Многоэлектродный электрохимический преобразователь

 

О и И С А Н И Е (11) 6ОО625

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союэ Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Допо.7ните7ьное к авт. сьнд-ву (22) Заявлено 28.11.75 (21) 2193080/10 с присоединением заявки М (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.03.78. Бюллетень М 12 (45) Дата опубликования описания 13.04.78 (51) М. Кл.- Н 016 9!22

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.35(088.8) (72) Авторы изобретения

О. Г. Коль и М. Л. Фиш (71) Заявитель

Севастопольский приборостроительный институт (54) МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ

П P ЕО Б РАЗО ВАТЕЛ Ь

Изобретение относится к приборостроению, а более конкретно к электрохпмическим преобразователям с обратимыми окислительновоccTB|HOBèòåëüíûìè 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 преобразо.ватели имеют объемную, планарную илп бипланар ную конструкц ии, 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 (2).

Существенным недостатком преобразователей объемной конструкции является низк

5 уровень технологии промышленного производства, что затрудняет достижение малого расстояния между электродами интегрального отсека для повышения чувствительности и верхней граничной частоты. Недостаток преобра10 зователсй планарной и бппланарной конструкции состоит в значительной зависимости входного сопротивления от концентрации реагснта в интегральном отсеке, а следовательно, от диапазона интегрирования. Это приводит к необ15 ходимости ограничивать диапазон интегрирования нлн увеличивать дополнительное сопротивление во входной цепи интегратора и в результате к сннженшо чувствительности по напряжению при интегрировании сигналов ннз20 коомных и низковольтных источников, например электрохимнчсскнх датчиков. Общим недостатком известных преобразователей является наличие только одного входа, поэтому для интегрирования сигпа чов нескольких, напри25 мер двух, источников необходимо применение коммутатора нлн иного другого устройства, разделяющего эти источники. Например, с этой целью в устройстве интегральной оценки вход преобразователя периодически переклюзз чают от источника сигнала к генератору пм600625 пульсов, 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

1О

4О

53

6О

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 в одного 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 сообщаемых с ним и друг с другом через входные отверстия интегрального отсека с низкой концентрацией реагента в них относительно концентрации в резервуарах.

Возможность в ведения 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 и 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 ультразвуковой механической обработки. Материал стенок 5 — 8— стекло платиновой группы, инертное к электролиту; после сплавления этих сте1лк преобразователь представляет собой монолитную конструкцию. Электролит — раствор йодистого калия и йода в воде или диметилформамиде; 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 экранирующим 13 электродами резервуара 2 включен источник поляризующего напряжения Е1, между входным 12 и экранирующим 14 электродами резервуара 3 — источник поляризующего напря>кения Е2, а ме>кду считывающим по постоянному току электродом 15 и общим электродом 16 интегрального отсека 4 — источник поляризующего напряжения Е, последовательно с сопротивлением нагрузки Я„Величины напря>кения между электродами не превышают 0,7 B для водkIIIx растворов электролита или 1,58 — для растворов в диметилформамиде.

Клеммы «Вход 1», соединенные с входным

11 и общим 16 электродами, служат для подключения одного пз источников иптегрпруе»ого электрического сигнала, клеммы «Вход 2». соединенные с входным 12 и общим 16 электродами, — для подключения второго такого источника.

Работает преобразователь следующим ооразом.

IG

2и

2»

4Î

1, 50

6,I

I>o

С подключс I!ed исто1никс в интегрируемых сi.ã!àëoâ по входам «Вход 1» и «Вход 2» преооразователя через его входные цепи проходяг входные токи. Величина каждого из них

o!!pc;Ieлястся напряжением и внутрепппм сопротпвлеппем соотгетствующсго источника

c:;ï à I3, а также внутренним сопротивлением и;1>кдой Bxo+HoII Ue III преобразователя и общей для нпх концентрационной ЭЛС. Внутре.:нее сопротивленпе каждой входной цепи преобразователя в основном определяется сопротпвленпем электролита во входном отверстии 9, 10 и вблизи всго со стороны интегрально10 Отсска 4, посколь1 у поперечное сечение этого участка электролита меньше, чем в интегр ал1>пом o eek«c 4 и вб 1» II оТ него, а концентрация рсагснта в пем убывает по экспоIIe!IIII;альному 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 экраннрующего резервуар электрода 13, 14, зависящей от его геометрических размеров: радиуса и длины входного отверстия 9, 10, ширины полукольца каждого экранпрующсго резервуар электрода

13, 14 и шпрппы щслп между ними. В этой щели концентрация реагента изменяется в меньшей степени, чем в интегральном отсеке 4 и вблизи пего, а в отьерстпи 9, 10 она постоян11а. Поэтому вн сопротивление каждой вхо;.пой цепи преобразователя относительно постоянно, а величина его в основном определяется сопротивлением электролита во входном отвсрстии 9, 10. Прп этом можно пренебречь сопротивлением электролита в общем для обеих входных цепей участке электрод 13, 1:1 — общий электрод 16 и падением напряжеIIIIkI па этом участке от проходящего 110 нему в: одного тока, а следовательно, н взаимным влиянием входных цепей преобразователя.

Пропорционально алгебраической сумме интегралов вход1ых токов изменяется концентрация реагента в интсгральном отсеке 4 между считывающим по постоянному току электродом 15 и общим электродом 16. Это сопровождается изменением выходного тока преобразователя, проходящего через сопротивление нагрузки. Наличие двух входов расширяет функциональные возможности преобразователя, упрощаст устрой.тво на его основе и повышает пх точность. Так. прп использовании этого преобразователя в устройстве интегральной оценки к c!.o входам непосредственно и постоянно подключс: и «Входу 1» — источник интегрируемого электрического сигнала, к

«Входу 2» — 1.енератор импульсов, возвращающих преобразователь в начальное состояIIIIe. В таком устройстве исключена погрешность пнгсгрпроваппя, обусловленная потерей

;1нформацпп во время отклю:ения входа преобразога-.еля от источника интегрируемого сигнала и подкл1очснпя к генератору импульсов.:c;»I заряд двух импульсов установить равным емкости шггсгрального отсека, погреш600625

4 -)ue?

4 4р !

4 ),7г 1

I I.;,i Л 341 Тираж 904

11олпис>>ос

11110

Т>)>>i» f)ii>1»i>l, Ilf). С»>)у»»))», 2

Ность 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 изобретения

1. 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 IIO меньшей мере одним считывающим, экрапирующим и общим электродами, отличающийся тем, что, с целью повышения уровня технологии промышленного производства и точности работы, плоскости интегрального отсска 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 выполнены в виде полукольца и расположены концентрично относи5 тельно входного отверстия, причем выводы электродов расположены параллельно плоскостям и перпендикулярно к прямолинейным ребрам интегрального отсека.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю10 шийся тем, что экранирующий резервуар электрод расположен на поверхности входного отверстия.

3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отл ичаи шийся тем, что, с целью обеспечения воз15 можности непосредственного подключения к двум независимым источникам электрического сигнала, он снабжен резервуаром с входным электродом со стороны каждого входного отверстия интегрального отсека.

20 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Трейер В. В. и др. Электрохимические интегрирующие и аналоговые запоминающие элементы. 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 СССР № 414640, кл. Н Old 9/22, 1972.