Ртутно-электролитические капиллярные преобразователи

Московский государственный технический университет 

имени Н. Э. Баумана 

 

 
 

С.Н. Синавчиан, М.А. Синельщикова,  

В.С. Синавчиан 

 
 
 
 

Ртутно-электролитические  

капиллярные преобразователи 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

 

УДК 531.768 
ББК 32.84 
         С38 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/192/book752.html 

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Технологии приборостроения» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана  
в качестве учебного пособия 

Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана А.С. Косолапов; 
нач. отдела ФГУП «ЦНИРТИ» им. А.И. Берга Н.С. Резниченко 

  
 
Синавчиан, С. Н.  
 
 
     Ртутно-электролитические капиллярные преобразователи : учебное пособие / С. Н. Синавчиан, М. А. Синельщи- 
кова, В. С. Синавчиан. — Москва : Издательство МГТУ  
им. Н. Э. Баумана, 2014. — 62, [2] c. : ил.  

ISBN 978-5-7038-4063-4 

Ртутно-электролитические капиллярные преобразователи, являющиеся разновидностью электрокинетических преобразователей, составляют перспективный класс преобразователей, пригодных для решения широкого круга задач, в первую очередь задач виброметрии. 
Учебное пособие посвящено основам теории и применения электрокинетических преобразователей. Рассмотрены физико-химические 
основы работы, методы расчета и конструирования ртутно-электро- 
литических капиллярных преобразователей. Приведены принципы построения, конструкция и технические характеристики. 
Для студентов старших курсов кафедры «Технологии приборостроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплины «Методы 
оценки эксплуатационных параметров и испытаний изделий», «Электрорадиоизмерения и испытания информационных радиоэлектронных 
средств», «Электрорадиоизмерения и испытания радиоэлектронных 
средств». 
 
 
УДК 531.768 
ББК 32.84 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
 © Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4063-4 
 
 
       МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

С38 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В середине 1970-х годов на стыке физики, химии и электроники зародилось и успешно развивается новое направление — хемотроника, использующая электрохимические явления для построения средств автоматики, измерительной и вычислительной 
техники, моделирования биологических процессов. 
Успешная исследовательская и конструкторско-технологическая работа в области хемотроники проводилась коллективами 
под руководством Н.С. Лидоренко, Б.С. Сотскова, П.Д. Луковцева, 
Р.Ш. Нигматулина, И.В. Стрижевского, А.П. Шорыгина, Б.М. Гра- 
фова, М.Л. Фиша, М.С. Касимзаде, А.Н. Балашова и других ученых. Одним из перспективных классов хемотронных приборов 
являются устройства, основанные на использовании электрокинетических явлений, связанных с электромеханическими процессами на границе раздела фаз и сопровождающихся непосредственным преобразованием энергии движения жидкости в 
электрическую энергию и обратно — электрической энергии в 
движение жидкости. 
Обратимость, широкие рабочий частотный и температурный 
диапазоны, охватывающие частоты от тысячных долей герца до 
ультразвуковых и температуры от –50…40 до 150…200 °С, высокая чувствительность, большой динамический диапазон, малый 
уровень собственных шумов, надежность, простота конструкции и 
другие качества открывают возможность широкого применения 
электрокинетических преобразователей (ЭКП) в измерительной 
технике. 
Современное развитие науки и техники предъявляет все возрастающие и разносторонние требования к элементам и устройствам автоматики, измерительной и вычислительной техники в 
отношении расширения их возможностей, улучшения конструкций 
и технических характеристик, а также повышения надежности. 

Удовлетворение этих требований невозможно без существенного 
развития принципов построения соответствующих элементов, 
привлечения для этого новейших достижений естественных и технических наук. 
В настоящее время на базе ЭКП предложены и разрабатываются приборы для измерения различных механических величин: давления, перемещения, линейного и углового ускорения, тепловых, 
акустических, медико-биологических параметров, для перекачки, 
контроля состава, дозирования и измерения расхода жидкостей. 
Ртутно-электролитический 
капиллярный 
преобразователь 
(РЭКП) является акселерометром с ярко выраженной резонансной 
характеристикой. Он предназначен для преобразования механических колебаний объекта, на котором закреплен, в электрический 
сигнал в диапазоне частот до 4 кГц, т. е. в инфранизкочастотной и 
низкочастотной областях, и используется для нужд военнопромышленного и аэрокосмического комплексов, приборостроения и других областей техники. Однако отсутствие целенаправленного формирования характеристик преобразователей и низкая 
точность одной из последних операций — заполнения чувствительного элемента (ЧЭ) — существующих технологических процессов изготовления РЭКП приводят к необходимости выпуска 
избыточного количества датчиков с последующим подбором экземпляров с необходимыми характеристиками, причем выход готовых изделий составляет 15 %. 
Существенным является отсутствие комплексных исследований, посвященных расчету геометрии компонентов РЭКП в зависимости от требуемых выходных характеристик. 
Изготовление партий РЭКП с заданными метрологическими 
характеристиками, заключающееся в разработке технологических 
мероприятий, направленных на формирование параметров РЭКП и 
увеличение точности операции заполнения ЧЭ чередующимися 
каплями ртути и электролита, определяет актуальность представленной работы. 
В первой главе рассмотрены физико-химические основы работы, общие свойства, вопросы расчета и конструирования ЭКП, в 
частности РЭКП. 
Во второй главе показана актуальность использования РЭКП 
во многих областях приборостроения, в первую очередь для нужд 

