МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения линейного и углового ускорения и скорости, и может найти применение в сейсмических и геофизических приборах, системах стабилизации движущихся объектов и системах инерциальной навигации, использующих измерители линейных и угловых движений высокой чувствительности и точности.
Предшествующий уровень техники
Известны устройства для измерения параметров механического движения (линейных или угловых скорости и ускорения), в которых в качестве инерционной массы и одновременно рабочей среды, преобразующей механическое возмущение в электрический сигнал, используется жидкость /1. Введение в молекулярную электронику, под ред. Лидоренко Н.С., М.: Энергоатомиздат, 1984, 320 с. 2. Авторское свидетельство СССР №197195, кл. 42 с, 26/01, 1967 г. 3. Патент США №3374403, кл. 317-231, 1968 г. 4. Авторское свидетельство СССР №723458, кл. G01Р 15/08, 1980 г. 5. Патент США №6576103 В2, МПК G01Р 15/08, 2002 г. 6. Патент РФ №2324946, МПК G01Р 15/08, 2008 г./.
Эти устройства являются аналогами предлагаемой полезной модели. В /1/ описан молекулярно-электронный (электрохимический) преобразователь диффузионного типа, имеющий в качестве преобразующего элемента две включенные навстречу электрохимические ячейки, состоящие из двух или нескольких электродов, находящихся в растворе электролита. На электроды подается постоянная разность потенциалов, обеспечивающая протекание обратимых окислительно-восстановительных реакций на электродах. Работа преобразователя основана на том, что протекание тока через электрохимические ячейки в значительной степени определяется гидродинамическим движением раствора, вызванным действием внешних возмущений. В неподвижном электролите перенос заряда осуществляется посредством молекулярной диффузии. Если жидкость приходит в движение, то наряду с диффузионным механизмом переноса заряда возникает конвективный перенос ионов, что резко изменяет скорость доставки электроактивных ионов к электродам и, соответственно, ток в системе.
Недостатком данного преобразователя является неаналитическая частотная зависимость передаточной функции узла и высокий уровень собственного шума, в том числе обусловленного явлением естественной конвекции как внутри электродного узла, так и в объеме электролита вне электродного узла.
В авторском свидетельстве СССР №197195, 1967 г. /2/ описано устройство для измерения параметров морских волн, которое выполнено в виде двух заполненных жидкостью камер, закрытых по торцам упругими мембранами и сообщающихся между собой через пористую перегородку с сетчатыми мембранами. Недостатком этого технического решения является низкая чувствительность и высокий уровень собственного шума, в том числе обусловленного гидродинамическими эффектами.
В авторском свидетельстве СССР №723458, 1980 г. /4/ и патенте РФ №2324946, 2008 г. /6/ описаны молекулярно-электронные устройства для измерения угловых движений, представляющие собой замкнутый полый контур, заполненный электролитом, в котором установлены несколько преобразующих элементов (электродных узлов). При этом патент РФ №2324946 /6/ отличается тем, что в нем электродные узлы установлены под некоторым углом к диаметру, а в авторском свидетельстве СССР №723458 /4/ - диаметрально противоположно. Недостатком данных технических решений является высокий уровень собственных шумов в низкочастотной области спектра, обусловленных явлением конвекции электролита в рабочем канале.
В изобретении по патенту США №6576103, 2002 г. /5/ предложен молекулярно-электронный (электрохимический) преобразователь, чувствительный элемент которого изготовлен из четырех сетчатых металлических электродов, разделенных изолирующими полимерными сетками и сжатыми внешними перфорированными пластинами, которые придают электродному узлу жесткость. Недостатком этого технического решения является высокий уровень собственных шумов преобразователя, что влечет необходимость использования больших электродов. В свою очередь, большие размеры электродов приводят к усилению негативного влияния конвекции вне электродного узла.
Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемой полезной модели является солионный (электрохимический) преобразователь, описанный в патенте США №3374403, 1968 г. /3/. Данное техническое решение содержит две заполненные раствором электролита камеры, закрытые по торцам упругими мембранами и сообщающиеся между собой через отверстие, в котором установлены сетчатые электроды, разделенные пористыми перегородками. Недостатком прототипа является наличие в канале преобразователя некоторой неоднородной плотности рабочей жидкости, заполняющей этот канал, что обусловлено
наличием определенных градиентов концентрации ионов электролита не только в пространстве между электродами внутри преобразующего элемента (электродного узла), но и в пространстве за внешними электродами (анодами) преобразователя, то есть в канале преобразователя.
