Обледенение в технике и борьба с ним
Разработка "Устройства для сигнализации обледенения" для борьбы со льдообразованием в газоперекачивающих агрегатах и других видах техники. В основу устройства положен теоретический принцип работы пьезоэффекта в схеме параллельного резонанса частоты.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.02.2011 |
| Размер файла | 4,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
В целях борьбы со льдом на ГПА рассматриваются два варианта СО-2 и СО ЦТС-19. Другие варианты не рассматриваются из-за специфики работы ГПА в среде обледенения. Эффективное применение радиоизотопных датчиков в авиации неприемлемо для ГПА из-за сложности создания службы радиоактивного контроля. Направление этого радиоизотопного пути борьбы со льдом отвергнуто руководством, как высокозатратное
Из этих соображений мы применили
Пьезоэлектрический эффект [5]
Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками.
Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик, например кристалл, электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта.
Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов. Стрелками Р и Е изображены внешние воздействия - механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р - вектор поляризации.
В некоторых источниках для обратного пьезоэффекта неуместно используют термин электрострикция, относящийся к сходному, но другому физическому явлению, характерному для всех диэлектриков, деформации их под действием электрического поля. Электрострикция - четный эффект, означающий, что деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок деформаций при электрострикции намного меньше, чем при пьезоэффекте (примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте, но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция - эффект необратимый.
Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением t: P = dt
Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности d называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем), и он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью:
r = dE
где r - деформация; Е - напряженность электрического поля. Пьезомодуль d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.
Приведенные выражения даны в элементарной форме только для уяснения качественной стороны пьезоэлектрических явлений. В действительности пьезоэлектрические явления в кристаллах более сложны, что обусловлено анизотропией их упругих и электрических свойств. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла. Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений. Существуют направления, для которых пьезоэффект равен нулю. Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла. Направления поляризации может совпадать с направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол. При совпадении направлений поляризации и механического напряжения пьезоэффект называют продольным, а при их взаимно перпендикулярном расположении - поперечным. За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения.
Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты
Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3 х 10-7мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.
Выбор способа тестирования льда
Окончательно выбираем теоретический принцип прямого пьезоэффекта. Применяем способ активного тестирования льда с упреждением по времени его образования. Упреждение достигается использованием при изготовлении корпуса детектора из материала с большей теплопроводностью, чем защищаемый ото льда объект. В фазовых формах льда(11) показано 15 фаз льда. Мы не можем де-факто знать, какая фаза льда образуется на воздухозаборнике ГПА, да это и не нужно - бороться нужно с любым льдом. Способ борьбы - подача горячего воздуха на вход ГПА постепенно, ступенчатым способом с целью исключения нарушения режима работы ГПА при резкой одновременной подачей тепла (так называемого «захлёбывания» ГПА). С получением сигнала «лёд» программа включает обогрев датчика, лёд удаляется с него в виде воды, на вход ГПА в виде пяти порций поступает тепло. С окончанием цикла датчик готов к следующей выдаче сигнала «лёд». С получение сигнала цикл повторяется. И так на весь осенне-зимний период в автоматическом режиме работы. Профилактика в виде осмотра и проверки противообледенительной системы производится согласно планаво-предупредительных осмотров и ремонтов (ППО и ППР).
Выбираем пьезоэлектрический датчик. Обосновываясь на том, что он не зависит в своей работе от сажи, грязи, смазочного масла, так как его работа основана на эффекте резонансного колебания. При наличии указанных инградиентов его рабочая частота не сдвигается с резонансной точки. При наличии льда и примерзании чувствительного элемента к корпусу датчика резонанс уходит, напряжение сигнала резко падает. Электронная схема выдаёт команду на снятие льда методом включения спирали к напряжению 24 вольта.
Часть 3. Результаты исследования:
- разработка конкретного устройства,
- практические рекомендации по его эксплуатации,
- экономический эффект от его внедрения.
