СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR STABILISING MOLECULAR-ELECTRONIC CONVERTER PARAMETRES

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способу и устройству для стабилизации параметров молекулярно-электронных преобразователей, используемых в линейных и угловых акселерометрах. Это изобретение может найти применение в сейсмодатчиках, системах стабилизации движущихся объектов и системах инерциальной навигации высокой стабильности и точности.
Предшествующий уровень техники
Молекулярно-электронные преобразователи линейных и угловых акселерометров используют раствор электролита в качестве инерционной массы и преобразуют поток электролита в электрический сигнал. Молекулярно-электронные преобразователи включают четыре электрода, помещенные в замкнутый контур, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами.
При подключении электродов молекулярно-электронного преобразователя к электронике, аноды находятся при потенциале на 250-300 мВ более высоком, чем катоды. В этом случае концентрация активного компонента (ионов три-йодида) в покоящейся жидкости на анодах равна объемному значению, а на катодах - близка к нулю.
Фоновые катодные токи в этом случае определяются скоростью подвода реагирующего активного компонента к электродам. В неподвижной жидкости перенос активных носителей осуществляется по диффузионному механизму, поэтому фоновые катодные токи зависят от градиента концентрации активного компонента в областях между анодами и катодами, а также коэффициента диффузии активных носителей, согласно выражению:
Здесь D - коэффициент диффузии, S - площадь соответствующего катода,  - градиент концентрации активного компонента на поверхности соответствующего катода (прикатодный градиент концентрации).
При наличии внешних механических возмущений, жидкость перетекает через молекулярно-электронный преобразователь, и дополнительно к диффузионному, действует конвективный перенос носителей, увеличивающий или уменьшающий, в зависимости от направления гидродинамического потока, катодные токи. Известно, что коэффициент преобразования механического сигнала в электрический катодный ток в молекулярно-электронном преобразователе зависит от:
- скорости и пространственного распределения гидродинамического потока;
- градиента концентрации активного компонента в прикатодном пространстве;
- интенсивности диффузионного переноса (коэффициента диффузии).
При постоянной температуре нестабильность параметров молекулярно-электронного преобразователя во времени связана с нестабильностью градиента концентрации активного компонента в прикатодном пространстве. Действительно, при изменении концентрации активного компонента за счет адсорбции на стенках замкнутого корпуса или утечки в окружающее пространство через микротрещины указанного корпуса должен уменьшиться градиент концентрации в прикатодной области, что уменьшает коэффициент преобразования.
Кроме того, параметры молекулярно-электронного преобразователя изменяются с температурой, что обуславливается температурными изменениями вязкости жидкости и коэффициента диффузии. С падением температуры вязкость увеличивается. Соответственно уменьшается гидродинамический отклик при фиксированном воздействии, а коэффициент диффузии уменьшается. Соответственно уменьшаются размеры области электролита, из которой носители успевают достичь электродов за время изменения механического сигнала. Оба фактора приводят к падению коэффициента преобразования при снижении температуры. В частности, в диапазоне от -40°С до +65°С падение может составить 10-12 раз.
Из технической литературы (см. «Введение в молекулярную электронику» под ред. B.C.Лидоренко. - М.: Энергоатомиздат, 1984 г., с.273) известен молекулярно-электронный преобразователь, в котором для компенсации температурного расширения рабочей жидкости (электролита) применено специальное устройство (компенсатор).
В качестве таких компенсаторов могут применяться калибраторы. Обычно калибратор конструируют в виде электромеханической или электромагнитной системы. Это техническое решение принимаем за аналог предлагаемого изобретения.
Для уменьшения температурной погрешности молекулярно-электронного преобразователя может быть использован способ, который заключается в подключении указанного преобразователя к электронике, содержащей корректирующие звенья с терморезистором. При росте температуры окружающей среды изменение сопротивления терморезистора корректирует коэффициент преобразования. Это техническое решение принимаем за аналог предлагаемого изобретения.
Известен также способ температурной компенсации, основанный на использовании в качестве корректирующего элемента молекулярно-электронного преобразователя, аналогичного рабочему. При этом внешний сигнал действует на рабочий преобразователь, а температурным воздействиям окружающей среды подвержены оба преобразователя в равной степени. Температурные изменения выходного сигнала уменьшаются благодаря включению преобразователей в смежные плечи мостовой схемы. Выходной сигнал в этом случае пропорционален разности сигналов рабочего и корректирующего преобразователей (см. «Введение в молекулярную электронику» под ред. Н.С.Лидоренко. - М.: Энергоатомиздат, 1984 г., с.267). Это техническое решение принимаем за аналог предлагаемого изобретения.