Раскрытие полезной модели
В простейшей квазиодномерной модели Ларкама, описанной в /1/, концентрации ионов и плотность жидкости в пространстве за анодами считаются однородными. Однако в реальном преобразователе, ввиду его трехмерной структуры, отличия реальных граничных условий от модельных граничных условий в /1/, а также неидеальности и неэквивалентности анодно-катодных пар (плеч) преобразователя при его производстве, в за анодном пространстве преобразователя всегда имеются некоторые градиенты концентраций ионов электролита и, соответственно, плотности жидкости.
Наличие градиента плотности жидкости в поле силы тяжести приводит к возникновению естественной конвекции жидкости в канале преобразователя, которая, под влиянием температурных и концентрационных флуктуаций, а также внешних ускорений, имеет свойства нестационарного случайного процесса, что вносит определенный, в некоторых условиях существенный, вклад в собственные шумы преобразователя.
Так, например, при наличии определенных градиентов концентрации в преобразователях, использующихся для изготовления сейсмодатчиков, данный вид гидродинамического шума может стать основным в области низких частот (порядка 0,01 Гц и ниже), сильно ограничивая динамический и частотный диапазоны применимости таких приборов, а также приводить к возникновению паразитных квазипериодических сигналов большой интенсивности, аналогичных тем, что описаны в /7. Резникова Л.А., Григин А.П., Давыдов А.Д. Колебательная конвективная неустойчивость раствора ферро-феррицианида в вертикальном канале // Электрохимия, 1999, т.35, №3, с.387-391. 8. Моргунова Е.Е., Резникова Л.А., Григин А.П., Давыдов А.Д. Конвективная неустойчивость предельного тока реакции восстановления трииодида в электрохимической ячейке с горизонтальными электродами // Электрохимия, 2001, т.37, №9, с.1138-1142./, период и амплитуда которых может изменяться со временем, а также под влиянием внешних условий.
С другой стороны, для достижения высоких показателей коэффициента преобразования внешнего механического сигнала в электрический отклик, а также некоторых других параметров, часто бывает целесообразно использовать высококонцентрированные электролиты, применение которых приводит к наличию высоких градиентов концентрации, а также преобразователей с как можно большей площадью электродов и площадью
сечения рабочего канала, в котором эти электроды расположены. При этом, наличие, интенсивность и стационарность конвективного движения жидкости в канале существенным образом зависят от величин градиентов плотности жидкости и от конфигурации преобразователя - характерных размеров канала (площади сечения, диаметра и т.п.), то есть вклад конвекции жидкости в канале преобразователя в нежелательные шумовые эффекты резко возрастает с ростом градиентов плотности (концентрации) и размера канала.
cr
В частности, в идеализированной модели, в которой рассматривается очень длинный вертикальный цилиндрический канал, вдоль которого имеется постоянный градиент плотности, критическое число Рэлея Rα, определяющее возникновение конвекции, пропорционально градиенту концентрации ▽C и диаметру канала d в 4-ой степени /9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том VI: Гидродинамика. М.: Наука. 1988, 608 с./.
Другим нежелательным эффектом, возникающим при наличии больших градиентов плотности в канале преобразователя и большом поперечном размере канала, является повышенная чувствительность к ускорениям в направлениях, ортогональных оси чувствительности, совпадающей с осью канала.
Таким образом, необходимость увеличения концентрации рабочего электролита, а также размеров электродов и канала преобразователя для увеличения коэффициента преобразования, входит в противоречие с требованиями по минимизации собственных шумов преобразователя и его чувствительности к несигнальным воздействиям.
Задачей настоящей полезной модели является создание молекулярно-электронных устройств для измерения линейных и угловых движений, в которых значительно уменьшено негативное влияние конвекции рабочей жидкости в канале преобразователя.
Эта задача решена за счет того, что в канале молекулярно-электронного преобразователя, заполненного электролитом, в пространстве за внешними электродами (анодами) размещаются конструктивные элементы, препятствующие возникновению интенсивной и крупномасштабной конвекции под воздействием силы тяжести или внешнего ускорения в направлении, поперечном оси чувствительности преобразователя.
