Многоэлектродный электрохимический преобразователь

.но,-т= хничест , р,(МБфц О П И С А Н И Е 11 ц 606626ИЗОБРЕТЕНИЯ Союэ Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 28.11,75 (21) 2193080/10 51) М. Кл.з Н 016 922 присоединением заявки Ъо Государственный комитет Совета Министров СССР 23) Приоритет43) Опубликовано 3) УДК 621.35(088,8) 3.78, Бюллетень Ме 12 ия описания 13.04.78 делам изобретении и открытий 5) Дата опублико 2) Авторы изобретения О. Г. Коль и М. Л, Фиш Севастопольский приборостроительный инстит(54) МНОГОЭЛ ЕКТРОДН Ы Й ЭЛ ЕКТРОХИ МИЧ ЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬИзобретение относится к приборостроению, а более конкретно к электрохимическим преобразователям с обратимыми окислительновосстановительными системами.предлагаемый преобразователь может быть использован для усиления и интегрирования электрических сигналов, например, в моделирующих устройствах, в измерительной и вычислительной технике.Известны электрохимические преобразователи концентрационного типа, герметичный корпус которых заполнен электролитом и содержит связанные между собой резервуар и интегральный отсек. Расположенные в этих отсеках три и более электрода служат для ввода входного сигнала, считывания выходного сигнала и предотвращения естественной диффузии реагента между отсеками, Эти преобразователи имеют объемную, планарную или бипланарную конструкции, отличающиеся технологией производства и электрическими параметрами 1. В преобразователях объемной конструкции применяются цилиндрические прецизионные блоки из специального стекла и керамические втулки. Они предназначены для объединения, разделения и крепления деталей прибора, в том числе круглых электродов из платиновой фольги, сетки или графита. В сплавленном виде блоки представляют собой компактную конструкцию, ее достоинство возможность обеспечения относительно стабильной величины входного сопротивления 12.Существенным недостатком преобразователей объемной конструкции является низкд" 5 уровень технологии промышленного производства, что затрудняет достижение малого расстояния между электродами интегрального отсека для повышения чувствительности и верхней граничной частоты. Недостаток преобра зователси планарной и бипланарной конструкции состоит в значительной зависимости входного сопротивления от концентрации реагснта в интегральном отсеке, а следовательно, от диапазона интегрирования. Это приводит к необ ходимости ограничивать диапазон интегрирования или увеличивать дополнительное сопротивление во входной цепи интегратора и в результате к сниженшо чувствительности по напряженшо при интегрировании сигналов низ коомиых и низковольтных источников, например электрохимичсских датчиков, Общим недостатком известных преобразователей является наличие только одного входа, поэтому для интегрирования сигналов нескольких, напри мер двух, источников необходимо применениекоммутатора или иного другого устройства, разделяющего эти источники. Например, с этой целью в устройстве интегральной оценки вход преобразователя периодически переклюзз чают от источника сигнала к генератору пм 600625пульсов, возвращающих преобразователь в начальное состояние. При этом о результате интегрирования судят по числу коммутаций, что вызывает погрешность ввиду потери информации во время отключения ее источника. Кроме того, во всех известных конструкциях преобразователей одна или обе стенки интегрального отсека служат также стенками корпуса преобразователя и резервуар расположен со стороны только одной стенки интегрального отсека. Такое взаимное расположение интегрального отсека и резервуара приводит к различию тепловой инерционности заполняющих их объемов электролита, а следовательно, и режимов работы электродов, экранирующих эти отсеки. Результат этого - дрейф нулевого уровня выходного сигнала при колебаниях температуры окружающего воздуха.