МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ
MOLECULAR-ELECTRONIC ANGULAR ACCELERATION CONVERTER

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано для регистрации угловой составляющей сейсмических колебаний почвы, инженерных сооружений и вибрации.
Известно большое количество видов молекулярно-электронных преобразователей механических величин как линейных, так и угловых колебаний. Основным их элементом является диффузионный преобразователь (ДП), представляющий собой электродную структуру определенной конструкции, которая обеспечивает преобразование механического движения в электрический сигнал [1, 2]. Конструкция ДП определяет необходимую чувствительность, частотный диапазон или требуемую функциональную зависимость (линейную, логарифмическую) выходного сигнала от скорости движения электролита [3-7]. Наибольшее распространение получили ДП с сетчатыми электродами, которые обеспечивают высокую чувствительность и верхний предел рабочих частот.
Основная проблема всех молекулярно-электронных преобразователей - недостаточно высокая чувствительность на высоких частотах.
Верхний предел рабочих частот преобразователя определяется временем релаксации τ:
2
τ~δ/D,
где D - коэффициент диффузии электроактивного иона в растворе;
δ - толщина диффузионного слоя, которая для микроэлектрода совпадает с его радиусом, для сетчатого определяется толщиной межэлектродной перегородки и окном сетки.
То есть для увеличения рабочей частоты необходимо уменьшать как размер электродов, так и расстояние между ними.
Для повышения чувствительности ДП необходимо, чтобы весь электролит, поступивший на ДП в результате механического воздействия, успевал прореагировать на электродах, а не уносился далее. Это достигается уменьшением окна сетки, т.е. увеличивается площадь электрода и его контакт с электролитом. Как показано в [8], существует предел для чувствительности преобразователей с сетчатыми электродами, который не может быть преодолен варьированием геометрических параметров сетки.
Наиболее близким по технической сущности является молекулярно-электронный преобразователь угловых движений по патенту РФ №2324946, G01P 15/08, опубл. 10.04.2007, принятый за прототип.
Устройство-прототип содержит замкнутый полый контур в виде тора, заполненный окислительно-восстановительным электролитом, в котором диаметрально противоположно, со сдвигом относительно диаметра тора на 3-5 градусов установлены две пары преобразователей потока электролита в электрический сигнал, каждый из которых включает четыре плоских изготовленных из фольги или сетки электрода, разделенных перфорированными электроизоляционными перегородками, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные электроды - анодами.
Работает устройство-прототип следующим образом.
При действии на молекулярно-электронное устройство угловых движений вследствие инерционности электролита на преобразователи потока электролита в электрический сигнал действует давление, пропорциональное угловому движению - угловой скорости или угловому ускорению. В результате этого осуществляется преобразование потока электролита в электрический сигнал, пропорциональный угловому движению.
Недостатками преобразователя-прототипа являются:
1) ограниченность чувствительности ДП с сетчатыми или изготовленными из фольги электродами;
2) повышенное гидродинамическое сопротивление из-за наличия двух ДП, установленных перпендикулярно потоку электролита;
3) различная величина выходного сигнала при работе устройства в вертикальном положении (плоскость датчика перпендикулярна поверхности земли); это происходит из-за естественно-конвективного течения электролита, вызванного его различной плотностью в анодном и катодном пространстве ДП;
4) недостаточно высокий верхний предел рабочих частот из-за большого расстояния между электродами (толщина диэлектрической прокладки составляет 40 мкм).
Задачей предлагаемого устройства является повышение чувствительности и расширение верхнего диапазона рабочих частот молекулярно-электронного преобразователя.
Для решения поставленной задачи в молекулярно-электронном преобразователе углового ускорения, содержащем замкнутый полый контур, заполненный окислительно-восстановительным электролитом, и диффузионный преобразователь, электродная структура которого состоит из четырех электродов, двух внешних и двух внутренних, согласно изобретению диффузионный преобразователь выполнен в виде внешних и внутренних электродов, нанесенных на диски из диэлектрического материала, по два на каждом, причем внешний электрод выполнен в виде кольца с внутренними выступами, а внутренний - в виде кольца с внешними выступами, выступы внешнего кольца расположены между выступами внутреннего кольца на одинаковом расстоянии от них и перекрывают друг друга по длине на 80-95%, при этом выступы расположены равномерно по всей длине окружности колец на одинаковом расстоянии друг от друга, которое составляет до 20 мкм, при этом ширина колец электродов равна 0,5÷10 мм, ширина выступов 1÷20 мкм, длина выступов 1÷10 мм, нанесенные электроды диффузионного преобразователя имеют толщину 0,1÷1 мкм, кроме того, между дисками из диэлектрического материала введены уплотнительные кольца, ширина которых не превышает соответствующих размеров электродных колец.
