Водородный электролитический дискретный датчик

Водородный электролитический дискретный датчик

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ll) 717666

Союз Советски к

Социалистических

Республик (6l ) Дополнительное к авт. санд-ву{22) Заявлено;03.10.75{21) 2179435/10

{51)М. Кл.

G 01Я, 11/44 с присоединением заявки Ж

3ЪеударетееклМ кемнтет

СССР . дв делам неебретеввй. в еткрытлй (23) Приоритет

ОПУбликованО 25.02.80. Бюллетень М 7 (53) @К 621.З17.

786{088 8) Дата опубликования описания 28.02.80 (72) Автор > изобретейия

С, Б. Гуртман (7l ) Заявитель с

{ 54) ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ

ДИСКРЕТНЫЙ ДАТЧИК

Изобретение относится к приборостронию.

Известны водородные электропитические приборы, позволяющие непосредственно интегрировать слабые токи и низкие

S напряжения. Благодаря своей простоте, надежности, небольшим размерам и удобству в эксплуатации эти приборы могут широко применяться в науке и в народном хозяйстве.

Водородные приборы содержат жйд- : кость — раствор электролита, водород и . платиновые электроды. При прохождении интегрируемого тока в соответствии с законами Фарадея водород вьшеляется на катоде и поглощается на аноде. Возникающее изменение разности давлений водорода тем или иным образом в водородном приборе преобразуется в сигнал о прошедшем количестве электричества.

Среди водородных интегралов различают .приборы с непосредственным {визуальным) отсчетом и датчики. В первых отс чет ведется по положению мениска стол2 ба жидкости, Датчики же не предназначены для визуального отсчета. Они выдают, например; электрический сигнал.

Известны датчики, в которых каждый сигнал о прохождении заданного количества электричества используется также и для того, чтобы изменить направление интегрируемого тока через эти же датчики (1).

Недостатком датчиков этого типа является то, что дпя их работы требуется дополнительная электрическая схема, где в результате переключений ухудшаются метрологические параметры при интегрировании очень низких напряжений.

Наиболее близким па технической сушности к предложенному является датчик, представляющий собой, герметичный, стеклянный сосуд, внутренняя полость которого разделена на две части стеклянной пористой перегородкой, имеющей сквозное капиллярное отверстие. На сторонах перегородки находятся электроды входной цепи. Электродами выходной цепи служит

717666 электрод, расположенный в капиллярном отверстии, и один из электродов входной

\ цепи. Пористая перегорбдка и отверстие заполнены жидкостью — раствором электрэлита. Свободное пространство заполнено водородом. Один из электролитов .являеч ся анодом, другой — катодом. Прилегаю щие к ним пространства называют соответственно катодным и аноднйм. Капиллярное отверстие в перегородке выполняет 1О функцию канала, соединяющего катодное и анодное пространства. Такой канал в момент

;Йрохождения через датчик заданного количест-; ва электричества освобождается от запсаняющего его электролита и тут же заполняется им вновь. Поскольку водород выделяегся на катоде и поглощается на аноде, в катодном пространстве давление больше, чем в анодном. В связи с этим катодное пространство свободно от жид- 2о с кости. В анодном жидкость может наjxogHTbcя, но она не заполняет его целиком; поскольку анод должен соприкасаться с водородом., Соединительный канал датчика между

1. катодным и анодным пространствами

1 периодически заполняется и освобождается от жидкости. В момент прохождения заданного количества электричества -. -""жидкость"вытесняется из канала и тут же натекает вновь, что и служит первичным сигналом. Этот сигнал преобразуется во вторичный электрический сиг нал, поступающий в выходную цепь.

Благодаря разности давлений водоро" да в катодном и анодном пространствах жидкость, смачивающая поверхность пористой пластины вытеснена на анодную сторону пластины, где она образует поверхностную пленку. В результате про- 4О хождения интегрируемого тока разность давлений водорода увеличивается, при этом жидкость из капиллярного отверстия (канала) вытесняется, В устье капилляра образуется пузырек водорода, который прорывает пленку жидкости, закрывающего это устье. В момент после . прорыва катодное и анодное прострайства соединяются между собой и давления водорода в них частично. или полностью выравниваются до тех пор, пока под действием сил поверхностного натяжения жидкость вновь. заполняет капиллярное отверстие, тем самым пространства разъединяются. В дальнейшем работа

55 протекает в указанной последовательности. Электроды выходной цепи датчика замкнуты жидкостью, находящейся в по ристой пластине и ее капиллярном, канале. При вытеснении жидкости из канала цепь размыкается, что служит вторичным сигналом, поступающим в выходную цепь (2).

Однако интегрирующие приборы, в которых эти датчики служат измерительными элементами, отличаются нестабильностью работы, которая объясняется неконтролируемым присутствием в жидкости датчика следов поверхностно-активных веществ {ПАВ), а точнее изменением со временем местоположения следов ПАВ на поверхности этой жидкости.

