Способ задания последовательности интервалов времени времязадающего электрода

 

Изобретение предназначено для использования в электрохимических программно-временных устройствах в автоматических системах управления. Сущность изобретения: способ снимает ограничения по величинам токов, при которых растворяются слои металлов, из которых состоит времязадающий электрод, что позволяет расширить диапазон реализуемых времен, увеличить число металлов, из которых могут быть сформированы пары слоев, а также упростить аппаратуру, реализующую способ. Достигается это тем, что интервал времени определяют по резкому уменьшению величины тока, протекающего через электрод. Для растворения слоя металла с низким потенциалом растворения подают на электрод потенциал, соответствующий его активному состоянию, а после полного растворения этого слоя подают потенциал, которых обеспечивает активное состояние слоя металла с высоким потенциалом растворения и переводит в пассивное состояние слой металла с низким потенциалом растворения. После полного растворения слоя металла с высоким потенциалом растворения цикл повторяется, причем начало того или иного цикла определяется в зависимости от того, из какого металла сформирован первый слой времязадающего электрода. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области задания последовательности интервалов времени электрохимическим программно-временным устройством в автоматических системах управления.

Известен способ задания интервалов времени путем анодного растворения постоянным током определенной массы металла, нанесенного на инертную токоподводящую подложку [1] После полного растворения указанной массы, которое происходит в течение времени, определяемого законом Фарадея, наблюдается скачок потенциала, служащий выходным сигналом.

Недостатком этого способа является то, что каждый интервал времени формируется отдельным времязадающим элементом. Таким образом, для получения последовательности нескольких независимых по длительности временных интервалов требуется соответственно увеличивать число элементов.

Известен также способ [2] которым можно задавать последовательный ряд интервалов времени путем анодного растворения постоянным током расположенных последовательно слоев электроактивных веществ в порядке уменьшения их потенциалов растворения. Таким образом, получают временные интервалы, длительность которых зависит от толщины слоев и определяется в соответствии c законом Фарадея.

Недостатком этого способа является то, что для получения последовательности нескольких временных интервалов требуется использовать такое же число различных электроактивных веществ, т.е. веществ, не пассивирующихся при определенной скорости растворения. Круг этих веществ ограничен необходимым условием образования легкорастворимых соединений при протекании анодной реакции и условием отличия их потенциалов растворения, по крайней мере, на 0,3 В. Ограничено и число реализуемых интервалов времени, поскольку разность потенциалов растворения между крайними электроактивными слоями имеет конечное значение. Кроме того, каждой временной задержке соответствуют различные последовательно увеличивающиеся уровни потенциала электрода. Это приводит к усложнению исполнительного устройства, управляемого многоуровневым выходным сигналом, и к сужению области его применения.

Наиболее близким аналогом является способ задания последовательности интервалов времени при помощи времязадающего электрода электрохимического программно-временного устройства, описанный в [4] (прототип). Этот способ реализуется путем анодного растворения времязадающей части электрода, сформированной из пар слоев металлов с различными потенциалами растворения, и определения интервалов времени по скачку электрического сигнала. Для растворения слоя металла с низким потенциалом растворения подают ток, плотность которого соответствует активному состоянию как слоя металла с низким потенциалом растворения, так и слоя металла с высоким потенциалом растворения. После полного растворения слоя металла с низким потенциалом растворения подают ток, плотность которого обеспечивает активное растворение слоя металла с высоким потенциалом растворения и переводит в пассивное состояние слой металла с низким потенциалом растворения. Выходным сигналом служит скачок потенциала. Затем цикл повторяется. Начало цикла определяется в зависимости от того, из какого металла сформирован первый слой рабочей части времязадающего электрода, а число циклов практически неограниченно и зависит от числа пар слоев металла времязадающего электрода.

Известный способ имеет следующие недостатки. Во-первых, область его применения ограничена обязательным условием наличия более широкого диапазона скоростей анодного растворения (анодных плотностей тока) в активной области у металла, имеющего более высокий потенциал растворения, что ограничивает число пар металлов, из которых могут быть изготовлены слои, а следовательно, и величины получаемых интервалов времени, так как толщина слоя, которая может быть получена, зависит от свойств металла. Во-вторых, процесс анодного растворения ведется с помощью ступенчато изменяющегося тока, что требует сложной электронной аппаратуры, в частности, включающей гальваностат.

Изобретение решает задачу снятия ограничения по скоростям анодного растворения (величинам токов, при которых растворяются слои металлов) и благодаря этому позволяет расширить диапазон реализуемых времен, увеличить количество металлов, из которых могут быть сформированы пары, а также упростить аппаратуру, реализующую способ.

Задача решается тем, что для растворения рабочих слоев металлов с различными потенциалами растворения в качестве электрохимического управляющего сигнала используется потенциал, а интервалы времени определяют по резкому уменьшению величины тока, протекающего через электрод. После полного растворения слоя металла с низким потенциалом растворения при заданном потенциале, на электрод подают другой потенциал, который обеспечивает активное растворение слоя металла с высоким потенциалом растворения и переводит в пассивное состояние слой металла с низким потенциалом растворения. После растворения слоя металла с высоким потенциалом растворения цикл повторяется. Начало цикла определяется в зависимости от того, из какого металла сформирован первый слой рабочего электрода, а число циклов практически неограниченно и зависит от числа слоев металла времязадающего электрода.

Сравнение изобретения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна". В прототипе в качестве электрического (управляющего) сигнала использован ток, а контролируемым параметром является величина потенциала, поэтому в качестве критерия подбора пар используют величины максимально допустимых плотностей тока, ограничивающих области активного растворения каждого металла пары. Авторам удалось найти только две пары, отвечающие этим условиям. В изобретении в качестве электрического (управляющего) сигнала используют потенциал, а контролируемым электрическим параметром является величина тока. Это позволило вести процесс растворения независимо от диапазона плотностей тока, при которых металлы, имеющие различные потенциалы растворения, находятся в активном состоянии, а следовательно, расширить диапазон реализуемых интервалов времени за счет возможности подбирать пары из большего числа металлов.

