Преобразующий элемент электрокинетического преобразователя

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН за) Н 01 0 9/22 ТОРСИОМУ С ЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока (53) 621.35(088.8)(54)(57) ПРЕОБРАЗУОЦИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТ. РОКИНЕТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, со" держащий полый корпус, внутри которо-. ЯО 1040538 го 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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,т:Этиловый спирт 10,0-79 э 7 Гексан 30,3"900ЗОЙО1Изобретение относится к измерительной технике и автоматике, а имен.но к молекулярно-электронным электро- кинетическим преобразователям информации, 5Преобразующий элемент с герметично присоединенными к нему упругими элементами или трубой образуют электрокинетический преобразователь. Непосредственно в преобразующем элементе происходит преобразование видов энергии.Известны различные типы преобразу" ющих элементов электрокинетическихпреобразователей, содержащих корпус, пористую преобразующую мембрану, элект. роды и рабочую жидкость, В качестве рабочей жидкости используются этило-вый, метиловый и изопропиловый спирты, нитробензол, ацетонитрил дете-20 тилформамид, пропионитрил, бензин с примесью нефтяного битума, диэтилкетон ацетон, Преобразующие элементы, в которых используются указанные однокомпонентные органические полярные25 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 являют- З 0 ся 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 мембранастеклянный диск ), разделяю 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 электропровод- ности этилового спирта имеет относительно 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 установэ 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.Ф:Этиловый спирт О"79,7Гексан 20,3 "90На 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 1, 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, нахо1010дится в несвязанном жестко с твердым телом подвижном состоянии. Это приводит к тому, что в заполненной рабо" чей жидкостью поре существует значи"тельное количество униполярно (одногознака ) заряженных избыточных по от- . ношению к ионам другого знака сольва" тированных ионов. При наложении перепада давления ЬР на преобразующую мембрану, вызванного, механическим сиг 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 .ЬР, Э =-Эд Р где Э - отнесенныйк единице давления электрокинетичес" кий ток течения.Генерированный в порах ток Э путем электрохимической реакции на электро-дах или путем перезарядки электрическОй электродной емкости ( при переменном течении ) переходит в электронный ток металлического проводника 1 и через токовыводывыводится наружу корпуса. При протекании тока 1 через нагрузоч" ное электрическое сопротивление Й на последнем создается регистрируемое, пропорциональное ЬР электрическое напряжение ЬО . Поскольку преоб-"разующая мембрана имеет конечноеэлектрическое сопротивление к , тоэкюнекоторая часть электрокинетийескоготока течения - ток т , течет обратно через мембрану, в результате тобрф гдоб = д ЮэмТакйм ОЬразом, имеем замкнутую систему уравненийе1:-3 д Р- дО,ЭЮ.Р- Ь Р.эм+ эн 384В уравнениях 3 )-(Й ) 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 Э положительна в том случае, если в капиллярах осуществляется конвективный перенос положитель" ных ионов. В зависимости от величины нагрузочного электрического сопро" тивления Рвозможны различные режи" мы работы преобразующего элемента.В наиболее распространенном потен,циальном режиме (режиме холостого хода ) с электродов снимается максимальное напряжение ДО, соответственно максимальное значение д 0 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 Р много больше электрического сопротивления преобразующей мембраны Рэн эм сс Рэн 1ЬОдР ЭМКоэффициент преобразования перепада давления на преобразующей мембране в электрическое напряжение в потенциальном режиме дбпредставляет со" Ьой чувствительность преобразующего элемента по напряжению. В режиме мак- симальной выходной электрической мощности сопротивление электрической нагрузки йвыбирается таким, что снимаемая с электродов .выходная электрическая мощность принимает макси" мальное значение Фм; соответственно :максимальное значение %,ц принимает коэффициент преобразования перепада давления на преобразующей мембране 3 Р ( в квалрате ) в электрическую мощность %ц-, (6)1 ЬОЬРЯКоэффициент преобразования. перепада давления ЬРв квадрате ) на преобразующей мембране в электрическую мощность представляет собой коэффициент преобразования по электрической мощности, Постановка в (6 ) значений и ЬО из (3 ) и ( М ) и оптимизация полученного выражения по Р .показывает, что режим максимальной выходной электрической мощности реализуется тогда, когда Йам=)эн и2)9/:(7)м 5 ,Из (5 ) и (6 ),видно, что чувствительность преобразующего элемента по напряжению дО, коэффициент преобразования по электрической мощности 1 О % возрастают с ростом произведений Э Р и Э 2 Р э , в которые входятэи эм фотнесенный к единице давления электрокинетический ток течения 3 и электрическое сопротивление преобразующей мембраныэлектрическое сопротивление преобразующего элемента ).Величина 3 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"по" тенциала и . На Фиг. 2 показана построенная зависимость чувствительности преобразующего элемента по напряжению от коно центрации гексана в рабочей жидкости, откуда видно, что чувствительность преобразующего элемента по напряже" нию Ь 0 п и коэффициент преобразования по электрической мощности Ю уве 35 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 гексанаУвеличение ЬОп и % свазано со следУюЩими основными Факторами, Первый - переход от чистого этилового спирта к бинарным45 растворам, благодаря уменьшению электропроводности,рабочей жидкости, увеличивает электрическое сопротивление преобразующей мембраны Й э и, соответственно, уменьшает обратные токи утечки через мембрану 1. 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 границного слоя значительной толщины, состоящего преимущественно из этилового спирта. Это приводит к тому, цто 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 двоинои электрическии слои с высоким-потенциалом. В результатев 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 своуится к тому, цто величины 3 Ри 7 Я , а следовательно, и Ь Оп и % возрастают при переходе от этилового спирта к бинарным растворам несмотря на то, что полярность этилового спирта с диэлектрицеской проницаемостью Е, равной 23,8, больше, чем полярность используемых би" нарных растворов, диэлектрическая проницаемость которых с увеличением концентрации гексана снижается до 2,17, Даже небольшая добавка гексанав этиловый спирт приводит к положитель. ному эффекту. Точное значение концентрации рабочей жидкости предлагаемого преобразующего элемента зависит от конкретного назначения электрокине.тицеского преобразователя и возможности электронной схемы, усиливающей выходной электрицеский 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 80/ ( соответственно концентрация этилового спирта лежит в диапазоне от 10 до 79,7 Ф ),В этом диапазоне изменения С болеевысокое, чем на чистом этиловом спирте, значение приобретает не толькочувствительность преобразующего элемента по напряжению Оп, но и коэффициент преобразования по электрической мощности. Последнее существенно для лучшего согласования электрокинетического преобразователя с элект;ронной усилительной схемой,1 ООЬ 38Таким образом, выполнение рабочей ет чувствительность преобразующего эле,жидкости в виде бинарного раствора мента по напряжению и коэффициент преобэтилового спирта с гексаном повыща" разования по электрической мощности.Сост дви Сопко Техред Ж/55 Тираж 7 ВНИИПИ Государс по делам из И 3035 Иосква ЖвюЪюЬЪЗвевюеееюйее илиал ППП нПатентО, Тигор еааеввюю Ревактоо Заказ 59 ею в Ф.Кастелевич Корректор03 Подписноетвенного комитета СССРМретений и открытийРачшская наб. д. 4/5Я чю а юеюйеаюювююеюеваааааа