8. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электрохимические ЭАП основаны на использовании обратимых электрохимических процессов в растворах электролитов и в полярных жидкостях. В отличие от твердотельных преобразователей носителями зарядов в рассматриваемых системах являются ионы в жидкостях, отличающиеся значительно меньшей подвижностью, чем электроны в твердых телах. Поэтому построенные с использованием таких преобразователей датчики механических величин и акустические приемники обладают наибольшими преимуществами главным образом в области относительно низких частот при медленно изменяющихся сигналах. В то же время чувствительность таких преобразователей высока, а потребляемые мощности незначительны. Важным достоинством таких ЭАП является независимость их характеристик от внешнего статического давления в очень широких диапазонах последнего, что существенно в некоторых технологических процессах, при исследованиях на больших глубинах океанов и др.

По роду используемых электрохимических явлений электрохимические ЭАП подразделяются на две основные группы (табл. XII. 2):

1) электролитические (концентрационные), основанные на изменении распределения концентраций компонентов раствора вблизи электродов под влиянием механических воздействий;

2) электрокинетические, в которых используются процессы, протекающие на границах раздела фаз полярная жидкость — твердый диэлектрик при их относительном перемещении.

Ко второй группе, кроме того, относят ЭАП, основанные на изменении параметров двойного электрического слоя на границе раздела двух жидких фаз при ее деформации под влиянием механических воздействий.

В обеих группах преобразователей электроды служат лишь для подвода и отвода электронов от рабочей жидкости. На них не происходит (в нормальных условиях) осаждения или растворения вещества.

Электрохимический преобразователь первой группы в одном из вариантов исполнения (рис. XII. 10, а) представляет собой геометрическую электрохимическую ячейку с изоляционной оболочкой 1 и инертными электродами — анодами 2 и катодом 3. Ячейка закрыта на концах гибкими мембранами 4 и заполнена раствором электролита, содержащим окисленные и восстановленные формы ионов, а также ионами, не участвующими в электродных реакциях, но обеспечивающими высокую электропроводность электролита. На катоде идет процесс восстановления содержащейся в растворе окисленной формы ионов, а на аноде — окисления восстановленной формы. Например,

(кликните для просмотра скана)

Соотношение компонентов раствора выбирают таким, чтобы ионы являлись неосновными носителями и, следовательно, сопротивление прохождению тока через ячейку определялось процессами у катода.

Характеристики электрохимического преобразователя зависят в основном от эффективности преобразования скорости гидродинамического потока в электрический сигнал. При воздействии на мембраны приемника, например, при возникновении градиента давления в направлении продольной оси катодного канала, электролит перетекает через этот канал из одной камеры преобразователя в другую, что приводит к увеличению подвода к катоду неосновных носителей, диффундирующих к поверхности катода, а следовательно, возрастает и ток через ячейку.

Рис. XII. 10. Электрохимические ЭАП: а — схема устройства концентрационного (жидкофазного) преобразователя; б — его вольт-амперные характеристики; в — пористый катод линейного концентрационного преобразователя; — электрокинетический преобразователь (1 — корпус; 2 — пористая перегородка; 3,4 — электроды); д — капиллярный ртутно-электролитический преобразователь (1 — капилляр, 2 — столбик ртути; 3 — электролит; 4 — выводы; 5 — газовые пузырьки)

Из вольт-амперных характеристик преобразователя (рис. следует, что ток диффузии растет с увеличением скорости перетекания раствора. Зависимость тока от расхода электролита определяется конструктивными формами и размерами катода [4]

где для различных конфигураций канала катода: Теоретически, для случая, когда катод выстилает изнутри стенки цилиндрического канала с радиусом а, причем длина катода I меньше длины канала, а раствор электролита течет в режиме Гагена — Пуазейля, выражение для диффузионного тока имеет вид

где — валентность иона;

— заряд электрона;

— коэффициент диффузии;

— концентрация неосновного носителя в свободном объеме; — средняя скорость течения раствора в канале.