Основной недостаток аналогов заключается в том, что методами температурной коррекции достаточно сложно парировать падение коэффициента преобразования при изменении температуры.
Кроме того, падение коэффициента преобразования молекулярно-электронного преобразователя требует увеличения количества компонент в сопутствующей электронике, что, в свою очередь, увеличивает шумы измерительного тракта.
Прототипом предлагаемого изобретения является техническое решение, защищенное авторским свидетельством СССР №1458831, МКИ G01P 15/08 от 15.02.1989. Это изобретение защищает способ обеспечения стабильности параметров молекулярно-электронного преобразователя и повышения времени сохраняемости приборов этого типа путем активной генерации три-йодида в растворе, первоначально не содержащем три-йодид, в результате электрохимической реакции непосредственно перед началом работы преобразователя. В этом изобретении также описан акселерометр, в котором используется молекулярно-электронный преобразователь. Он также содержит два катода и два анода, размещенные в корпусе, залитом электролитом, и компенсатор температурного расширения. Недостатком этого способа является очень большое время перехода преобразователя в рабочее состояние и дрейф параметров в результате медленного установления однородной концентрации в рабочем канале преобразователя. Кроме того, при этом способе генерации три-йодида выделяется водород, что не позволяет использовать такой преобразователь на сколько-нибудь длительный период измерений.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для стабилизации во времени параметров молекулярно-электронного преобразователя, входящего в состав первичных датчиков, измеряющих линейные и угловые движения.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в сохранении точности измерения угловых и линейных движений в процессе длительного применения приборов с молекулярно-электронными преобразователями и обеспечении слабой зависимости характеристик приборов от температурных воздействий.
Эта задача решена способом стабилизации параметров молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из четырех электродов, помещенных в замкнутый корпус, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, основанным на регулировании коэффициента преобразования и компенсации температурного расширения электролита, причем указанные параметры стабилизируют путем исключения зависимости градиента прикатодной концентрации электролита от его объемной концентрации, для чего в корпусе на расстоянии 1-10 см от молекулярно-электронного преобразователя помещают дополнительные электроды, потенциал которых на 100-500 мВ выше потенциала катодов, потенциалы которых равны, и созданием постоянства фонового катодного тока, для чего аноды подключают к источнику стабилизированного постоянного тока, в результате чего концентрация электролита на катодах близка к нулю, на дополнительных электродах определяется объемной концентрацией, а на анодах устанавливают такой, чтобы обеспечить протекание тока, генерируемого источником тока между анодом и катодом, при этом устройство для стабилизации параметров молекулярно-электронного преобразователя включает замкнутый, заполненный электролитом корпус, в котором установлен молекулярно-электронный преобразователь потока электролита в электрический сигнал, состоящий из четырех электродов, внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, и средства для компенсации температурного расширения электролита и регулирования коэффициента преобразования потока электролита в электрический сигнал, кроме того, внутри корпуса с двух сторон от молекулярно-электронного преобразователя на расстоянии 1-10 см установлены дополнительные электроды, находящиеся под потенциалом на 100-500 мВ выше потенциала катодов, причем катоды имеют одинаковый потенциал, кроме того, аноды подключены к источнику регулируемого постоянного тока.
Другими отличиями этого устройства являются:
- в качестве дополнительных электродов использована сетка из платино-иридиевого сплава с шагом 100-500 мкм;
- в качестве дополнительных электродов использована фольга из платино-иридиевого сплава толщиной 30-50 мкм, не содержащая отверстий;
- в качестве дополнительных электродов использована фольга из платино-иридиевого сплава толщиной 30-50 мкм, содержащая от одного до 32-х отверстий диаметром 300-600 мкм;
- в качестве дополнительных электродов использована прямая проволока из платино-иридиевого сплава диаметром 100-200 мкм.
- в качестве дополнительных электродов использована изогнутая проволока из платино-иридиевого сплава диаметром 100-200 мкм.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематически изображен фрагмент замкнутого контура, в котором установлен молекулярно-электронный преобразователь и схема подключения его электродов.
На фиг.2 представлен график распределения концентрации активного компонента в молекулярно-электронном преобразователе для различных значений тока источника.