На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого молекулярно-электронного преобразователя, где обозначено:
1 - диски из диэлектрического материала;
2 - внешний и внутренний электроды, нанесенные на диски;
3 - уплотнительные кольца.
На фиг.2 представлено изображение сборки предлагаемого преобразователя, где обозначения аналогичны обозначениям на фиг.1.
Электродная структура диффузионного преобразователя в предлагаемом устройстве включает четыре электрода (два внешних и два внутренних), нанесенные на два диска из диэлектрического материала, по два электрода на каждом.
Электроды 2 расположены планарно, параллельно потоку электролита. Толщина электродов 2 0,1÷1 мкм. Внешние электроды 2 выполнены в виде кольца с внутренними выступами, внутренний электрод 2 выполнен в виде кольца с внешними выступами. Ширина колец электродов 2 составляет 0,5÷10 мм, ширина выступов 1÷20 мкм, длина выступов 1÷10 мм. Выступы расположены равномерно по всей длине окружности колец на одинаковом расстоянии друг от друга, которое составляет не более 20 мкм. Выступы внешнего кольца расположены между выступами внутреннего кольца на одинаковом расстоянии от них и перекрывают друг друга по длине на 80-95%. Между дисками 1 с электродами 2 находятся два уплотнительных кольца 3, ширина которых не превышает соответствующих размеров колец электродов 2. Толщина уплотнительных колец 3 составляет 0,1÷5 мм.
Замкнутый полый канал, образованный дисками 1 и уплотнительными кольцами 3, заполнен электролитом, представляющим собой обратимую окислительно-восстановительную систему.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
При повороте в результате внешнего воздействия преобразователя вокруг оси происходит смещение электролита в канале относительно электродов 2, сигнал от которых поступает на регистрирующее устройство (не показано). Факторами, определяющими чувствительность преобразователя, являются гидродинамическое сопротивление канала и площадь, занимаемая электродами 2 диффузионного преобразователя. Гидродинамическое сопротивление преобразователя определяется только толщиной уплотнительных колец 3 и шириной канала, так как толщина самих электродов 2 пренебрежимо мала и не оказывает сопротивления потоку жидкости. Площадь же самих электродов 2 в данной конструкции может значительно превышать площадь сеточных электродов прототипа, которые устанавливаются перпендикулярно потоку электролита, что увеличивает гидродинамическое сопротивление преобразователя. Расстояние между электродными выступами и ширина самого электродного выступа лимитируются только возможностями технологического оборудования. Например, при изготовлении электродов диффузионного преобразователя 2 с помощью ультрафиолетовой фотолитографии эти размеры могут составить ~1 мкм, что значительно повышает верхний предел рабочих частот. В силу круговой симметрии диффузионного преобразователя 2 выходной сигнал не зависит от положения преобразователя в поле силы тяжести.
Таким образом, предлагаемая электродная структура ДП позволяет повысить чувствительность и расширить верхний диапазон рабочих частот устройства. Кроме того, планарное расположение электродов ДП не создает гидродинамического сопротивления потоку электролита, а в силу их круговой симметрии выходной сигнал не зависит от положения преобразователя в поле силы тяжести.
Литература
[1] Патент США №2644901.
[2] Костенко Б.Н., Брунштейн Ю.Г., Иволгин В.М., Коль О.Г. Электрохимический преобразователь расхода плоскорадиальной конструкции / - в кн. Автоматизация научных исследований морей и океанов. Севастополь, изд. Морского гидрофизического института АН УССР.
[3] Патент США №3126504.
[4] Чуб Л.Т., Марактанов В.А. "К вопросу о влиянии формы катодного канала на характеристики хемотронного преобразователя". Сб. Приборостроение, вып. 12, кн. Техника, с.10-14 (1971).
[5] Костенко Б.Н., Брунштейн Ю.Г., Иволгин В.М. Измерительный электрод электрохимического преобразователя. А.с. СССР №580594, Бюл. №42, 15.11.77 г.
[6] Стрижевский И.В., Дмитриев В.И., Финкельштейн Э.Б. Хемотроника. М.: Наука, 1974.
[7] Костенко Б.Н., Иволгин В.М., Федорин В.А., Шаров А.В. Чувствительный элемент для электрохимических диффузионных преобразователей. А.с. СССР №673063, 1977.
[8] Криштоп В.Г. Автореферат канд. дисс., Москва, 2004.