Сравнительный анализ двух известных СО с указанием достоинств и недостатков с изложением частной задачи упреждения льдообразованмя.
Кварцевый резонатор
Миниатюрный кварцевый резонатор на 4 МГц, заключённый в герметично запечатанный корпус форм-фактора HC - 49/US, используемый для задания частоты
Кварцевый резонатор, кварц -- прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Следует заметить то, что, помимо кварца, используются и другие пьезоэлектрики, прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств.
Принцип действия
Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электронной схеме
Кварцевые резонаторы на 27,14 МГц и 32768 Гц
Кварцевый резонатор извлечен из корпуса. Видно золочение противоположных плоскостей пластинки.
На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов -- проводящие полоски.
Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.
При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.
Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противоэдс, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.
Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это также соответствует поведению колебательного контура.
Эквивалентная схема
История
Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри. Поль Ланжевен, используя этот эффект, впервые использовал часовой резонатор в гидролокаторе перед первой мировой войной. Первый кристалльный резонатор, работающий на сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позже Льюисом Эссеном (Louis Essen) и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce). Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920-х - 30-х годах. Начиная с 1926 года кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время, резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед. Помимо кварцевых, существуют пьезоэлектрики, например, керамика, так же использующиеся в настоящее время в большом количестве радиоаппаратуры.
Применение
Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделенная на 15-разрядном двоичном счетчике, дает интервал времени в 1 секунду.
Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.
Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приемников. Такие фильтры могут выполнятся по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.
По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объемного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).
Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная емкость, старение.
Все теоретические рассуждения относительно кварцевого резонатора остаются в силе применительно к пьезокерамическому резонатору.
Пьезоэлектримческий эффемкт -- эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект -- возникновение механических деформаций под действием электрического поля.
Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты наблюдаются в одних и тех же кристаллах -- пьезоэлектриках.
Типы поляризации
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
Электронная -- смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10-15 с). Не связана с потерями.
Ионная -- смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10-13 с, без потерь.
Дипольная (Ориентационная) -- протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
Электронно-релаксационная -- ориентация деффектных электронов во внешнем электрическом поле.
Ионно-релаксационная -- смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
Структурная -- ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
Самопроизвольная (спонтанная) -- благодаря наличию этого типа поляризации в диэлектрике проявляются нелинейность свойств, то есть явление гистерезиса. Отличается очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтаной поляризации, как правило, увеличивет тангенс угла потерь материала (до 10-2)
Резонансная -- ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия
Поляризация диэлектриков имеет максимальное значение в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости.
Выбираем пьезоэлектрический эффект из соображений:
1. Эффективность явления обнаружения льда при работе пьезоэлемента (ПЭ) ЦТС-19 в режиме прямого резонанса.
2. Использование поперечного резонанса ПЭ обеспечивает достаточной величины аналоговый сигнал для дальнейшей его преобразования в цифровой.
3. Высокий уровень помехозащищённости в смысле обнаружения льда, а не помехи в виде грязи, сажи, масла и т.д.
4. Простота, низкая энерго- и металлоёмкость при серийном производстве и в работе.
5. Возможность применения в силу компактности в других отраслях. Пьезоэлектрические свойства наблюдаются, кроме кварца, у большого числа других кристаллов. Гораздо сильнее, чем у кварца, они выражены у сегнетовой соли. Сильными пьезоэлектриками являются кристаллы соединений элементов 2-й и 6-й групп периодической системы (СdS, ZnS), а также многих других химических соединений.
Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металлические обкладки, укрепленные на кристалле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляризуется и деформируется.
Легко видеть, что необходимость существования обратного пьезоэффекта следует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта. Рассмотрим пьезоэлектрическую пластинку и предположим, что мы сжимаем ее внешними силами F. Если бы пьезоэффекта не было, то работа внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной пластинки. При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряды и возникает электрическое поле, которое заключает в себе дополнительную энергию. По закону сохранения энергии отсюда следует, что при сжатии пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа, а значит, в ней возникают дополнительные силы F1, противодействующие сжатию. Это и есть силы обратного пьезоэффекта [6] .
