Pierwszenstwo: Opublikowano: 15.VI.1968 55212 KI. 42c,42 MKP^Lltt*^ ffio UKD Wspóltwórcy wynalazku: prof. dr Stefan Minc, dr Zbigniew Koczorow¬ ski, Jan Dabkowski Wlasciciel patentu: Uniwersytet Warszawski (Katedra Chemii Fizycz¬ nej), Warszawa (Polska) Przetwornik elektrochemiczny do pomiaru drgan oraz sposób jego wytwarzania Przedmiotem wynalazku jest elektrochemiczny przetwornik do pomiaru drgan wykorzystujacy zachodzace w kapilarze zjawisko zmiany pojem¬ nosci elektrycznej granic fazowych rtec-roztwór elektrolitu oraz sposób jego wytwarzania.Elektrochemiczny przetwornik pojemnosciowy zwany dalej przetwornikiem elektrochemicznym, stanowi kapilara (rurka wloskowata o srednicy wewnetrznej ponizej 1 mm) wykonana z mate¬ rialu izolacyjnego (np. szkla) napelniona slupkami retci przedzielonymi slupkami roztworu elektro¬ litu. Oddzialywanie czynników mechanicznych ta¬ kich jak drgania, cisnienie, przeplyw — przeka¬ zywane badz inercyjnie (drgania) badz hydraulicz¬ nie (cisnienie, przeplyw) za pomoca tloczka lub membrany zamykajacych konce kapilary, powo¬ duja przesuniecie slupków roztworu i rteci w ka¬ pilarze, a w konsekwencji zmiane powierzchni granic fazowych rtec-roztwór elektrolitu. W wy¬ niku wywolanych w ten sposób zmian pojemnosci elektrycznej granic fazowych rtec-roztwór elek¬ trolitu, na dolaczonych do kapilary koncówkach, powstaje napiecie elektryczne o czestotliwosci ta¬ kiej samej jak czestotliwosc przylozonego bodzca mechanicznego i o amplitudzie uzaleznionej funk¬ cjonalnie od amplitudy tego bodzca i budowy przetwornika.Podstawowe wlasnosci elektrochemicznych .prze¬ tworników, a mianowicie: wspólczynnik przetwa¬ rzania, impedancja wyjsciowa, charakterystyka 10 15 20 25 czestotliwosciowa i tlumienie zaleza od skladu i masy wypelnienia (rtec-roztwór elektrolitu) ka¬ pilary, srednicy kapilary, liczby granic fazowych oraz formy zamkniecia kapilary.Informacje i wzmianki zamieszczone w litera¬ turze naukowej wskazuja, ze budowane dotad po¬ jedyncze egzemplarze kapilar napelnionych rtecia i roztworem próbowano zastosowac jedynie w po¬ miarach akustycznych. Konstrukcje te nie zapew¬ nialy odpowiedniej czulosci i trwalosci przetwor¬ nika oraz stabilnosci jego parametrów wyjscio¬ wych, wskutek czego nie mogly one konkurowac z ogólnie stosowanymi klasycznymi przetwornika¬ mi mechano-elektrycznymi. Z danych literaturo¬ wych wynika równiez, ze nie zostal dotychczas opracowany sposób wytwarzania przetworników elektrochemicznych, który pozwolilby na ich za¬ stosowanie w skali technicznej, zwlaszcza do po¬ miaru drgan konstrukcji mechanicznych.Celem wynalazku jest opracowanie elektroche¬ micznego przetwornika nie posiadajacego wyzej wymienionych braków oraz opracowanie seryjne¬ go sposobu wytwarzania przetworników elektro¬ chemicznych do pomiaru drgan konstrukcji me¬ chanicznych.Cel ten zostal osiagniety przez zamkniecie obu konców kapilary, napelnionej slupkami rteci lub amalgamatu przedzielonymi slupkami roztworu elektrolitu, szczelnymi zamknieciami z pozosta¬ wieniem pecherzyków gazu np, powietrza pomie- 55212S../' dzy tymi zamknieciami, a skrajnymi, tj. kontakto¬ wymi slupkami rteci. Napelniona i zamknieta kapilara zostaje nastepnie umieszczona