Электрокинетические преобразователи. 
Изготовление биотехнических и медицинских аппаратов и систем

Электрокинетические явления

На границе твёрдого тела и электролита происходит скачок потенциала. Заряженный слой жидкости имеет диффузное строение, при котором плотность зарядов быстро убывает с их удалением от поверхности твёрдого тела. Скачок потенциала в диффузном слое жидкости называется электрокинетическим потенциалом. В случае, если твёрдое тело является диэлектриком, образование электрокинетического потенциала обусловлено неодинаковой адсорбцией ионов обоих знаков.

Если на концах капилляра или пористой перегородки поместить электроды и создать электрическое поле, то возникает движение жидкости в капилляре. Это явление называется электроосмосом. Скорость течения жидкости в результате электроосмоса определяется выражением:

где Е — напряжённость электрического поля в капилляре, В/м; S — сечение капилляра (сумма сечений пор), м²; г — диэлектрическая постоянная жидкости, Ф/м; /х — динамическая вязкость жидкости, Па • с;? — электрокинетический потенциал, В; Q — расход жидкости, м³/с.

Если твёрдая фаза образована частицами, взвешенными в жидкости, то эти частицы, получив тот или иной заряд, движутся от одного электрода к другому в неподвижной жидкости. Такое движение частиц называется электрофорезом, или катофорезом.

Явление электроосмоса обратимо. При принудительном протекании жидкости через капилляр или пористую перегородку между электродами возникает разность потенциалов — так называемый потенциал течения:

где Р — гидростатическое давление (перепад давления), Па; у — удельная проводимость жидкости, См/м.

Конструкция электрокинетических преобразователей

Электрокинетические преобразователи (ЭКП) основаны на использовании разности потенциалов, возникающих при протекании полярной жидкости через пористую перегородку или при деформации границы раздела двух жидкостей, различающихся физическими свойствами. На рисунке 10.11 а показан ЭКП давления, состоящий из изоляционной пористой перегородки 1 с диаметром пор 10…100 мкм, по бокам которой расположены сетчатые электроды 2. Корпус преобразователя, закрытый по бокам мембранами 3, заполняется полярной жидкостью (вода, спирт, ацетон и др.). ЭКП такого типа отличаются широким диапазоном измерения (0,1 Па…1 МПа). Чувствительность к ускорениям составляет 1 mB/(m/c²).

Рис. 10.11. Конструкция ЭКП.

На рисунке 10.11 6 изображён капиллярный ЭКП для измерений параметров вибраций. Он состоит из стеклянного капилляра 1, заполненного электролитом 2 и ртутью 3, с которыми контактируют выводы 4. На концах капилляра имеются воздушные пузырьки 5, являющиеся упругими элементами преобразователя. При вибрации, направленной вдоль оси капилляра, возникает возвратно-поступательное движение ртути и электролита, приводящее к деформации границы раздела между ними, поскольку плотности и коэффициенты кинематической вязкости ртути и электролита отличаются на порядок. Возникающая при этом периодическая конвективная диффузия ионов на границе раздела приводит к появлению переменных токов через преобразователь. Частотный диапазон преобразователя в режиме акселерометра — ОД…10 540 Гц, диапазон измерений — 10~⁵… 10 м/с², чувствительность — 0Д…1 шВ/(ш/с²).

На рисунке 10.11 в показан частотный ЭКП для измерений медленно меняющихся механических величин (перемещения, давления, силы). Капилляр 1, в котором находятся два столбика электролита 2, разделённые каплей ртути 3, и два воздушных пузырька 4, представляет собой резонатор, один конец которого герметически закрыт, а на другом установлена мембрана 5. Резонатор с помощью электродов 6, 7 и 8 подключён к усилителю 9. При подаче напряжения на электроды 6 и 7 происходит деформация границ раздела ртуть — электролит, что приводит к возвратно-поступательному движению ртути и электролита и самовозбуждению автогенератора, колебательным контуром которого является электрокинетический резонатор. Частота автогенератора при отсутствии внешних воздействий определяется параметрами резонатора (жёсткость мембраны, масса ртути и электролита, объём воздушных пузырьков). Перемещение мембраны под воздействием внешнего давления приводит к изменению объёма воздушных пузырьков и собственной частоты резонатора, которая определяет частоту автогенератора. Изменение давления на мембрану в пределах 10… 10⁵ Па или перемещение мембраны в пределах 10³…1 мм вызывает изменение частоты автогенератора в пределах 0,5…10³ Гц. Чувствительность преобразователя давления — 0,1 Гц/Па, преобразователя перемещения — 1 Гц/мкм.

Частотные свойства ЭКП определяются гидродинамической инерционностью самого электрокинетического эффекта, гидродинамической инерционностью движения жидкости в капиллярах с учётом вязкости и жидкости, механической инерционностью, обусловленной жёсткостью мембран и массой движущейся жидкости. В зависимости от вида и конструкции ЭКП их частотный диапазон составляет от сотых долей герца до нескольких килогерц.

Вопросы и упражнения к главе 10

• 1. Какие физические явления лежат в основе проводимости электролитов?
• 2. Как определить удельную проводимость раствора?
• 3. Чем отличается проводимость электролита на постоянном токе от проводимости электролита на переменном токе?
• 4. Как зависит напряжение поляризации от тока через электролит?
• 5. Чем отличается явление поляризации на постоянном токе от этого явления на переменном токе?
• 6. В чём преимущество измерения сопротивления электролитической ячейки переменному току по сравнению с постоянным током?
• 7. Какова конструкция гальванического преобразователя?
• 8. Какова зависимость ЭДС на выходе гальванического преобразователя от pH?
• 9. Каков принцип работы и какова конструкция водородного электрода?

• 10. Перечислите характерные особенности гальванических преобразователей со стеклянным электродом.
• 11. Как зависит ЭДС гальванического преобразователя от температуры?
• 12. Предложите способ коррекции температурной погрешности гальванического преобразователя.
• 13. В каких биомедицинских приложениях могут быть использованы кулонометрические преобразователи?
• 14. Каким напряжением питается полярографический преобразователь?
• 15. Каково устройство электрода полярографического преобразователя?
• 16. Что мы называем полярограммой?
• 17. Чему соответствует потенциал «полуволны»?
• 18. Каковы достоинства и недостатки ртутного электрода?
• 19. Что является выходом усилителя частотного ЭКП?