Известен многоэлектродный электрохимический преобразователь концентрационного типа с интегральным отсеком бипланарной конструкции и с расположенным вокруг него резервуаром 31. У плоскости интегрального отсека круглая форма, такая же форма и у размещенных в нем общего и считывающего по переменному току электродов, а остальные электроды концентрично расположены относительно этих электродов и имеют кольцевую форму, Интегральный отсек сообщается с резервуаром через кольцевую щель с находящимся в ней экранирующим резервуар электродом, а выводы электродов перпендикулярны,к их плоскостям.В этом преобразователе, несмотря на приведенные отличия конструкции, сохраняются недостатки известных преобразователей, Так, расположение выводов электродов перпендикулярно к их плоскостям снижает технологичность конструкции в сравнении с плоскостными конструкциями преобразователей, в которых выводы электродов параллельны их плоскостям, Этот недостаток обусловлен кольцевой формой электродов и расположением резервуара относительно плоскостей интегрального отсека, затрудняющих изолированный вывод электродов параллельно их плоскостям. Концентричное расположение электродов кольцевой формы вокруг интегрального отсека приводит к уменьшению поперечного сечения щели со считывающим по постоянному току электродом относительно щели с экранирующим резервуар электродом. Поэтому входное сопротивление преобразователя в основном определяется концентрацией реагента вблизи интегрального отсека, зависящей от диапазона интегрирования. Этот преобразователь принципиально может иметь только один вход, что обусловлено наличием только одного входного и одного общего электродов, поскольку наличие большего числа этих электродов в резервуаре и в интегральном отсеке не позволит выполнить несколько раздельных входов ввиду гальванической связи между нимп через электролит. Кроме того, плоскости 5 10 15 20 25 30 35 40 45 53 55 60 65 интегрального отсека расположены на Стенках корпуса и не граничат с резервуаром. Поэтому колебания температуры окружающей среды так же влияют на дрейф нулевого уровня выхсдного сигнала преобразователя.Цель изобретения - повышение технологичности конструкции и точности работы известного преобразователя.Это достигается тем, что в многоэлектродном электрохимическом преобразователе, содержащем заполненный электролитом герметичный корпус, состоящий по крайней мере из одного резервуара, в котором размещен входной электрод, и интегрального отсека бипланарной конструкции с концентрично расположенными в нем по меньшей мере одним считывающим, экранирующим и общим электродами, плоскости интегрального отсека выполнены в виде полукруга с входным отверстием в одной или каждой из них вблизи середины прямолинейного ребра и расположены на стенках, общих с резервуаром, а электроды интегрального отсека имеют форму полукольца и расположены концентрично относительно входного отверстия, причем выводы электродов размещены параллельно плоскостям и перпендикулярно к прямолинейным ребрам интегрального отсека,Другое отличие преобразователя состоит в том, что экранирующий резервуар электрод расположен на поверхности водного отверстия.Эти отличия обеспечивают технологичность конструкции предлагаемого преобразователя, как у известных преобразователей, бипланарной конструкции, и одновременно относительную стабильность входного сопротивления, как у известных преобразователей объемной конструкции, а также уравнивание температурных режимов интегрального отсека и резервуара, отсутствующие у известных преобразователей.Кроме того, с целью обеспечения возможности непосредственного подключения к двум,независимым источникам электрического сигнала, предлагаемый преобразователь имеет резервуар с входным электродом со стороны каждого входного отверстия интегрального отсека.При этом входные электроды оказываются расположенными в отдельных резервуарах, разделенных общими с интегральным отсеком стенками и сообщаемьх с ним и друг с другом через входные отверстия интегрального отсека с низкой концентрацией реагента в них относительно концентрации в резервуарах. Возможность введения в преобразователь дополнительного входного электрода, отсутствующего у известных преобразователей, обусловлена конструкцией интегрального отсека и размещением в нем электродов и их выводов.