Пример реализации изобретения
Фрагмент замкнутого контура (фиг.1) включает корпус 1, выполненный из изоляционного материала, например из стекла, который заполнен окислительно-восстановительным электролитом 2. В этом корпусе установлен молекулярно-электронный преобразователь 3 потока электролита в электрический сигнал. Он включает четыре электрода - внутренние электроды 4 и 5 служат катодами, а периферийные 6 и 7 - анодами. В корпусе 1 с двух сторон от молекулярно-электронного преобразователя 3 на некотором расстоянии (от 1 до 10 см) помещены дополнительные электроды 8 и 9, которые имеют потенциал на 100-500 мВ выше потенциала катодов 4 и 5, причем потенциалы катодов равны. Аноды 6 и 7 указанного преобразователя подключены к источнику постоянного тока 10. Выходной ток, образующийся на катодах, преобразуется в напряжение и усиливается на операционных усилителях 11 и 12, которые включены по дифференциальной схеме.
Конструктивно дополнительные электроды могут быть выполнены в виде металлических цилиндрических оболочек из платино-иридиевого сплава. Для их выполнения может быть использована сетка с шагом 50-500 мкм, фольга толщиной 30-50 мкм, не содержащая отверстий, или фольга, в которой выполнены несколько отверстий. Кроме того, эти электроды могут быть выполнены из прямой или изогнутой проволоки диаметром 100-200 мкм. В качестве материала дополнительных электродов используется платино-иридиевый сплав.
Реализация способа и устройства для стабилизации параметров молекулярно- электронного преобразователя
В корпусе 1 (фрагмент корпуса, фиг.1), заполненном окислительно-восстановительным электролитом 2 с двух сторон от молекулярно-электронного преобразователя на расстоянии 1-10 см от него устанавливают дополнительные электроды 8 и 9, к которым подключают электрический потенциал на 100-500 мВ выше потенциала катодов. Далее аноды 6 и 7 указанного преобразователя подключают к источнику постоянного тока 10. В этом случае, аналогично обычному способу подключения молекулярно-электронного преобразователя концентрация на катодах 4 и 5 близка к нулю, на дополнительных электродах 8 и 9 определяется объемной концентрацией, а на анодах 6 и 7 автоматически устанавливается такой, чтобы обеспечить протекание тока, генерируемого источником 10. В результате, в зависимости от величины тока источника устанавливаются распределения концентрации, показанные кривыми А и В на фиг.2. Важно отметить, что в силу того, что аноды 6 и 7 расположены значительно ближе к катодам 4 и 5, чем к дополнительным электродам 8 и 9, основной ток источника 10 (от 90% до 99%), вытекая из анода, попадает на катоды и только незначительная его часть достигает дополнительных электродов. Таким образом, стабилизируя ток источника, подключенного к анодам, можно обеспечить постоянство фонового катодного тока. В результате, фоновый катодный ток, а с ним, при постоянном коэффициенте диффузии, и градиент прикатодной концентрации, перестают зависеть от объемной концентрации активного компонента. В результате достигается стабильность во времени коэффициента преобразования молекулярно-электронного преобразователя даже при значительных изменениях объемной концентрации активного компонента.
Кроме того, при таком способе подключения молекулярно-электронного преобразователя к вторичной электронике фоновый катодный ток должен оставаться неизменным при вариациях температуры. Согласно выражению (1) это означает, что при снижении температуры и соответственном уменьшении коэффициента диффузии распределение концентрации должно измениться таким образом, чтобы пропорционально увеличился прикатодный градиент концентрации активного компонента. В результате, при изменении температуры на поведение коэффициента преобразования будут влиять следующие разнонаправленные факторы. С одной стороны, увеличение вязкости и уменьшение коэффициента диффузии должны приводить к падению коэффициента преобразования при более низких температурах. С другой стороны, увеличение прикатодного градиента концентрации - способствовать его росту. В целом температурная зависимость коэффициента преобразования оказывается в 3-4 раза слабее, чем при обычном подключении. Таким образом, резко снижаются требования к цепям вторичной электронной коррекции температурных зависимостей, повышается точность термокомпенсации и падают шумы измерительного тракта.
Промышленная применимость
Предлагаемое изобретение может найти применение в системах стабилизации движущихся объектов и системах инерционной навигации. Оно позволяет с помощью небольших конструктивных доработок существенно улучшить точность измерения линейной и угловой скорости, а также измерения линейного и углового ускорения.