Миграция следов ПАВ в жидкости может происходить во время хранения датчика, (.при воздействии транспортной тряски и перепадов температуры окружающей среды, в процессе работы датчика (в результате неремещения в нем жидкости) и т.п.

ПАВ, адсорбируясь в поверхностном слое, приводят к увеличению его вязкости,, а, следовательно, и прочности. В тонких пленках, где поверхность очень велика, а-масса жидкости, заключенная между поверхностями мала, явления поверхностного натяжения сказываются очень резко. По этой причине из-за миграции следов ПАВ тонкая пленка, возникающая в устье соединительного канала при прорыве пузырька водорода, в течение времени изменяет свою прочность, Соответственно величина разности давлений водорода, необходимая для прорыва пленки, изменяется. Поскольку соединигельный канал датчика представляет собой капил ляр, то изменение величины поверхностного натяжения жидкости приводит также к изменению как силы, требуемой для вьггеснения жидкости из канала, так и времени последующего затекания жидкости в канал. Это в свою очередь также влияет на разность давлений водорода, требуемую в конечном итоге для срабатывания датчика, и на степень выравнивания давлений водорода в момент соединения катодного и анодного пространства. Остаточная разность давлений ( оказывает влияние на последующее срабатывание датчика. Вследствие этого у датчика такого типа неудовлетворительная стабильность в работе.

Цель изобретения — повышение стабильности работы и.чувствительности датчика.

Это достигается тем, что в водородном электролитическом дискретном датчике, у которого сигналом о прохождении

66 6 ,тывания датчика разность давлений водо рода должна преодолеть сопротивление вьггеснению жидкости из соединительного канала и давление столба жидкости в анодном прбстранстве.

Преодоление сопротивления вьггесньнию жидкости из соединительного канала в йредложейном датчике может зависеть от следов ПАВ, и если канал капиллярный, то может бьггь таким же, как сопротивление вытеснению жидкости из капилляра в датчике-прототипе. Но как а в датчике-прототипе, в предложенном датчике эта величина не является определяющей. В датчике-прототипе она была незначительной по отношению к непостоянному сопротивлению тонкослойf ной пленки, в предложенном датчике она незначительна по отношению к стабильному сопротивлению, которое оказывается давлением столба жидкости и которое не зависит от ПАВ. Если возникает не5 7-176 заданного количества электричества служит вытеснение жидкости из канала, соЬ: диняюшего катодное и анодное йрострайстsa„ cTb c H H e Ho K 8 pacrioложено в жидкости, находящейся в анод/ ном пространстве, причем уровень столба этой жидкости находится выше устья.

Площадь сечения соединительного кй нала меньше, чем любая из площадей се . чения в горизонтальных плоскостях час- 10 ти анодного пространства, содержащей жидкость

На фиг. 1 схематически изображен предложенный датчик, первый вариант; на фиг. 2 — то же, второй вариант, на фиг. 3 — то же, третий вариант.

Каждый из датчиков (фиг. 1, 2 и 3) содержит деталь 1 из пористого диэлектрика (например стекла), на сторонах которой расположены катод 2 и анод 3.

Соединительный канал 4 находится между катодным 5 и анодным 6 пространствами. Часть анодного пространства заполнена жидкостью, в которой находится устье соединительного канала, причем уровень столба жидкости в анодном пространстве выше устья канала. Это является отличительной особенностью датчика.

В момент срабатывания датчика (после прохождения заданного количества элект= ричества) из канала 4 жидкость вьггесняется, а в жйдкости анодного пространства появляется пузырек 7 водорода.

Сигнал во внешнюю цепь может посту- пать с помощью, например, фотоэлектрического считывания (фиг. 2) — источник света 8 и фотоприемник 9, илис помощью электродов — контактов 10 и 11 (фиг. 2 и фиг. 3). Датчик по первому варианту" (фиг. 1) представляет собой замкнутое кольцо, по второму варианту (фиг. 2)— трубку, разделенную вертикальной перегородкой (деталь 1), а по третьему варианту (фиг. 3) - трубку в трубке (внутренняя трубка — пористый диэлектрик). Благодаря тому, что в предложенном датчике устье соединительного ка- нала находится в жидкости, уровень которой выше этого устья, достигаются

50 следующие преимушества. Во-первых, исключается необходимость прорыва тонкой пленки жидкости пузырьком вбдорода при выходе его из соединительного канала и, во-вторых, после проры- . .. 55 ва пузырька не происходит непосредст:венное соединение водорода, находящего-" ся в катодном и анодном пространствах, В предложенной конструкции для срабакоторое отличие от нормы при одном срабатывании, то оно компенсируется датчиком при следующем срабатывании., Последнее обеспечивается тем, что датчик запоминает величину разности давлений водорода ;в момент срабатывания.