Пьезоэлектрические материалы - кристаллические вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами применяемые для изготовления электромеханических преобразователей: пьезоэлектрических резонаторов, пьезоэлектрических датчиков, излучателей и приёмников звука и др. Основными характеристиками пьезоматериалов являются: 1) коэффициент электромеханической связи , где d -- пьезомодуль, Е --модуль упругости, e -- диэлектрическая проницаемость (в анизотропных пьезоматериалах все эти и нижеследующие величины -- тензорные); 2) величина k2/tgd, определяющая кпд преобразователя (d -- угол диэлектрических потерь); 3) отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряжённости электрического поля в нём; определяется величиной (dE)2; 4) и определяют чувствительность приёмника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах (сзв -- скорость звука в пьезоматериалах). В табл. приведены характеристики некоторых наиболее распространённых пьезоматериалов. К пьезоматериалам в зависимости от назначения предъявляются специальные требования: высокая механическая и электрическая прочности, слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость и т.д.
Таблица
|
Плот- ность, r кг/м3 |
Ско- рость звука, Сзв, 103 м/сек |
Диэлект- рическая проницаемость, e |
Пьезо- модуль, d, 1012 к/н |
Тангенс угла диэлект- рических потерь, tg dЧ102 |
Коэф- фициент электро- механи- ческой связи k |
k2/tgd |
Примеча- ние |
||
|
Кварц |
2,6 |
5,47(11) |
4,5(11) |
2,31(11) |
< 0,5 |
0,095 |
>0,4 |
срез x |
|
|
Группа цирконата -- титаната свинца ЦТС--19 |
7, 4 |
|
1100 |
|
0,75--2,0 |
|
|
||
|
ЦТСНВ--1 |
7,3 |
|
2200 |
|
1,9--9,5 |
|
|
Основные характеристики наиболее распространенных пьезоэлектрических материалов при температуре 16--20 °С
Примечание. Цифры в скобках у монокристаллов определяют индексы соответствующих тензорных характеристик, например: (36)/2 означает d36. Для пьезокерамики верхние значения постоянных имеют индексы (11) или (31), а нижние (33), величины d31 < 0, d33 >0. Значения tgd для кристаллов даны для поля < 0,05 кв/см; для пьезокерамики tgd даётся в интервале 0,05 кв/см - 2 кв/см. Данные для отечественной пьезокерамики даны на основании ГОСТ 18 927--68.
Пьезоматериалы могут быть разбиты на: монокристаллы, встречающиеся в виде природных минералов или искусственно выращиваемые (кварц, дигидрофосфаты калия и аммония, сегнетова соль, ниобат лития, силикоселенит и германоселенит и др.), и поликристаллические сегнетоэлектрические твёрдые растворы, подвергнутые после синтеза поляризации в электрическом поле (пьезокерамика). Из пьезоматериалов первой группы применяются лишь некоторые кристаллы, например кварц, обладающий большой температурной стабильностью свойств, механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями и влагостойкостью. Недостатки -- сравнительно слабый пьезоэффект, малые размеры кристаллов, трудность обработки. Используется главным образом в пьезоэлектрических фильтрах и стабилизаторах частоты в лабораторной технике применяются кварцевые излучатели и приёмники ультразвука. Дигидрофосфат аммония -- искусственно выращиваемый сегнетоэлектрический кристалл, химически стоек, до точки плавления (Тпл = 130 °С) обладает сравнительно сильно выраженным пьезоэффектом и малой плотностью, однако недостаточно механически прочен. Кристаллы сегнетовой соли (выращиваемые до больших размеров) имеют высокие значения характеристик, определяющих чувствительность приёмника звука. Малая влагостойкость, низкая механическая прочность, а также сильная зависимость свойств от температуры (из-за низких значений температуры плавления Тпл = 55 °С) и напряжённости электрического поля ограничивают применение сегнетовой соли. Ниобат лития, силикоселенит и германоселенит наряду с сильно выраженным пьезоэффектом и высокой механической прочностью обладают высокой акустической добротностью и используются в области гиперзвуковых частот. Турмалин, гидрофосфат калия, сульфат лития и др. практически не используются. Наиболее распространённым промышленным пьезоматериалами является пьезоэлектрическая керамика(7)
Мы применим пьзоэлектрический резонатор из группы цирконата -- титаната свинца ЦТС--19 в схеме прямого пьезоэффекта с поперечным резонансом частоты колебаний.