Такие конструктивные элементы могут занимать весь объем канала, его часть на некотором расстоянии от внешних электродов или располагаться вплотную к внешним электродам (анодам).
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в снижении уровня собственных шумов устройства, повышении точности измерения, а также расширении динамического и частотного диапазонов измерения.
Краткое описание чертежей
На прилагаемой графической фигуре (на одном отдельном листе) схематически изображено молекулярно-электронное устройство для измерения механических движений, поясняющее сущность предлагаемой полезной модели.
Осуществление полезной модели. Пример реализации.
Молекулярно-электронное устройство для измерения механических движений (см. прилагаемую фигуру) включает: корпус 1 с каналом 2, в центре которого установлен электродный узел 3; концы канала закрыты упругими мембранами 4; канал полностью заполнен рабочим окислительно-восстановительным электролитом 5. В канале 2 с двух сторон от электродного узла 3 располагаются конструктивные элементы 6, препятствующие возникновению нежелательной конвекции и представляющие собой набор взаимно перпендикулярных тонких плоскостей, разделяющих канал на несколько каналов меньшего сечения, имеющих форму трубок с квадратным сечением.
Корпус 1 изготавливается из химически стойкого материала, например керамики. В качестве рабочего окислительно-восстановительного электролита 5 может использоваться водный раствор йодида калия с добавлением йода. Электродный узел 3 может изготавливаться из четырех сетчатых электродов (аноды 3а, катоды 3б) из инертного металла, не вступающего в реакцию с раствором электролита. Электроды разделены диэлектрическими перфорированными перегородками (3в).
Конструктивные элементы 6, кроме примененных в примере реализации трубок с квадратным сечением, могут быть выполнены в виде набора соосных каналу трубок, имеющих круглое, прямоугольное, треугольное, шестиугольное или иное сечение. Конструктивные элементы 6 также могут быть выполнены в виде перфорированных или пористых перегородок, установленных поперек канала.
Количество конструктивных элементов 6 может быть два (по одному с каждой стороны электродного узла 3) и более. При этом они могут занимать весь объем канала 2, разбивая его на набор отдельных каналов, либо только его часть: например, на некотором расстоянии от внешних электродов (анодов) или вплотную к ним. В качестве материала для конструктивных элементов 6 может быть использована керамика, стекло, полимерные и другие материалы, обеспечивающие жесткость и химическую стойкость конструктивного элемента 6 в рабочем растворе 5.
Основная функция конструктивных элементов 6 состоит в том, чтобы уменьшить характерный размер объема в той или иной части рабочего канала, что снижает нежелательное
развитие интенсивной конвекции рабочей жидкости (отражающейся в усилении шумового сигнала) в рабочем канале, а также вблизи электродного узла.
Аналогичное устройство может быть использовано для измерения угловых движений, если концы канала замкнуты, образуя полый замкнутый контур, заполненный электролитом. В этом случае, при возникновении внешнего механического возмущения вращательного характера, жидкость начинает протекать в канале и через электродный узел, что при наличии определенной разности потенциалов между электродами (как это описано выше) отражается в электрическом отклике (изменении тока), снимаемом с электродов.
Работа устройства
При возникновении потока электролита в рабочем канале, вызванного, например, внешним ускорением, электрический ток, протекающий между каждой анод-катодной парой электродного узла, изменяется. Выходной сигнал определяется скоростью потока электролита, подводящего к электродам ионы, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях. При этом, в случае сигнального ускорения, направленного вдоль оси канала, жидкость свободно протекает сквозь конструктивные элементы 6, которые в то же время препятствуют развитию нежелательного конвективного движения электролита, имеющего характер конвективных вихрей размера порядка размеров самого канала, которое может быть обусловлено неоднородностью плотности электролита в канале в поле силы тяжести и/или при наличии внешнего механического воздействия в поперечном оси канала направлении.
Промышленная применимость
Предлагаемая полезная модель может найти применение в геофизических и сейсмических приборах, системах стабилизации движущихся объектов и системах инерционной навигации. Полезная модель в равной степени применима как для молекулярно-электронных измерителей линейных движений, так и для молекулярно-электронных измерителей угловых скорости и ускорения.