ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ
(хемотроны), приборы и устройства автоматики,
измерит. и вычислит. техники, действие к-рых основано на электрохим. процессах
и явлениях. Основу действия Э. п. и. могут составлять: концентрационная поляризация
электродов, электрокинетические явления
, анодное растворение
(или катодное
электроосаждение
)и др.
Рассмотрим, напр., принцип работы электрохим.
датчика мех. колебаний, в основе к-рого лежит концентрационная поляризация.
Датчик представляет собой электрохим. ячейку из стекла или фторопласта,
заполненную р-ром, к-рый содержит окисленную и восстановленную формы к.-л.
в-ва, напр. ионы [I3]- (комплексный ион, состоящий
из молекулы I2 и иодида) и I-, причем концентрация
восстановл. формы в 10-100 раз больше концентрации окисленной формы. Если
в такую ячейку ввести два инертных электрода (напр., платиновых сетчатых),
пов-сть одного из к-рых значительно меньше пов-сти другого (микроэлектрод),
то величина электрич. тока через ячейку будет лимитироваться процессами
массопереноса в-ва, реагирующего на микроэлектроде. Мех. колебания корпуса
прибора (вдоль оси чувствительности) преобразуются в колебания электролита
относительно микроэлектрода, вследствие этого ускоряются гидродинамич.
перенос реагирующего в-ва к микрозлектроду и протекающая на нем р-ция.
В результате дополнительно к постоянному фоновому току появляется переменная
составляющая тока, к-рая и содержит информацию о внеш. мех. воздействии.
Передаточные ф-ции Э. п. и., связывающие р-цию в приборе с входным сигналом,
полностью определяются импедансными характеристиками, включая перекрестный
импеданс (см. Импедансный метод
).
Электрокинетич. явления использованы при
создании преобразователей перепада давления, линейных и угловых ускорений.
При заполнении орг. жидкостью (чаще всего ацетоном) капиллярной пористой
перегородки из стекла, керамики или др. диэлектрика на пов-сти капилляров
возникает двойной электрический слой
. Диффузная часть слоя благодаря
тепловому движению находится в жидкости и способна перемещаться вдоль пов-сти
капилляров вместе с жидкостью. При наложении перепада давления на пористую
перегородку электрич. заряд диффузной части двойного электрич. слоя в определенной
степени увлекается движущейся жидкостью и ионный ток фиксируется электродами,
расположенными по обе стороны пористой перегородки. Приборы, основанные
на электрокинетич. явлениях, отличаются от концентрационных Э. п. и. более
высоким верхним пределом частотного диапазона (500 Гц и выше), но при этом
имеют и более высокое внутр. электрич. сопротивление (ок. 1 МОм).
Анодное растворение (или катодное электроосаждение)
используют в ртутном кулонометре, представляющем собой прозрачный капилляр,
в к-рый помещены два столбика ртути, разделенные р-ром на основе к.-л.
из солей Hg(II). При прохождении электрич. тока через кулонометр на одном
из ртутных столбиков (аноде) протекает ионизация ртути, а на катоде - восстановление
Hg(II) до металла. В результате объем электролита между электродами (индикатор
прибора) перемещается по капилляру в сторону анода на величину, пропорциональную
интегралу тока по времени протекания. Ртутные кулонометры применяют в разл.
устройствах: счетчиках времени наработки, счетчиках ампер-часов, времязадающих
устройствах и др. Напр., разработаны ртутные кулонометры с полным зарядом
23 Кл, диапазоном рабочих т-р от -30° до 70 °С и погрешностью интегрирования
2%. Существует водородный кулонометр, в к-ром при пропускании тока на катоде
протекает разряд ионов водорода, на аноде - ионизация мол. водорода. В
результате происходит перенос газообразного водорода через пористую перегородку,
пропитанную серной к-той, из "анодного" отсека электродной камеры в катодный,
возникает разность давлений, к-рая перемещает индикаторную жидкость в сторону
анодного отсека на величину, пропорциональную кол-ву прошедшего электричества.
На основе водородного кулоно-метра разработан счетчик ампер-часов постоянного
тока для измерения кол-ва электричества при заряде и разряде аккумуляторных
батарей, к-рый имеет порог преобразования 35 000 А * ч при погрешности
4%.
Разнообразные приборы для интегрирования
тока, счета импульсов, временные и времязадающие устройства созданы на
основе электрохим. интеграторов с дискретным считыванием информации - т.
наз. дискретных интеграторов (ДИ). В простейшем случае ДИ - это герметичная
ячейка, заполненная р-ром NaCl, в к-рую помещены два серебряных электрода.
Один из них (электрод-склад) предварительно покрывается
тонким слоем AgCl и подключается к отрицат.
полюсу источника тока, второй (рабочий электрод) - к положит. полюсу. На
рабочем электроде образуется AgCl (стадия заряда ДИ), а на электроде-складе
происходит восстановление AgCl до металлич. Ag. Кол-во в-ва, образовавшегося
на рабочем электроде, пропорционально интегралу тока по времени протекания.
Если изменить полярность тока, проходящего через ДИ, то на рабочем электроде
AgCl восстанавливается до Ag, а на электроде-складе образуется AgCl (разряд
ДИ). После того как AgCl на рабочем электроде полностью восстановится,
напряжение на ДИ скачкообразно поднимается до 0,7-1 В. Скачок напряжения
в конце разряда используется для включения разл. исполнит. устройств, прекращающих
дальнейшее протекание тока через ДИ. Если разряд ДИ проводить постоянным
током, время до скачкообразного подъема напряжения пропорционально кол-ву
в-ва на рабочем электроде. Следовательно, кол-во электричества, поступившего
на ДИ при интегрировании, можно рассчитать по интервалу времени от включения
тока до конца разряда при фиксир. токе. Полный заряд ДИ может составлять
4,5 Юг, погрешность 1%, рабочий диапазон т-р от -40° до 50 °С, при габаритах:
диаметр 12 мм, длина 20 мм, масса 5,3 г.
Э. п. и. применяют в качестве датчиков
сейсмич. колебаний Земли, датчиков давления, градиента давления, линейных
и угловых ускорений и др. мех. и акустич. величин в океанологич. исследованиях.
Концентрационный электрохим. сейсмоприемник, используемый для измерения
сейсмич. шумов в океане, имеет чувствительность 10 мкВ/мкм смещения грунта
на частоте 0,1 Гц. Электрохим. управляемые сопротивления, оптич. модуляторы,
усилители, выпрямители, реле времени, нелинейные емкости, генераторы колебаний
тока и напряжения, запоминающие, интегрирующие элементы отличаются малыми
габаритами, небольшой потребляемой мощностью (от 10-8 до 10-3
Вт), высокой чувствительностью, надежностью работы в диапазоне от 10-7
до 10 Гц, простотой схем включения, вибро- и ударостойкостью.
Лит.: Электрохимические преобразователи
информации, М., 1966; Введение в молекулярную электронику, М., 1984; Дроздов
Т.А., Соловьев С. Л., "Изв. АН СССР. Физика Земли", 1990, № 8, с. 10-19.
М. А. Новицкий.
|