Кроме того, использование в качестве управляющего сигнала потенциала приводит к значительному упрощению аппаратуры, так как отпадает необходимость использования гальваностата. Авторам не известны иные технические решения, в которых для поочередного растворения пар металлов использовалось бы свойство металлов переходить то в активное, то в пассивное состояние при подаче ступенчато изменяющегося потенциала. Именно поэтому можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение имеет изобретательский уровень.

Сущность изобретения состоит в том, что применение двух различных значений потенциалов для поочередного растворения двух металлов, имеющих различные потенциалы растворения и пассивации, обеспечивает растворение каждого слоя металла в условиях, когда следующий, лежащий под ним слой либо растворяется с существенно меньшей скоростью, либо практически не растворяется, находясь в пассивном состоянии. Это позволяет проводить равномерное и полное растворение каждого слоя металла.

На чертеже (а) представлены анодные поляризационные кривые металлов М₁ и M₂, из чередующихся слоев которых состоит растворяемая часть времязадающего электрода. Участки поляризационных кривых a₁b₁ и a₂b₂ соответствуют активному состоянию металлов, участки кривых правее точек b₁ и b₂ пассивному. На чертеже (в) представлены зависимости потенциала электрода (управляющего параметра) от времени, на (б) зависимость анодного тока от времени. Как видно из графика зависимости потенциала электрода от времени, растворение времязадающих слоев металлов ведется при попеременной подаче на рабочий электрод двух потенциалов Е' и Е''. Для растворения металла М₁ используют потенциал Е', а для растворения слоя металла М₂ используют потенциал Е''. Выходным сигналом является анодный ток.

Реализация заданной временной программы производится следующим образом. Если первым растворяемым слоем является слой металла М₁, растворение ведут при потенциале Е'. При этом скорость анодного растворения характеризуется токов I'₁, как это следует из хода анодной поляризационной кривой для металла М₁. Полное растворение слоя металла M₁ обеспечивается тем, что анодное растворение металла М₂, из которого состоит следующий слой, при потенциале Е' может происходить только с гораздо меньшей скоростью, определяемой током I'₂ (см. поляризационную кривую для металла М₂). После этого вследствие отсутствия на поверхности электрода металла М₁ начинается растворение металла М₂, и анодный ток уменьшается до значения I'₂, что служит сигналом для изменения потенциала электрода до уровня Е''. При этом ток принимает значение I''₂. Полное растворение металла М₂ обеспечивается тем, что при потенциале Е'' металл М₁, лежащий под ним, не может находиться в активном состоянии. Поэтому после полного растворения металла М₂ ток резко падает до значения I''₁, сто служит сигналом для перехода на растворение при потенциале Е' и т. д. Длительность задаваемых временных интервалов (т.е. время нахождения тока на уровнях I'₁ и I''₂) определяется массой металла в каждом слое в соответствии с законом Фарадея.

Пример. В качестве времязадающего электрода взят электрод, состоящий из чередующихся слоев свинца и молибдена, полученных катодным осаждением из соответствующих электролитических ванн [3] Растворение ведут в 0,5 М растворе серной кислоты. Для растворения свинца используют управляющий потенциал минус 0,25 В, для растворения молибдена -плюс 0,62 В. Потенциал подавали с помощью потенциостата ПИ-50. Толщина слоев, определяющих величину требуемых задержек, рассчитывалась в каждом конкретном случае по закону Фарадея. Так, для реализации временных интервалов длительностью 50 и 100 с требуется соответственно толщина слоя свинца 0,5 мкм и толщина слоя молибдена 2,0 мкм. Это позволяет сформировать последовательность необходимого числа интервалов времени в виде двухуровневого выходного сигнала. Величина уровней выходного сигнала составляет 1 мА/см² при растворении слоя свинца и 100 мА/см² при растворении слоя молибдена.

Возможность использования различных пар металлов иллюстрируется таблицей, в которой приведены величины управляющих потенциалов и уровней выходного сигнала для некоторых найденных авторами пар металлов, растворение которых осуществляется в 0,5 М растворе серной кислоты.

Приведенный пример и таблица свидетельствуют о возможности осуществления заявленного способа, так как в них приведены последовательность действий, электрические параметры, при которых эти действия осуществляются, реактивы, которые могут быть использованы, и подтверждено, что при реализации способа может быть использовано значительно большее число металлов и пар из них.

Формула изобретения

Способ задания последовательности интервалов времени времязадающего электрода электрохимического программно-временного устройства путем анодного растворения времязадающей части электрода, сформированной из пар слоев металлов с различными потенциалами растворения и определения интервалов времени по скачку электрического сигнала, причем для растворения слоя металла с низким потенциалом растворения подают электрический параметр, обеспечивающий активное анодное растворение рабочего слоя металла с низким потенциалом растворения, после полного растворения указанного рабочего слоя металла подают электрический потенциал, обеспечивающий активное растворение рабочего слоя металла с высоким потенциалом растворения и переводящий в пассивное состояние рабочий слой металла с низким потенциалом растворения, после растворения рабочего слоя металла с высоким потенциалом растворения цикл повторяют, причем начало того или иного цикла определяется в зависимости от того, из какого металла сформирован первый рабочий слой времязадающей части электрода, отличающийся тем, что в качестве электрического, применяемого для растворения рабочего слоя металла с разными потенциалами растворения, используют потенциал, а интервалы времени определяют по резкому уменьшению величины тока, протекающего через электрод.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2