sztywno w nagwintowanej tulei, polaczonej przez wkrece¬ nie z obudowa przetwornika. Z jednego z konców obudowy wyprowadza sie kabel koncentryczny, którego przewody polaczone sa z elektrycznymi wyprowadzeniami kontaktowych slupków rteci w kapilarze.Sposób wytwarzania przetworników elektroche¬ micznych polega w zarysie na starannym umyciu i osuszeniu kapilary, zaopatrzeniu jej konców w wyprowadzenia elektryczne np. przez wtopienie drucików platynowych lub metalizacje konców ka¬ pilary. Przez przygotowana w ten sposób kapilare przepuszcza sie roztwór elektrolitu, do którego wpadaja krople rteci, dzieki czemu przez napel¬ niona kapilare przeplywa na przemian rtec i roz¬ twór elektrolitu. Po zatrzymaniu przeplywu roz¬ tworu uzyskuje sie zadane napelnienie kapilary na przemian slupkami rteci i slupkami roztworu.Korzysci techniczne wynikajace ze stosowania przetwornika elektrochemicznego wedlug wyna¬ lazku polegaja przede wszystkim na jego wysokiej czulosci przy pomiarach takich parametrów drgan jak przyspieszenie i przemieszczenie, zwlaszcza w zakresie niskich i bardzo niskich czestotliwosci (od okolo 0,001 Hz) oraz na prostocie jego budowy.Korzysci te zabezpiecza sposób wytwarzania prze¬ twornika elektrochemicznego wedlug wynalazku, który zapewnia uzyskanie przetworników o okre¬ slonych z góry i odtwarzalnych wlasnosciach w serii produkcyjnej.Na Fig. 1 przedstawiono przykladowo konstruk¬ cje przetwornika elektrochemicznego wg wyna¬ lazku, zas na Fig. 2 pokazano przykladowy uklad aparatury do napelniania kapilary przetwornika oraz przebieg procesu napelniania.Kapilara 1, Fig. 1 napelniona slupkami rteci 2 przedzielonymi slupkami roztworu elektrolitu 3, zaopatrzona jest na obu koncach w wyprowadzenia elektryczne 10, stanowiace drutyx metalowe nieroz¬ puszczalne w rteci. Do wyprowadzen 10 doluto- wane sa przewody kabla koncentrycznego 11. Ka¬ pilara jest szczelnie zamknieta na obu koncach zamknieciami 4. Przestrzenie pomiedzy skrajnymi tj. kontaktowymi slupkami rteci 2, a zamkniecia¬ mi 4 wypelnione sa pecherzykami gazu 5, np po¬ wietrza których wielkosc zapewnia odpowiednia czulosc i charakterystyke czestotliwosciowa prze¬ twornika. Kapilara 1 umieszczona jest nieruchomo (np. przyklejona) w nagwintowanej tulei izolacyj¬ nej 6 zamocowanej z kolei za pomoca gwintu w metalowej obudowie (korpus 7 i zakretka 8) prze¬ twornika. Opisana konstrukcja przetwornika prze- znaczona jest do inercyjnego przenoszenia drgan mechanicznych badanego obiektu 9. W przypadku zastosowania przetwornika dla pomiaru zmian cis¬ nienia mozliwe jest hydrauliczne sprzezenie wypel¬ nienia kapilary z badanym osrodkiem (np. ciecza) poprzez niepokazana na Fig. 1 membrane oddzia¬ lywujaca bezposrednio na wypelnienie kapilary.Pierwsza faza sposobu wytwarzania przetworni¬ ków elektrochemicznych wedlug wynalazku polega na starannym umyciu i osuszeniu kapilary prze¬ znaczonej na przetwornik. W celu zaopatrzenia ka- .,-..".¦ ,..-...