеем замкнутую систему уравнений

В уравнениях (1)-(4 ) учитываются направления электрического тока, те" чения жидкости, градиентов давленяя и электрического потенциала, знаки перед членами в правой части уравне". ний (1 )-(2) выбраны таким образом, что величина 3 положительна в том случае, если в капиллярах осуществляется конвективный перенос положитель" ных ионов. В зависимости от величины нагрузочного электрического сопро" тивления Д „ возможны различные режи" мы работы преобразующего элемента.

В наиболее распространенном потен,циальном режиме (режиме холостого хода ) с электродов снимается максимальное напряжение 40+, соответственно максимальное значение ь0 .приобрета" ет коэффициент преобразования перепа", да давления на преобразующей мембране в электрическое напряжение. Из (4) следует, что этот режим реализуется в том случае, когда нагрузочное электрическое сопротивление R „много больше электрического сопротивления преобразующей мембраны эн 1 эм с< 1 эн и

bV

ЬР Э

Коэффициент преобразования перепада давления на преобразующей мембране в электрическое напряжение в потенциальном режиме аОппредставляет соЬой чувствительность преобразующего элемента по напряжению. В режиме мак симальной выходной электрической мощности сопротивление электрической нагрузки R» выбирается таким, что снимаемая с электродов .выходная электрическая мощность принимает макси" мальное значение %м; соответственно

:максимальное значение %м принимает коэффициент преобразования перепада давления на преобразующей мембране 3 Р (в квалрате ) в электрическую мощность %

Ф/= ° (6)

1bu

ЬР я

Коэффициент преобразования. перепада давления ЬР (в квадрате ) на преобразующей мембране в электрическую мощность представляет собой коэффициент преобразования по электрической мощ ности. Постановка в (6 ) значений и bu из (3 ) и (4 ) и оптимизация полученного выражения по R „показывает, что режим максимальной выходной элект1040538 рической мощности реализуется тогда, когда Йам-R „è

2 ф ° (7) м ф 5 ,! Из (i ) и (6 ),видно, что чувствительность преобразующего элемента по напряжению дО„, коэффициент преобразования по электрической мощности ц»

%„ возрастают с ростом произведений

3 р и 32 R э, в которые входят эи, эм отнесенный к единице давления электрокинетический ток течения 3 и электрическое сопротивление преобразующей мембраны (электрическое сопротивление преобразующего элемента ).

Величина ) зависит от (-потенциала, характеризующего заряд поверхности и диффузную часть двойного электрического слоя на границе раздела фаз рабочая жидкость - твердое тело мембраны, диэлектрической проницаемости Я, динамической вязкости р. рабочей жидкости и возрастает с ростом f ""по" тенциала и .

На Фиг. 2 показана построенная зависимость чувствительности преобразующего элемента по напряжению от кон )О центрации гексана в рабочей жидкости, откуда видно, что чувствительность преобразующего элемента по напряже" нию д0п и коэффициент преобразования по электрической мощности Фl„„ уве35 личиваются при переходе от преобразующего элемента, рабочая жидкость которого представляет собой чистый этиловый спирт к преобразующим элементам, рабочие жидкости которых представляют собой бинарные растворы,этилового спирта и гексана ° Увеличение д0„ и % „ связано со следующими основными Факторами. Первый - переход от чистого этилового спирта к бинарным

45 растворам, благодаря уменьшению электропроводности,рабочей жидкости, увеличивает электрическое сопротивление преобразующей мембраны R э„„ и, соответственно, уменьшает обратные токи утечки через мембрану i0> . Второй "

50 при соприкосновении бийарного раство" ра с поверхностью диэлектрического материала, из которого изготавливается пористая преобразующая мембрана происходит преимущественная адсорбция 55 полярного этилового спирта по сравнению с неполярным гексаном и образование на поверхности стекла граничного слоя значительной толщины, состоящего преимущественно из этилового спирта. Это приводит к тому, что при замене этилового, спирта бинарными растворами на поверхности стекла несмотря на то, что гексан является неполярной жидкостью, сохраняется достаточно большой отрицательный заРяд и на границе раздела фаз существует двойной электрический слой с высоким -потенциалом. В результате в преобразующих элементах, заполненных бинарными растворами, относительно высокое значение, хотя и меньшее, чем на чистом этиловом спирте, имеет отнесенный к единице давления электрокинетический ток течения 3 .

Совокупное действие укаэанных Факторов свое(ится к тому, что величины

3 Rэ„ и ) „„, а следовательно, и Ь 0п и %„„™ возрастают при переходе от этилового спирта к бинарным растворам несмотря на то, что полярность этилового спирта с диэлектрической проницаемостью Я, равной 23,8, больше, чем полярность используемых би" нарных растворов, диэлектрическая проницаемость которых с увеличением концентрации гексана снижается до

2,17. Даже небольшая добавка гексана в этиловый спирт приводит к положитель. ному эффекту. Точное значение концентрации рабочей жидкости предлагаемого преобразующего элемента зависит от конкретного назначения электрокине.тического преобразователя и возможности электронной схемы, усиливающей выходной электрический сигнал.

Положительный эффект дает использование преобразующих элементов, содержащих стеклянную пористую преобразующую мембрану и рабочие жидкости, концентрация гексана которых лежит в диапазоне от 20,3 до 801 (соответственно концентрация этилового спирта лежит в диапазоне от 10 до 79,71 ), В этом диапазоне изменения С более высокое, чем на чистом этиловом спирте, значение приобретает не только чувствительность преобразующего элемента по напряжению дО, но и коэффициент преобразования по электрической мощности. Последнее существенно для лучшего согласования электроки,нетического преобразователя с элект;ронной усилительной схемой.

7 . 1040538 8

Таким образом, выполнение рабочей ет чувствительность преобразукщего эле,жидкости в виде бинарного раствора мента по напряжению и коэффициент преобэтилового спирта с гексаном повыва" разования по электрической мощности.

Составитель Н. Иараховская

Редактор О. Сопко Техред Ж.Кастелевич Корректор О. Тигор

Заказ 6940/55 Тираж 703 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изМретений и открытий

11)ОЯ Иосква Ж-Я Ра шская набд g. 4/5

Филиал ППЙ "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, ч