На фиг. 1 изображен общий вид преобразователя в разрезе; на фиг. 2 - узлы преобразователя в разрезе; на фиг. 3 - одна из плоскостей интегрального отсека в плане с электродами и их выводами; на фиг. 4 показаны условное графическое изображение и схема включения преобразователя.Преобразователь содержит корпус 1 с расположенными в нем резервуарами 2 и 3 и интегральным отсеком 4. Резервуары ограничены стенками 5 и 6 и стенками 7 и 8, причем последние являются также стенками интегрального отсека 4 и имеют входные отверстия 9 и 10, через которые все отсеки преобразователя сообщаются друг с другом, На внутренних поверхностях стенок 5 и 6 резервуара расположены входные электроды 11 и 12, во входных отверстиях 9 и 10 - экранирующие резервуар электроды 13 и 14, а на внутренних поверхностях стенок интегрального отсека (па плоскостях интегрального отсека) - считывающий 15 и общий 16 электроды. Электроды 13 и 16 имеют форму полукольца, а электроды 13 - 14 - также и форму цилиндра, поскольку расположены еще и на поверхностях входных капиллярных отверстий 9 и 10,Плоскость интегрального отсека 4 на каждой из стенок 7 и 8 выполнена в виде полукруга. На одной плоскости расположены электроды 13 и 15, на другой - электроды 14 н 16. Выводы этих электродов расположены параллельно плоскостям и перпендикулярно к их прямолинейным ребрам. Необходимое углубление плоскостей в стенки 7 и 8 получено одновременно с прошивкой в них входных отверстий 9 и 10 средствами ультразвуковоц механической обработки. Материал стенок 5 - 8 - стекло платиновой группы, инертное к электролиту; после сплавления этих сте 1 лк преобразователь представляет собой монолитную конструкцию. Электролит - раствор йодистого калия и йода в воде или диметилформамцде; заполняется преобразователь электролитом через трубки в стенках 5 и 6 (на фигурах не показаны), после чего эти трубки завариваются. Для тренировки и работы преобразователя между его входным 11 и экрацирующим 13 электродами резервуара 2 включен источник поляризуюшего напряжения Е 1, между входным 12 и экранирующим 14 электродами резервуара 3 - источник поляризующего напряжения Е 2, а между считывающим по постоянному току электродом 15 и общим электродом 16 интегрального отсека 4 - источник поляризующего напряжения Е, последовательно с сопротивлением нагрузки К,. Величины напряжения между электродами не превышают 0,7 В для водных растворов электролита или 1,58 - для растворов в диметилформамиде.Клеммы Вход 1, соединенные с входным 11 и общим 16 электродами, служат для подключения одного цз источников интегрируемого электрического сигнала, клеммы Вход 2. соединенные с входным 12 и общим 16 электродами, - для подкгночспия второго такого источника.Работает преобразователь следующим образом,5 10 15 20 2 30 35 40 1, 50 55 бд ОЭ С подключением источников интегрируемых сигналов по входам Вход 1 и Вход 2 преобразователя через его входные цепи проходяг входные токи. Велц 1 цца каждого цз них оцрс;1 елястся напряжением ц внутрепппм соп 1 эотпвлеппем соответствующего источника с:;и ала, а также внутренним сопротивлением 11 ждой входной цепи преобразователя н Обшей для нпх концентрационной ЭДС. Внутрсццсе сопротивленпе каждой входной цепи преобразователя в основном определяется сопротпвленцем электролита во входном отверстии 9, 10 ц вблизи цсго со стороны интегрально:0 Отсека 4, поскольку поперечное сечение этого участка электролита меньше, чем в интегральном Отсе 1 с 4 ц вблизи От него, а концентрация рсагснта в пем убывает по экспоцсцццальцому закону в направлении от резервуара 2, 3 к интегральному отсеку 4. Величина этой концентрации в основном определяется концентрацией реагента в резервуаре 2, 3, а также эффективностью экранцрующего резервуар электрода 13, 14, зависящей от его геометрических размеров: радиуса ц длины входного отверстия 9, 10, ширины полукольца каждого экранпрующсго резервуар электрода 