¦ 4 pilary w wyprowadzenia elektryczne przez metali¬ zacje, fazuje sie przez szlifowanie obrzeza na obu jej koncach. Po ponownym umyciu i osuszeniu konce kapilary zanurza sie w roztworze preparatu 5 organicznego zawierajacego metale szlachetne np. platyne, a nastepnie wygrzewa sie kapilare w wentylowanym piecu, podwyzszajac stopniowo •temperature do 500-s-650°C.W wyniku tych Czynnosci otrzymuje sie kapilare, której obydwa konce powleczone sa trwale cien¬ kimi warstwami przewodzacymi zarówno wewnatrz jak i zewnatrz kapilary, na dlugosci od kilku do kilkunastu milimetrów. Wyprowadzenia elektrycz¬ ne uzyskac mozna równiez przez wtopienie drutów platynowych do wnetrza kapilary na obu jej kon¬ cach, lub tez wprowadzajac do konców napelnionej kapilary druty metalowe nierozpuszczalne w rteci, co zastosowano np. w przetworniku przedstawio¬ nym na Fig. 1. Zaleta tej ostatniej metody jest mozliwosc napelnienia dlugiej kapilary, z której 20 przez pociecie wykonac mozna szereg jednakowych przetworników.Przygotowane w wyniku pierwszej fazy procesu technologicznego kapilary 1, (Fig. 2) polaczone w jeden zestaw za posrednictwem laczników 12, przy¬ lacza sie szczelnie do zbiornika roztworu elektro¬ litu 13 i laczy sie z prózniowa pompa za posred¬ nictwem lacznika 14 poprzez naczynie 15, wskaznik szybkosci przeplywu 16 i butle Wulfa 17 zaopatrzo¬ na w kran 18. 30 Zbiornik 13 napelnia sie roztworem elektrolitu, w którym zanurzona jest o okreslonej dlugosci i przekroju rurka kroplowa 19 polaczona ze zbior¬ nikiem retci 20 rurka elastyczna 21. Zbiornik elek¬ trolitu 13 jest napelniany za posrednictwem rurki 35 zaopatrzonej w kran 22 ze zbiornika 23, w którym roztwór elektrolitu poddawany jest dzialaniu gazu obojetnego np. azotu. Ponadto zbiornik 13 wyposa¬ zony jest w elektrode platynowa 24 dolaczona do dodatniego zacisku regulowanego zródla pradu sta- 40 lego P-25, którego zacisk ujemny polaczony jest z elektroda 26 zanurzona w zbiorniku rteci 20. Ka¬ pilara kroplowa 19 jest polaczona mechanicznie z wibratorem W-27.Proces napelnienia kapilary 1 lub zestawu kapi- 45 lar polega na tym, ze pompa ssaca powoduje prze¬ plyw roztworu elektrolitu, pobieranego ze zbior¬ nika 13, przez kapilare lub zestaw kapilar. Roz- twór~elektrolitu ze zbiornika 23 doprowadza sie do zbiornika 13, z którego nastepnie wplywa do ria- 50 pelnianegp zestawu kapilar. Szybkosc przeplywu elektrolitu przez kapilare jest regulowana wiel¬ koscia wytworzonego przez pompe podcisnienia.Jednoczesnie do zbiornika 13 przez rurke kroplo¬ wa 19 wpadaja krople rteci, których masa i cze- 55 stotliwosc spadania jest regulowana przez: dobór srednicy i dlugosci rurki kroplowej 19, dobór wiel¬ kosci napiecia polaryzujacego zródlo pradu P-25 oddzialywujacego na napiecie powierzchniowe rte¬ ci wyplywajacej z rurki kroplowej oraz przez 60 wzgledna wysokosc zbiornika rteci 20 w stosunku do konca rurki kroplowej. Podwyzszenie czestotli¬ wosci spadania kropli rteci moze byc osiagniete przez przylozenie do zbiornika 20 dodatkowego cis¬ nienia z zewnatrz. Ponadto czestotliwosc spadania 65 kropel jest regulowana i stabilizowana drganiami5121* mechanicznymi wibratora W-27 sprzezonego me¬ chanicznie z rurka kroplowa.Napelniona kapilare zamyka sie szczelnie np. przez zaklejenie, z pozostawieniem pecherzyków gazu na obu jej koncach. Po umieszczeniu w odpo¬ wiedniej obudowie, przygotowana w ten sposób kapilara stanowi elektrochemiczny przetwornik do pomiaru drgan, jak np. na Fig. 1. PL