военно-промышленного и аэрокосмического комплексов. Проведен анализ существующих конструкций и технологических процессов изготовления РЭКП, их достоинств и недостатков, а также 
факторов, определяющих низкое качество изготовления РЭКП при 
использовании традиционной технологии.  
В третьей главе представлен принцип действия установки для 
заполнения ЧЭ РЭКП. Описаны испытательные стенды для исследования изменения резонансных характеристик экземпляров 
РЭКП. Представлены результаты исследований и проведен их 
анализ. 
 
 

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ 
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 

1.1. Электрокинетические явления.  
Определения, классификация 

Под электрокинетическими подразумевают явления, имеющие 
общую природу, происходящие на границе раздела фаз и связанные с их взаимным перемещением. Классическими их формами 
являются электроосмотический перенос жидкости, потенциал протекания (течения), потенциал оседания и электрофорез. 
Электрокинетические явления в капиллярных системах — 
электроосмос, потенциал (ток) течения — можно отнести к внутренним, а электрофорез и потенциал оседания (седиментационный 
потенциал) — к внешним электрокинетическим явлениям. 
Известны также другие явления, имеющие электрокинетическую природу или смежные с ними, — звукоэлектрохимические 
эффекты на поляризованных электродах, возникновение потенциала на проводнике с пористой изоляцией, помещенном в жидкость, 
движение полярных жидкостей в неоднородном электрическом 
поле (эффект Сумото), эффекты на границе двух несмешивающихся жидкостей, находящихся в капилляре (U-эффекты или Laturэффекты), возникновение потенциала коллоидной и ионной вибрации и т. д. 
Исходным пунктом различных теорий электрокинетических 
явлений служит представление о наличии двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Характерной особенностью 
электрокинетических эффектов является их обратимость. С этой 
точки зрения можно классифицировать эти явления на прямые и 
обратные. 

Прямые явления — образование электрической разности потенциалов за счет: 1) движения жидкости относительно твердой 
поверхности — потенциал протекания; 2) движения частиц твердого тела в жидкости — седиментационный и вибрационный потенциалы.  
Обратные явления — возникновение при наличии электрического поля: 1) движения жидкости относительно твердой поверхности — электроосмос; 2) движения частиц твердого тела в жидкости — электрофорез. 
Электроосмос и электрофорез были открыты профессором 
Московского университета Ф. Рейссом в 1808 г. Развитию теории 
электрокинетических явлений в значительной мере способствовали фундаментальные исследования И.И. Жукова и его учеников, 
А.Н. Фрумкина, В.В. Дерягина, С.С. Духина и других ученых. 

1.2. Явления, смежные с электрокинетическими 

Электрокапиллярные явления. Если электрокинетические 
явления отражают связь между относительным движением жидких 
и твердых фаз, то электрокапиллярные явления отражают связь 
между избыточной поверхностной энергией и разностью потенциалов на границе раздела несмешивающихся электропроводных 
жидкостей внутри капилляра (рис. 1.1). 
 

Рис. 1.1. К принципу работы электрокапиллярного преобразователя
 
 
Электрические и гидродинамические эффекты, возникающие 
на границе раздела жидких фаз при их относительном движении, 
по своей природе и причинам близки к электрокинетическим. В то 
же время порядок величин, выявляемых в результате действия 
этих эффектов, существенно отличается от аналогичных значений, 