Уравнение (XII.23) справедливо в том случае, если толщина диффузионного слоя, определяемая формулой

много меньше диаметра канала (здесь х — расстояние по направлению течения от переднего края катода, на который набегает раствор из свободного объема камеры).

Линейная зависимость тока преобразователя от скорости потока жидкости обеспечивается при такой его конструкции, когда все неосновные носители из потока, протекающего по каналу, успевают прореагировать на катоде. Практически этот результат достигается с пористыми (губчатыми) катодами (рис. XII. 10, в). Включение двух таких катодов, установленных по концам канала, по балансной схеме обеспечивает получение на выходе переменного сигнала, изменяющегося по тому же закону, что и градиент давления на входе приемника.

Характеристика вход — выход для случая линейной зависимости имеет вид

где К — коэффициент, зависящий от конструктивной формы и геометрических размеров катодного канала;

— концентрация неосновных носителей в свободном объеме электролита;

— динамическая вязкость раствора;

— разность давлений по концам канала.

Верхняя граница рабочего диапазона частот преобразователей определяется временем установления. Согласно теории конвективной диффузии это время может быть найдено из выражения

или, учитывая, что ток диффузии

где — площадь активной поверхности катода.

У преобразователей с коротким катодным каналом, у которых , верхний предел рабочего диапазона частот составляет несколько десятков герц. При применении пористого катода указанный предел падает по крайней мере на порядок величины (до 1 гц и менее), так как в этом случае толщина диффузионного слоя совпадает с радиусом пор.

Преобразователь относится к нерезонансному типу. В области рабочего диапазона частот его амплитудная частотная характеристика (при активной нагрузке) определяется только механической постоянной времени зависящей от гибкости мембран и от гидродинамического сопротивления катодного канала.

Электрокинетические приемники (см. табл. XII. 2) внешне сходны с концентрационными, но рабочей жидкостью здесь служит органическое вещество с высоким диэлектрическим коэффициентом (ацетон, пропионитрил и т. п.), а вместо перегородки с катодным каналом устанавливается стеклянная пористая перегородка, прикрытая с обеих сторон сетчатыми электродами, которые служат для получения выходного сигнала.

Характеристика вход — выход электрокинетических преобразователей линейна в широком .диапазоне амплитуд (100—120 дб).

Для холостого хода [4]:

где Н — электрокинетический потенциал;

— диэлектрический коэффициент, динамическая вязкость и результирующая электропроводность рабочей жидкости;

Кэкп — коэффициент, учитывающий гидродинамические параметры перегородки.

Амплитудно-частотная характеристика этого преобразователя (для не слишком высоких частот)

где — его механическая постоянная времени.

Капиллярные ртутно-электролитические преобразователи изготавливаются из стеклянных капилляров, наполненных вперемежку столбиками ртути и сильного электролита. Действие механических колебаний нарушает состояние электрохимического равновесия междуфазных границ ртуть — электролит и приводит к появлению переменного напряжения на выводах, соединяемых с крайними каплями ртути в капилляре.

В отличие от только что рассмотренных электрокапиллярные преобразователи относятся к резонансному типу. Резонансная частота их определяется массой жидкости, поверхностным натяжением на границах фаз и объемами газового пространства в закрытом по концам капилляре.

Резонансная частота

где у — показатель адиабаты;

— давление в газовых объемах ячейки в состоянии равновесия;

(кликните для просмотра скана)

длины и плотности столбиков ртути и электролита;

— длины столбиков газа;

— поверхностное натяжение ртутных менисков. Амплитудно-частотная характеристика

где и — электрический и механический диссипативные коэффициенты;

М — подвижная масса;

К — суммарная жесткость системы;

— электромеханический коэффициент связи;

— равновесная площадь и электрическая емкость границы фаз;

— сопротивление нагрузки; — числовой коэффициент.

Основные параметры некоторых типов электрохимических преобразователей даны в табл. XII.3. Указанные элементы применяются в качестве градиентных акустических приемников и приемников давления низкой и инфранизкой частоты, вибродатчиков, сейсмодатчиков, датчиков волнографов, датчиков медико-биологических параметров.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)