Преимущества перед другим решениями
· Достижение намного больших значений добротности (104?105) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом;
· Малые размеры устройства (вплоть до долей мм);
· Большая температурная стабильность;
· Большая долговечность;
· Лучшая технологичность;
· Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки;
Недостатки
· Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами.
· Узкая полоса пропускания полезного сигнала.
Добротность
Добромтность -- характеристика колебательной системы, определяющая полосу резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний.
Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания.
Общая формула для добротности любой колебательной системы:
где:
f -- частота колебаний
W -- энергия, запасённая в колебательной системе
Pd -- рассеиваемая мощность.
Например, в электрической резонансной цепи энергия рассеивается из-за конечного сопротивления цепи, в кварцевом кристалле затухание колебаний обусловлено внутренним трением в кристалле, в объемных электромагнитных резонаторах теряется в стенках резонатора, в его материале и в элементах связи, в оптических резонаторах - на зеркалах.
Для последовательного колебательного контура в RLC цепях, в котором все три элемента включены последовательно:
Для нашего случая (пьезоэлектрика ЦТС-19) добротность рассчитана, как последовательного колебательного контура и принята равной Q=100. (Может врьироваться в пределах 30 - 200 в зависимости от паразитной ёмкости корпуса-держателя С№). С=С№+Сє.
где R, L и Cє -- сопротивление, индуктивность и ёмкость резонансной цепи, соответственно.
Для параллельного контура, в котором индуктивность, емкость и сопротивление включены параллельно:
Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) колебательных звеньев с разной добротностью.
ЛАФЧХ колебательных звеньев с разной добротностью.
Для электрической цепи гораздо проще измерить амплитуду (ток или напряжение), чем энергию или мощность. Поскольку мощность и энергия пропорциональны корню амплитуды осцилляции, полоса на АЧХ будет от пика (примерно ?3 db), а 1/2 (?6 db). Поэтому чаще используется другое эквивалентное определение добротности, которое связывает ширину амплитудной резонансной кривой Дщ по уровню с круговой частотой резонанса щ = 2рf:
где: д - декремент затухания, Ne -- число колебаний за время релаксации.
Для измерения электрической добротности на частотах до десятков -- сотен мегагерц применяют измеритель добротности или измеритель иммитанса (косвенным способом), в диапазоне СВЧ применяются специальные методы
Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика (ЛАФЧХ) -- представление частотного отклика линейной стационарной системы в логарифмическом масштабе.
ЛАФЧХ строится в виде двух графиков: логарифмической амплитудно-частотной характеристики и фазо-частотной характеристики, которые обычно располагаются друг под другом.
Анализ систем с помощью ЛАФЧХ весьма прост и удобен, поэтому находит широкое применение в различных отраслях техники, таких как цифровая обработка сигналов, электротехника и теория управления.Содержание. В западной литературе используется название диаграмма Боде или график Боде, по имени выдающегося инженера Хенрика Боде (англ. Hendrik Wade Bode).
В инженерных кругах название обычно сокращается до ЛАХ.
В пакете прикладных программ для инженерных вычислений MATLAB для построения ЛАФЧХ используется функция bode.
Свойства и особенности
Если передаточная функция системы является рациональной, тогда ЛАФЧХ может быть аппроксимирована прямыми линиями. Это удобно при рисовании ЛАФЧХ вручную, а также при составлении ЛАФЧХ простых систем.
