Диссертация (1104411), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Основным результатом,полученнымздесь,являетсядоказательствотого,чтоименно64модернизированные граничные условия на электродах, дают теоретическиерезультаты, частично совпадающие с экспериментальными данными.Атакже, стало очевидным, что при постановке граничных условий необходимоучитывать не только геометрические свойства ЭП, но и особенностипроцессов переноса на границе электрод-электролит.Наиболее точный подход для описания переноса заряда через границураздела фаз в результате электрохимических реакций основывается насоотношении Баттлера-Волмера [79]. В этом случае, уравнения переносазаряда должны учитывать перенос ионов всех видов, а не толькоэлектроактивных, как это делалось выше. Такой подход был развит в работах[36, 37] по численному моделированию процессов переноса и распределениякомпонентов электролита в ЭП, где, в частности, были получены частотныезависимости электродных токов (Рис.
1.10), которыми мы воспользуемся дляинтерпретации полученных экспериментальных данных.Построим зависимости (Рис. 2.11) от частоты воздействия отношениякатодного к анодному токудля экспериментальныхданных и дляполученных численным методом.Экспериментальная и численная зависимости достаточно хорошоложатся друг на друга вплоть до частот ~ 10 Гц.
Различие на более высокихчастотах обусловлены, по-видимому тем, что численная модель не учитываетмелкомасштабныхдеталейэлектродовпреобразующейструктуры,проявляющихся именно в высокочастоной области.65Рис. 2.11. Отношения катодного к анодному току для экспериментальных данных и дляполученных численным методом.Дляпроверкигипотезы,чтонаблюдаемыйэффектсвязансизменениями анодной концентрации при нестационарном протеканиижидкостичерезпреобразующуюячейкупредставиманодныйтокследующим образом:I a = I a ,const −DSFδc a ,avλD,(2.4.21)где I a ,const - анодный ток в предположении постоянной концентрацииактивных ионов на аноде, а второй член представляет собой диффузионнуюдобавку,связаннуюсосреднейвариациейконцентрацииактивныхкомпонентов на аноде δca,av , S – площадь анода, F – постоянная Фарадея,λD = D2πf -диффузионнаядлина.Величинаδca,avнаходитсяизчисленного решения для распределения концентрации. Из ранних работ[76, 40] известно, что I a ,const = I c .
Учитывая этот результат, получаем:661−Ia1=I c 1 + I a λ D DSFδca ,av(2.4.22)На Рис. 2.12 приведено сравнение величины 1 − I a I c , найденнойчисленным методом и полученной из формулы (2.4.22).Рис. 2.12. Сравнение величины 1 − I a I c , найденной численным методом (Numerical) инайденной с помощью выражения (2.4.22) (Eq).Полученные из численного моделирования распределения концентрацийкомпонентов электролита значения электродных токов качественно иколичественно совпадают с экспериментальными данными. Таким образом,можно сделать вывод, что при моделировании процессов переноса в ЭЯнеобходимо учитывать не только ограниченность ЭП, но и потоки всех видовионов, представленных в растворе, а также влияние электрического поля.При этом, особенно принципиальное значение при построении адекватныхмоделей имеет учет изменений концентрации на анодах.672.5. Обобщение результатов и заключение.Сформулируем основные выводы представленных в настоящей главеисследований:1)Получены экспериментальные амплитудно- и фазо-частотныехарактеристики электрохимических датчиков горизонтальных движенийразличных размеров корпуса.2)Разработана теоретическая модель электрохимической ячейки иполучены аналитические решения уравнения конвективной диффузии врамках этой модели.3)Подтвержденопредположениеочастотнойзависимостиграничных условий для концентрации активных ионов на аноде при решениисистемы уравнений конвективной диффузии и уравнения Нернста-Планка.4)Проведен анализ решений и получены АЧХ и ФЧХ электродныхтоков для предложенной модели электрохимической ячейки с параметрами,соответствующими экспериментальным образцам.Полученные результаты позволяют сделать вывод, что модификацияграничных условий на анодах для уравнения конвективной диффузииприводит к радикальному отличию в поведении фазо- и амплитудочастотных зависимостей сигнальных анодных и катодных токов посравнению с классической теорией Ларкама.
Если, согласно общепринятойтеории, для пространственно неограниченной ЭЯ катодные и анодныесигнальные токи имеют одинаковую амплитуду и фазу вплоть до самыхвысоких частот, то для рассмотренной пространственно ограниченной ЭЯразность фаз монотонно возрастает с частотой, достигая значения π уже начастотах порядка 50 Гц, а электродные токи практически равны на низкихчастотах вплоть до ~0,1 Гц, с дальнейшим увеличением частоты отношениекатодного тока к анодному уменьшается. Этот эффект объясняется наличиемдобавки концентрации C 0′ на аноде, которая является постоянной. Она иAприводит к увеличению тока анода с частотой.68Таким образом, предложенная модель частично объясняет появлениеразности фаз между сигнальными токами на катоде и аноде однойэлектродной пары ЭЯ.
Однако, на высоких частотах рассмотренная модельдает анодную АЧХ, не соответствующую экспериментальным данным. Вэтой связи можно сделать вывод, что добавка концентрации на аноде должнанеким образом зависеть от частоты, что было подтверждено, интерпретируярезультаты работ [36, 37].Основным результатом, достигнутым в работе, описанной в даннойглаве, является доказательство того, что в теоретических моделях,описывающих принципы действия ЭП, необходимо учитывать не толькогеометрические параметры системы. Учитывая в уравнениях переноса всехвидов ионов электролита и процессы происходящие на границе электродэлектролит приводят у теоретическим результатам адекватно описывающиеэксперимент.69Глава 3.
Акселерометр жидкостного типа с инерциальной массойсоздаваемой электрохимическими методами.3.1. Принцип работы акселерометра.Традиционно приборы на основе молекулярно-электронной технологииприменяются в разнообразных областях прикладной сейсмологии игеологоразведки.Эточувствительностьюиобусловленонизкимисключительноуровнемвысокойсобственныхшумовэлектрохимических преобразователей.Последние исследования в области молекулярной электроники показалипринципиальнуювозможностьиспользованияЭПдлясозданияминиатюрных измерителей линейного движения применительно к решениюприкладных задач инерциальной навигации и определения параметровдвижения.В зависимости от граничных условий для активных ионов электролитана концах канала, можно получить датчики регистрации параметровлинейных или вращательных движений [8, 10, 40, 80] (Рис.1.2).
Недостаткомописанных в данных работах устройств для измерения параметров линейногодвижения является невозможность измерять постоянно действующеелинейное ускорение.В связи с этим была предложена следующая конструкция жидкостногоакселерометра(Рис.3.1)синерциальноймассойсоздаваемойэлектрохимическими методами, способного измерять постоянное линейноеускорение.
Преобразователь представляет собой керамический корпус 1 срабочим 2 и расширительным 3 объемами, заполненными электролитом 4. Врабочий объем помещен электродный узел 5 (Рис.3.2). В используемойэлектродной ячейке расстояние между электродными парами (междукатодами) достаточно велико (~ 3 мм) по сравнению с анод–катодным70расстоянием (~0,05 мм). Расстояние от анодов до основного объема – тора составляет ~1 мм.
Канал датчика квадратного сечения размером 2x2 мм.Рис.3.1. Структурная схема линейного электрохимического акселерометра.Рис.3.2. Электродная ячейка микроакселерометра: 1- керамический корпус, 2, 3 – анод икатод 1-ой электродной пары соответственно, 4, 5 – анод и катод 2-ой электродной парысоответственно, 6, 7, 8, 9 – проницаемые диэлектрические прокладки.71Принцип работы данного ЭП состоит в том, что в стационарномсостоянии под действием разности потенциалов, приложенной междуэлектродами в преобразующем электродном узле, на катоде идет процесс−−восстановления йода I 3 + 2e → 3I , а на аноде процесс окисления йода3I − − 2e → I 3− .Таким образом, устанавливается разность концентрацийактивного компонента в преобразующем канале, а, следовательно, и разностьплотностей между электролитом, находящимся в торе («тяжелая» жидкость)и в преобразующем канале («легкая» жидкость). Под действием внешнегоускорения, направленного вдоль оси преобразующего канала, более тяжелаяжидкость, смещается в направлении, противоположном действующемуускорению, более легкая – в обратном направлении.
В результате возникаетпоток жидкостичерезпреобразующийэлементи соответствующийсигнальный ток. Нетрудно заметить, что в данной конструкции потокжидкости через преобразующие ячейки возникает, в том числе, и припостоянно действующем ускорении, что обеспечивает сохранение высокойчувствительности данного акселерометра вплоть до 0 Гц.3.2. Амплитудно-частотная характеристика акселерометра.Дляисследованиябылизготовленопытныйобразец(№1)акселерометра со следующими геометрическими параметрами: квадратноесечение канала со стороной 2 мм, внутренний диаметр тора- 6 мм, внешний10 мм, межкатодное расстояние- 3 мм, анод-катодное- 0.05 мм.
Объем былзаполнен высоконцентрированным раствором йодида калия КI и I2 сконцентрацией 0.03 моль/л.Первоочередной задачей стало нахождение передаточной функцииопытного образца линейного электрохимического микроакселерометра.На высоких частотах АЧХ, представленная на Рис. 3.3, была измеренана калибровочном стенде, описанном в разделе 2.2. В связи с тем, чтоконструкция калибровочного стенда не позволяет создавать низкочастотный72сигнал с большой амплитудой, нижняя граница измеренного частотногодиапазона составляет 0.04 Гц.Во всем измеренном диапазоне частот АЧХ спадает.
В полосе от 0,08Гц до 1 Гц наблюдается аналитическая зависимость от частоты ~ 1 ω 0.5 , а вполосе от 2 Гц до 20 Гц- зависимость ~ 1 ω .Рис.3.3.Амплитудно-частотная характеристика микроакселерометра (образец №1).В связи с тем, что АЧХ резко спадает на частотах выше 40 Гц, а прибольших амплитудах воздействия возникают нелинейные искажения самоговходного сигнала калибровочного стенда (так на частоте 10 Гц КНИ сигналас прецизионных дифференциальных индуктивных датчиков смещениясоставил 0.5% при амплитуде 3 м/с2) верхняя частота измеренного диапазонасоставила 32 Гц.Посколькуструктурамикроакселерометрапозволяетизмерятьпостоянное ускорение, а калибровочные стенды не способны создатьрегистрируемый датчиками сигнал на сверхнизких частотах (ниже 0.01 Гц),топередаточнаяхарактеристикаисследуемыхобразцовлинейныхакселерометров на самых низких частотах определялась исходя из73отношения сигналов испытуемого прибора и опорного датчика с известной иплоской передаточной функцией по ускорению.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