13, 14 ц шпрцпы шслп между ними. В этой шслп концентрация реагента изменяется в меньшей степени, чем в интегральном отсеке 4 и вблизи пего, а в отьерстци 9, 10 она постоян;1 а. Поэтому вцутрсццсе сопротивление каждой входной цспц преобразователя относительно постоянно, а величина его в основном определяется сопротивлением электролита во входном отвсрстиц 9, 10. Прц этом можно пренебречь сопротивлением электролита в общем для обеих входных цепей участке электрод 13, 11 - общий электрод 16 ц падением напряжецпя па этом участке от проходящего по нему входного тока, а следовательно, ц взаимным влиянием входных цепей преобразователя.Пропорццоцальцо алгебраической сумме интегралов вход 11 ых токов изменяется концентрация реагента в ицтсгральцом отсеке 4 между считывающим по постоянному току электродом 15 ц общим электродом 16, Это сопровождается изменением выходного тока преобразователя, проходящего через сопротивление нагрузки. Наличие двух входов расширяет функциональные возможности преобразователя, упрошаст устрой тво на его основе ц повышает пх точность. Так црц использовании этого преобразователя в устройстве интегральной оцсцкп к его входам непосредственно и постоянно подключены: и Входу 1 - источник интегрируемого электрического сигнала, к Входу 2 - 1.снератор импульсов, возвраща 1 О 1 ццх преобразователь в начальное состояццс. В таком устройстве исключена погрешность ццгсгрцровацця, обусловленная потерей ццфор. цццц во Бремя Отлючсцця входа преОоразОга. Гля От исто 1 ника интегрируемого сигнала ц подключения к генератору импульсов. Гсг 1 ц заряд двух импульсов установить равным емкости шггсгральцого отсека, погреш/5 Р4 ар 1 7 Полипе акал ЗЯ,6 Ло 34 раж 9( 11 Г 0 Гипп 1 рпфип, пр. Сппупппп,7Ность определения результата интегрирования не будет превышать заряда одного импульса,Испытания предложенного преобразователя подтвердили эффективность примененных в нем технических решений и преимущества перед известными преобразователями: одновременно обеспечены технологичность конструкции, точность работы и возможность непосредственного подключения к двум независимым источникам электрического сигнала. Это способствует массовому производству элсктрохимических преобразователей и повышению их технико-эксплуатационных характеристик,Формула изобретения1. Й ногоэлектродный электрохимический преобразователь, содержащий заполненный электролитом герметичный корпус, состоящий по крайней мере из одного резервуара, в котором размещен входной электрод, и интегрального отсека бпплапарной конструкции с концентрично расположенным в нем по мсньшей мере одним считывающим, экрапирующим и общим электродами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьнпепия уровня технологии промышленного производства и точности работы, плоскости интегрального отсека выполнены в виде полукруга с входным отверстием в одной или каждой из них вблизи середины прямолинейного ребра и расположены на .стенках, общих с резервуаром, а электродыинтегрального отсека выполнены в виде полукольца и расположены концентрично относи 5 тельно входного отверстия, причем выводыэлектродов расположены параллельно плоскостям и перпендикулярно к прямолинейнымребрам интегрального отсека.2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю 10 щ и й с я тем, что экранирующий резервуарэлектрод расположен на поверхности входного отверстия,3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отл ичаи щ и й с я тем, что, с целью обеспечения воз 15 можности непосредственного подключения кдвум независимым источникам электрическогосигнала, он снабжен резервуаром с входнымэлектродом со стороны каждого входного отверстия интегрального отсека.20 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Трейер В. В, и др. Электрохимическиеинтегрирующие и аналоговые запоминающиеэлементы. М., Энергия, 1971, с. 59 - 68.25 2. Коль О. Г, и др. О выходном сопротивлении диффузионного тетрода. Сб. Приборостроенис, вып. 19, Киев, 1975, с. 42 - 49.3. Авторское свидетельство СССР414640,кл, Н 010 9/22, 1972.