С помощью ЛАФЧХ удобно проводить синтез систем систем управления, а также цифровых и аналоговых фильтров: в соответствии с определёнными критериями качества строится желаемая ЛАФЧХ, аппроксимированная с помощью прямых линий, которая затем разбивается на ЛАФЧХ отдельных элементарных звеньев, из которых восстанавливается передаточная функция системы (регулятора) или фильтра [8]
Классификация датчиков
Из классификации подчёркиваем выбранный нами параметр красным цветом
· Активные
· Пассивные
Классификация по измеряемому параметру
· Датчики давления
o для измерения абсолютного давления
o для измерения относительного давления
· Датчики расхода
o Механические счетчики расхода
o Перепадомеры
o Ультразвуковые расходомеры
§ Ультразвуковые время-импульсные
§ Ультразвуковые фазового сдвига
§ Ультразвуковые доплеровские
§ Ультразвуковые корреляционные
o Электромагнитные расходомеры
o Кориолисовые расходомеры
o Вихревые расходомеры
· Уровня
o Поплавковые
o Ёмкостные
o Радарные
o Ультразвуковые
· Температуры
o Термопара
o Термометр сопротивления
o Пирометр
· Датчик концентрации
o Кондуктометры
· Радиоактивности (также именуются детекторами радиоактивности или излучений)
o Ионизационная камера
o Датчик прямого заряда
· Перемещения
o Абсолютный шифратор
o Относительный шифратор
· Положения
o Контактные
o Бесконтактные
· Фотодатчики
o Фотодиод
o Фотосенсор
· Датчик углового положения
· Датчик вибрации
o Датчик Пьезоэлектрический
o Датчик вихретоковый
· Датчик механических величин
o Датчик относительного расширения ротора
o Датчик абсолютного расширения
· Датчик дуговой защиты
Классификация по принципу действия
· Оптические (фотодатчики)
· Магнитоэлектрические (На основе эффекта Холла)
· Пьезоэлектрические
· Тензо преобразователь
· Ёмкостной датчик
· Потенциометрический датчик
· Индуктивный датчик
Классификация по характеру выходного сигнала
· Дискретные
· Аналоговые
· Цифровые
· Импульсные
Классификация по количеству входных величин
· Одномерные
· Многомерные
Классификация по технологии изготовления
· Элементные
· Интегральные
Датчик, сенсор (от англ. sensor) -- термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
В настоящее время различные датчики широко используются при построении систем автоматизированного управления.
В датчиках могут использоваться разные физические принципы, в соответствии с принципом работы датчика различаются несколько видов сигнализаторов.
· Тепломерные сигнализаторы. Измерение энтальпии: [ЭНТАЛЬПИЯ (от греч. enthalpo - нагреваю). Однозначная функция Н состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии S и давлении p, связана с внутренней энергией U соотношением Н = U + pV, где V - объем системы. При постоянном p изменение энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому энтальпию называют часто тепловой функцией или теплосодержанием. В состоянии термодинамического равновесия (при постоянных p и S) энтальпия системы минимальна].
· Вибрационные сигнализаторы
· Радиоизотопные сигнализаторы
· Оптические (оптоэлектронные) сигнализаторы
· Акустические сигнализаторы
· Конденсаторные сигнализаторы
В качестве датчиков обледенения на отечественных ВС широкое применение нашли радиоизотопные сигнализаторы типа РИО-3. Принцип работы сигнализатора основан на ослаблении бета-излучения радиоактивного изотопа (стронций-90 + иттрий-90) слоем льда, нарастающего на чувствительной поверхности штыря датчика в полёте. Мощность излучения регистрируется галогенным счётчиком типа СТС-5, и при её уменьшении до заранее заданного порога срабатывания электронный блок выдаёт сигнал «ОБЛЕДЕНЕНИЕ». Для уменьшения инерционности схемы штырь датчика при входе в зону обледенения непрерывно подогревается встроенным нагревательным элементом. В связи с относительно высокой радиоактивностью датчика на земле на него одевается красная свинцовая заглушка.
Примеры сигнализаторов обледенения
· РИО-2М -- радиоизотопный авиационный
· РИО-3 -- радиоизотопный авиационный
· СО-1 -- тепломерный промышленный (для газотурбинных установок)
· СО-4А -- авиационный (для двигателей)
· СО-121 -- вибрационный авиационный
· ИСО-16 -- авиационный
Общие сведения
Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.
Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик -- устройство управления -- исполнительное устройство -- объект управления. Специальный случай представляет использование датчиков в автоматических системах регистрации параметров, например, в системах научных исследований.
Широко встречаются два основных значения:
· чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной по природе, например -- пневматический сигнал;
· законченное изделие на основе указанного выше элемента, включающее, в зависимости от потребности, устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в системы управления. В этом случае чувствительный элемент датчика сам по себе может называться сенсором.
Эти значения соответствуют практике использования термина производителями датчиков. В первом случае датчик это небольшое, обычно монолитное устройство электронной техники, например, терморезистор, фотодиод и т. п., которое используется для создания более сложных электронных приборов. Во втором случае -- это законченный по своей функциональности прибор, подключаемый по одному из известных интерфейсов к системе автоматического управления или регистрации. Например, фотодиоды в матрицах (фото) и др.
Применение датчиков
В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии -- на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации близко к понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но показания этих приборов в основном читаются человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.
Применяем пьезоэлемент ЦТС-19 в режиме прямого пьезоэффекта в схеме поперечного резонанса.
Чувствительный элемент ЦТС-19 (ЧЭ)
Подбором резонансной частоты колебаний чувствительного элемента (ЧЭ) резонанс может быть продольным, т.е. в направлении стрелок или поперечным в направлении перпендикулярном направлению стрелок. В нашем конкретном случае лёд нарастает на боковой образующей цилиндра, для чего в корпусе-держателе в данном направлении выполнены три прорези в виде прямоугольников с соотношением высоты прорези к высоте ЧЭ: 1 : 2,5. Указанные пределы соотношений сторон являются оптимальными, определёнными экспериментально. В случае увеличения соотношений площадь примерзания ЧЭ корпусу оказывается слишком мала, а в случае уменьшения - затрудняется попадание влаги в капиллярный зазор между корпусом-держателем и ЧЭ. В обоих случаях это приводит к уменьшению полезного сигнала. Упреждение льдообразования во времени достигнуто увеличением теплопроводности корпуса-держателя приводящей к ускорению падения температуры влаги в капиллярном зазоре при падении температуры контролируемого потока. В данном случае применение материала для корпуса-держателя с большей теплопроводностью, чем материал защищаемого объекта, находящихся в контролируемом потоке, опасном с точки зрения образования льда на них, приводит к замерзание влаги в капиллярном зазоре раньше (с упреждением во времени), чем образование льда на элементах защищаемого объекта.
Формула изобретения. Устройство для индикации льдообразования, содержащее вибрационный элемент, подключённый к выходу блока возбуждения и сигнальному входу блока контроля параметров колебаний, отличающееся тем, что с целью повышения помехоустойчивости устройства, в него введён цилиндрический корпус, а вибрационный элемент выполнен цилиндрическим из пьезокерамики и установлен соосно с цилиндрическим корпусом внутри него с капиллярным зазором, для чего в корпусе напротив боковой поверхности вибрационного элемента выполнены отверстия с соотношениями высоты отверстий к высоте вибрационного элемента в пределах 1:1,5 - 1:2,5.
Сигнализатор обледенения -- устройство, предназначенное для непрерывного измерения интенсивности обледенения технических средств, с выдачей информации оператору и в автоматическую систему противообледенения. Применяются преимущественно для контроля обледенения летательных аппаратов и лопаток турбин в промышленных установках.
Устройство и классификация сигнализаторов обледенения
В состав сигнализаторов обледенения входят: датчик, вырабатывающий сигнал о степени обледенения, электронные блоки для усиления сигнала и его обработки по заданным критериям и устройство выдачи информации оператору.
срабатывания электронный блок выдаёт сигнал «ОБЛЕДЕНЕНИЕ». Для уменьшения инерционности схемы штырь датчика при входе в зону обледенения непрерывно подогревается встроенным нагревательным элементом. В связи с относительно высокой радиоактивностью датчика на земле на него одевается красная свинцовая заглушка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана теория льдообразования, обоснованная формулами Теории индуцированного излучения А. Эйнштейна, который открыл путь к разработке метода теплового излучения по борьбе с обледенением в технике (для первого случая (см. пункт «Ж». Формулировка нового). Обобшенны физические основы образования льда (уделено особое внимание теории льдообразования с точки зрения квантовой электроники - для второго случая см. пункт «Ж». Формулировка нового) [10] [11]
2. Представлено авторское свидетельство на изобретение: «Устройство для сигнализации обледенения» или датчик (детектор) льда и его схема. Описание электрической принципиальной схемы прилагаются в тексте описания изобретения.
3. Устройство успешно прошло опытную эксплуатацию на газопроводе «Ухтатрансгаз», принято к серийному выпуску на Калининградском экспериментальном заводе КЭЗ «Калининградавтоматика» и широко применяется в промышленности по борьбе со льдообразованием.
4. На основе указанного устройства разработана и серийно выпускается на КЭЗ «Калининградгазавтомтика» система борьбы со льдообразованием «Лёд-1» и «Лёд-2» (отличие в запорной арматуре).
ВЫВОД
Разработано «Устройство для сигнализации обледенения», в основу которого положен теоретический принцип работы пьезоэффекта в схеме параллельного резонанса частоты. Этот принцип работы впервые применён в практике борьбы со льдообразованием в технике вообще и в ГПА в частности. Что позволило сконструировать компактный, помехозащищённый, энерго- и металоэкономный прибор, защищённый авторским свидетельством № 1594576 от 22 мая 1990 года
На основе указанного прибора разработана и серийно выпускается на Калининградском экспериментальном заводе КЭЗ «Калининградгазавтомтика» система борьбы со льдообразованием «Лёд» Система сконструирована на базе микропроцессорного комплекта КР580. Программное обеспечение написана на языке Ассемблер В основу системы положена подача горячего воздуха на вход воздухозаборника ГПА от третьей ступени турбины низкого давления в соответствии с разработанной теорией льдообразования. Система сконструирована в одном блоке, состоящем из шести плат (ТЭЗ) по числу ниток газопровода Уренгой - Помары - Ужгород. Каждый ТЭЗ управляет персональной задвижкой ступенчатой подачи теплого воздуха на вход своего ГПА. Включается в работу обслуживающим персоналом КИП газоперекачивающей станции с началом льдообразования в осенне-зимний период. Система работает в автоматическом режиме. Профилактика производится в соответствии с технологическим планом ППО и ППР.
Система с доработками предложена к применению:
1). В РАО ЕЭС по защите ЛЭП от льдообразования, где вместо горячего воздуха может использовться электронагрев проводов током на отличающейся частоте.
2), В ЖКХ для борьбы со льдом на кровле зданий (сосульки), на пешеходных переходах - применение совместимо с видеокамерой наблюдения, которая информирует о создавшейся обстановке методом записи изображения на флеш-память, просматривая её по сигналу, например, диспетчер ЖКХ по лифтам, принимает решение на удаление льда.
3). В авиации.
4). В морском и речном флоте.