e

Ртуть

v

Раствор
электролита

возникающих при электрокинетических явлениях. Эти факты, а 
также целый ряд физико-химических особенностей, характеризующих взаимодействующие фазы, указывают на различие между 
электрокинетическими и электрокапиллярными явлениями. 
Впервые электрокапиллярные явления для системы ртуть — 
электролит были исследованы Г. Липпманом, который определил 
зависимость между электрическими параметрами двойного электрического слоя, возникающего на границе раздела, и поверхностным натяжением, характеризующим избыточную энергию поверхностного слоя. Он установил, что изменение поверхностного 
натяжения и потенциала двойного электрического слоя суть явления обратимые, т. е. если гидромеханическим или каким-либо другим неэлектрическим путем менять величину поверхности ртути, а 
следовательно, и поверхностное натяжение, это вызовет изменение 
скачка потенциала на границе раздела, и наоборот, поляризация 
границы раздела вызывает изменение удельной свободной энергии 
поверхностной фазы. Им же был сконструирован капиллярный 
электрометр — первый прибор, использующий электрокапиллярный эффект. 
При отсутствии внешней поляризации, когда система подвергается только механическим воздействиям, источником, вызывающим 
объемно-поверхностные процессы, является течение жидких объемных фаз в капилляре. При кинематическом гармоническом воздействии на электрокапиллярный преобразователь возникают объемные силы, вызывающие возвратно-поступательное течение 
жидких объемных фаз вдоль оси капилляра. 
Движение диэлектрических жидкостей в неоднородном 
электрическом поле. Прохождение электрического тока через 
диэлектрические жидкости во многих случаях сопровождается 
движением самой жидкости. К таким явлениям относится движение жидкости вдоль электродов, находящихся в ней под высоким 
напряжением, обнаруженное впервые И. Сумото (эффект Сумото). 
Исследования показывают, что при наличии электрического 
поля между электродами в результате электрохимических процессов в жидкости появляются ионы преимущественно одного знака, 
вследствие чего у одного из электродов образуется объемный заряд. Это приводит к возникновению градиента потенциала в прикатодном пространстве, обусловливающего рост сил, действую

щих на дипольные частицы в неоднородном электрическом поле. 
Наличие объемного заряда приводит к торможению ионов, вследствие чего возникает ионное давление. 
Выброс жидкости фонтаном за счет давления ионов на установке, имеющей электродную систему цилиндр — острие, наблюдал В. Поль. Он же получил выражение для силы, действующей на 
частицы (при цилиндрической системе электродов для неполярных 
жидкостей). 
На основе описанного явления предложены устройства для 
контроля степени чистоты полярных органических жидкостей. 
 

Рис. 1.2. Устройство ЭКП с проводником, 
имеющим пористую изоляцию 
 
 
Образование потенциала протекания на проводнике с пористой изоляцией и звукоэлектрохимические явления. Если 
систему, состоящую из проводника с волокнистым покрытием 
(пористой изоляцией), который помещен в стеклянную трубку 1, 
содержащую слабый раствор электролита 3, подвергнуть воздействию вибрации или звукового поля, то между проводником 2 и 
массой окружающего раствора, где находится также вспомогательный электрод 4, образуется разность потенциалов, имеющая 
электрокинетическую природу (рис. 1.2). Этот эффект связан с 
диффузным слоем ионов, окружающих изоляционное покрытие, 
которое в данном случае играет роль системы капилляров.  

1.3. Принцип работы, устройство и классификация  
электрокинетических преобразователей 

В настоящее время наибольшее практическое применение 
находят ЭКП, построенные на принципе использования потенциала протекания и электроосмоса, разрабатываются также преобразователи, базирующиеся на смежных с электрокинетическими явлениях: 

1
2
3

4
Звуковое поле

• электрокапиллярные (ртутно-электролитические); 
• на эффекте Сумото; 
• преобразователи, использующие проводник с пористой изоляцией, и др. 
Учитывая обратимость указанных явлений, ЭКП следует отнести к обратимым преобразователям. Обратимость — одно из ценных свойств ЭКП. 
Входной сигнал может быть как постоянным, так и переменным, и в соответствии с этим на выходе преобразователя возникает постоянный или переменный сигнал. 
Исходя из этих соображений, ЭКП можно классифицировать 
по следующим признакам: 
• по режиму работы: преобразователи, работающие в генераторном режиме (генераторные); преобразователи, работающие в 
двигательном режиме (двигательные электрокинетические или 
электроосмотические); 
• по характеру входного сигнала: преобразователи, работающие на постоянном входном сигнале; преобразователи, работающие на переменном входном сигнале. 
Генераторные ЭКП. Наиболее распространенными из генераторных ЭКП являются преобразователи с применением жестких преобразующих пористых перегородок. Другие виды ЭКП пока имеют 
ограниченное применение. Во всех случаях исполнения естественной 
входной величиной генераторных ЭКП служит градиент давления в 
жидкости внутри преобразующего элемента, а выходной — ЭДС, 
снимаемая с электродов. В генераторных ЭКП, работающих на постоянном входном сигнале и называемых в дальнейшем ЭКП постоянного течения, рабочая жидкость непрерывно протекает через пористую перегородку в одном и том же направлении. 
Генераторные ЭКП с переменным входным сигналом содержат 
ограниченный (как правило, небольшой) объем жидкости, заключенный в его рабочие камеры. 
На рис. 1.3, а приведено принципиальное устройство ЭКП постоянного течения, на рис. 1.3, б–д — переменного давления различных конструктивных модификаций, на рис. 1.3, е — капиллярного ртутно-электролитического. 
При действии градиента давления внутри системы происходит 
движение жидкости в порах преобразующей перегородки, в ре