Это достигается благодаря тому, что водород в катодном и анодном пространствах при срабатывании непосредственно не соединяется. Указанное отличие от нормы при одном срабатывании может иметь место, например, при преждевременном срабатывании датчика в результате тряски при эксплуатации на дви-. жущемся объекте.

Датчик работает следующим образом.

При прохождении интегрируемого тока на катоде 2 водород выделяется, а на аноде 3 поглощается. Разносгь давлений водорода, возникающая в датчике после прохождения заданного количества электричества, приводит к вытеснению жидкости из соединительного канала 4, вслед за чем пузырек водорода 7 покидает устье канала и поднимается вверх в столбе жидкости (на фиг. 2). При этом соединительный канал вновь заполняется жидкостью. Достигнув менисха жидкости, пузырек переходит в газовую среду. Далее все повторяется в той же последовательности.

Следует подчеркнуть, что в предложенной конструкции не имеет значения оказывают или нет следы ПАВ влияние на выход пузырька из жидкости. Это обес717666 8 электрахимических реакций при протекании тока считывания. По этим причинам х при использовании датчйков для высокоточных измерений, а особенно при интегрировании очень слабых токов и напряжений, встраивание электродов выходной цепи нежелательно.

" Сравнительные испытания на стабильность различных образцов датчика-прото10 типа и предложЕнного датчика показали, что колебания в значенйях колйчества

1 еэлектричества,,соответствующих одному срабатыванию, составляют у образцов датчика-прототипа + 10 - 15% у образ-

15 цов предложенного датчика —. не более 1%.

/

7 г

ФРЖВаМЮЮ"тем, î вьыод "пузырька непа:редбгвенйо не связан с появлением сигнала. Первйчйьа4"сйгналом" в Хатчйка дуайт процеСс вытеснения "-"- натекания жидкости в соединительном канале. Если * ййаметр пузырька равен или превышает диаметр той же части анодного йространства, в которой находится жидкость, го диаметр этого пространства должен быть больше определенной критической величины. Например, у датчика (фиг. 2) диаметр трубки 6 должен быть йе мене

4 мм, если в датчике применен37%-ный раствор серной кислоты, обычно исйольэуемый в водородных интеграторах. В " прживном случае в анодном пространстве может образоваться. столб, состоящий из перемещающихся столбиков жидкости и водорода, что отрицательно скажется на результатах работы датчика.

С целью повышения чувствительности " предйдженного датчика, плошадь сечения

"соединйтельного канала или только его устья следует вьйкййп4ть меньшим, чем плошади сечений в горизонтальных плоскостях той части авбдногр"пространства. где находится жидкость (на фиг. 2).:--:"

Чувствительность увеличивается благодаp3i тойу, что- в эгсн4"спу4ае вбзййкающий пузырек водорода имеет меньший объем.

Соответственно требуется меньшее количество электричества для его образования. В отношении считывания, то есть. получения вторичного сигнала в выходной цепи, отметим следующее. Встраива ние электродов — контактов часто позволяет более просто получить выходной"" сигнал, чем фотоэлектрическим способом.

В предложенном датчике (фиг. 2 ифиг.3) в отличие от датчика-прототипа электроды входной и выходной цепей непосред= ственно не соединены. Однако здесь имеется некоторая связь (гальваничес-. кая) между, цепямй; гак "K5K стенки датчика смочены электролитом. Кроме

" - того, при встраивании электродов выходной цепи в некоторых случаях может

"имегь"место перенос водорода из одно - го газового пространства в другоеиь-за

Формула изобретения

20 1. Водородный электролитический . дискретный датчик, содержащий герметичный стеклян йй.i корпус с электродами, заполненный водородом, разделенный на анодную и катодную камеры пористой

25 стеклянной пластиной, пропитанной электрсаитом и снабженной каналом, соединяющйм камеры, о т л и ч а ю ш и и с я

- тем, что, с целью повышения стабильнос ти работы," "вйходное отверстие канала расположено в электролите анодного пространства, причем мениск столба электролита. находится""ййше выходного отверстия.

2. Водородный электролитический дискретный датчик по н. 1, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью повыше"ййя"чувствительности, площадь сечения -соединительйо о" канала меньше, чем любая из площадей сеченйя в горизонтальных плоскостях части анодного простI ранства, содержащей жидкость .

Источники информации, принятйе во=внимание- при экспертизе

4 - 1." Прибора и" системы управления, М 2, 1975., с. 35.

2. Авторское свидетельство СССР

Й 153962, кл. Q 01 R 11/44, 1961, (прототип) .

717666

Составитель Н. Швыркова

РедакторА. Шмелькин Техред . М. Келемеш Корректор M. Демчик

Заказ 10294/53. Тираж 101 9 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по. делам изобретений и открытий

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

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