Из схемы датчика следует, что ПЭ включен по мостовой схеме, на его обкладки подано напряжение резонансной частоты. Резонанс достигается подбором элементов схемы моста экспериментально. Полезный аналоговый сигнал снимается с диагонали моста и в дальнейшем преобразовывается в цифровой сигнал. При отсутствии льда на ЧЭ полезный сигнал имеет максимальное значение и, будучи преобразованным в цифровой сигнал, выдаётся в схему системы в виде логической «1» ТТЛ. С началом льдообразования ЧЭ уходит с резонансной частоты величина его полезного сигнала резко падает и в схему системы выдаётся рабочий сигнал в виде логического «0» ТТЛ. Электропитание схемы ЧЭ 5 вольт, спирали для сброса льда 24 вольта. Двойное электропитание 5 В и 24 В - это очевидный недостаток схемы.
Сравнительная характеристика «СО-1» и «ЦТС-19»
Аналогичный прибор СО-1 разработал "Старорусский приборостроительный завод". Чувствительными элементами сигнализатора являются полупроводниковые тепломеры, фиксирующие скачкообразное выделение теплоты при превращении воды в лед, и терморезистор, регистрирующий температуру воздуха во всасывающем патрубке ГПА.
Сигнализаторы устанавливаются в воздушном потоке, имеющем скорость от 10 до 150 м/с.
Температура обдувающего воздуха, при которой появляется
сигнал "ОБЛЕДЕНЕНИЕ": 0 ч минус 25 °С
2. Минимальная водность воздуха (масса капель воды в единице объема воздуха), при которой срабатывает сигнал "ОБЛЕДЕНЕНИЕ" : 0,1 г/м3
ЦТС-19
Чувствительным элементом сигнализатора является ЦТС-19 - группа цирконата -- титаната свинца
1. Упреждение льдообразования во времени
2. Фиксирует не температуру и водность, а фактический лёд
3. Не зависит от температуры обдувающего воздуха, при которой появляется сигнал.
Сравнение сигнализаторов обледенения СО 1 и ЦТС-19
ПоставщикСО-1:"Старорусский приборостроительный завод", ОАО
Старорусский приборостроительный завод
175200, Россия, Новгородская обл.,
г. Старая Русса, ул. Минеральная, д. 24
Генеральный директор Исаков Владимир Павлович
Телефон: (81652) 5-18-05
end_of_the_skype_highlighting
Сигнализаторы фиксируют превращение воды в лед.
Сигнализаторы устанавливаются в воздушном потоке, имеющем скорость от 10 до 150 м/с.
Сравнительные технические характеристики
СО-1
ЦТС-19
Температура обдувающего воздуха, при которой появляется сигнал «обледенение»
0 ч минус 25 оС
Любая
Минимальная водность воздуха ( масса капель воды в единице объема воздуха), при которой срабатывает сигнал «обледенение»
0,1 г/м3
Любая
Время появления сигнала «обледенение» при скачкообразном изменении водности воздуха
? 20 с
С упреждением 1-2 мин.
Питание от источника постоянного тока напряжением
±15 В
5 В и 24 В
Выходной сигнал
замыкание контактов реле
Логический «0» ТТЛ
Потребляемая мощность
? 1,5 Вт
Тоже
Масса
? 2,5 кг
Тоже
Средний срок службы
10 лет
Тоже
Габаритные размеры
300х150х110 мм
Тоже
Разрешения на применение: не требуются
Сертификаты: не требуются
В заключение определены направления дальнейших исследований борьбы со льдом по линии:
1. ЛЭП
2. ЖКХ
Особенностью этих исследований следует считать совмещение регистрирующих способов с информационными (например, датчик льда плюс видеокамера). Датчик льда регистрирует образование льда с упреждением во времени и включает противообледенительную систему, видеокамера фиксирует результат работы борьбы со льдом и записывает отчёт на флеш-память.
Основная литература
1. Шавлов А. В. Лёд при структурных превращениях. Новосибирск: «Наука», 1996 г., 198 с
2. Леонид Кульский, Воля Даль, Людмила Ленчина «Вода знакомая и загадочная»
3. Маэпо Н. Наука о льде. М.: Мир, 1988.
4. