электрохимические преобразователи информации
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ (хемотроны)
приборы и устройства автоматики, измерит. и вычислит. техники, действие которых основано на электрохим. процессах и явлениях. Основу действия Э. п. и. могут составлять: концентрационная поляризация электродов, электрокинетические явления, анодное растворение (или катодное электроосаждение) и др.
Рассмотрим, напр., принцип работы электрохим. датчика мех. колебаний, в основе которого лежит концентрационная поляризация. Датчик представляет собой электрохим. ячейку из стекла или фторопласта, заполненную раствором, который содержит окисленную и восстановленную формы к.-л. вещества, напр. ионы [I3]− (комплексный ион, состоящий из молекулы I2 и иодида) и I−, причем концентрация восстановл. формы в 10–100 раз больше концентрации окисленной формы. Если в такую ячейку ввести два инертных электрода (напр., платиновых сетчатых), поверхность одного из которых значительно меньше поверхности другого (микроэлектрод), то величина электрич. тока через ячейку будет лимитироваться процессами массопереноса вещества, реагирующего на микроэлектроде. Мех. колебания корпуса прибора (вдоль оси чувствительности) преобразуются в колебания электролита относительно микроэлектрода, вследствие этого ускоряются гидродинамич. перенос реагирующего вещества к микрозлектроду и протекающая на нем реакция. В результате дополнительно к постоянному фоновому току появляется переменная составляющая тока, которая и содержит информацию о внеш. мех. воздействии. Передаточные функции Э. п. и., связывающие реакцию в приборе с входным сигналом, полностью определяются импедансными характеристиками, включая перекрестный импеданс (см. импедансный метод).
Электрокинетич. явления использованы при создании преобразователей перепада давления, линейных и угловых ускорений. При заполнении орг. жидкостью (чаще всего ацетоном) капиллярной пористой перегородки из стекла, керамики или др. диэлектрика на поверхности капилляров возникает двойной электрический слой. Диффузная часть слоя благодаря тепловому движению находится в жидкости и способна перемещаться вдоль поверхности капилляров вместе с жидкостью. При наложении перепада давления на пористую перегородку электрич. заряд диффузной части двойного электрич. слоя в определенной степени увлекается движущейся жидкостью и ионный ток фиксируется электродами, расположенными по обе стороны пористой перегородки. Приборы, основанные на электрокинетич. явлениях, отличаются от концентрационных Э. п. и. более высоким верхним пределом частотного диапазона (500 Гц и выше), но при этом имеют и более высокое внутр. электрич. сопротивление (ок. 1 МОм).
Анодное растворение (или катодное электроосаждение) используют в ртутном кулонометре, представляющем собой прозрачный капилляр, в который помещены два столбика ртути, разделенные раствором на основе к.-л. из солей Hg(II). При прохождении электрич. тока через кулонометр на одном из ртутных столбиков (аноде) протекает ионизация ртути, а на катоде — восстановление Hg(II) до металла. В результате объем электролита между электродами (индикатор прибора) перемещается по капилляру в сторону анода на величину, пропорциональную интегралу тока по времени протекания. Ртутные кулонометры применяют в разл. устройствах: счетчиках времени наработки, счетчиках ампер-часов, времязадающих устройствах и др. Напр., разработаны ртутные кулонометры с полным зарядом 23 Кл, диапазоном рабочих температур от −30 до 70 °C и погрешностью интегрирования 2%. Существует водородный кулонометр, в котором при пропускании тока на катоде протекает разряд ионов водорода, на аноде — ионизация мол. водорода. В результате происходит перенос газообразного водорода через пористую перегородку, пропитанную серной кислотой, из "анодного" отсека электродной камеры в катодный, возникает разность давлений, которая перемещает индикаторную жидкость в сторону анодного отсека на величину, пропорциональную количеству прошедшего электричества. На основе водородного кулоно-метра разработан счетчик ампер-часов постоянного тока для измерения количества электричества при заряде и разряде аккумуляторных батарей, который имеет порог преобразования 35 000 А * ч при погрешности 4%.
Разнообразные приборы для интегрирования тока, счета импульсов, временные и времязадающие устройства созданы на основе электрохим. интеграторов с дискретным считыванием информации — т. наз. дискретных интеграторов (ДИ). В простейшем случае ДИ — это герметичная ячейка, заполненная раствором NaCl, в которую помещены два серебряных электрода. Один из них (электрод-склад) предварительно покрывается тонким слоем AgCl и подключается к отрицат. полюсу источника тока, второй (рабочий электрод) — к положит. полюсу. На рабочем электроде образуется AgCl (стадия заряда ДИ), а на электроде-складе происходит восстановление AgCl до металлич. Ag. Количество вещества, образовавшегося на рабочем электроде, пропорционально интегралу тока по времени протекания. Если изменить полярность тока, проходящего через ДИ, то на рабочем электроде AgCl восстанавливается до Ag, а на электроде-складе образуется AgCl (разряд ДИ). После того как AgCl на рабочем электроде полностью восстановится, напряжение на ДИ скачкообразно поднимается до 0,7–1 В. Скачок напряжения в конце разряда используется для включения разл. исполнит. устройств, прекращающих дальнейшее протекание тока через ДИ. Если разряд ДИ проводить постоянным током, время до скачкообразного подъема напряжения пропорционально количеству вещества на рабочем электроде. Следовательно, количество электричества, поступившего на ДИ при интегрировании, можно рассчитать по интервалу времени от включения тока до конца разряда при фиксир. токе. Полный заряд ДИ может составлять 4,5 Юг, погрешность 1%, рабочий диапазон температур от −40 до 50 °C, при габаритах: диаметр 12 мм, длина 20 мм, масса 5,3 г.
Э. п. и. применяют в качестве датчиков сейсмич. колебаний Земли, датчиков давления, градиента давления, линейных и угловых ускорений и др. мех. и акустич. величин в океанологич. исследованиях. Концентрационный электрохим. сейсмоприемник, используемый для измерения сейсмич. шумов в океане, имеет чувствительность 10 мкВ/мкм смещения грунта на частоте 0,1 Гц. Электрохим. управляемые сопротивления, оптич. модуляторы, усилители, выпрямители, реле времени, нелинейные емкости, генераторы колебаний тока и напряжения, запоминающие, интегрирующие элементы отличаются малыми габаритами, небольшой потребляемой мощностью (от 10−8 до 10−3 Вт), высокой чувствительностью, надежностью работы в диапазоне от 10−7 до 10 Гц, простотой схем включения, вибро- и ударостойкостью.
Лит.: Электрохимические преобразователи информации, М., 1966; Введение в молекулярную электронику, М., 1984; Дроздов Т.А., Соловьев С. Л., "Изв. АН СССР. Физика Земли", 1990, № 8, с. 10–19.
М. А. Новицкий
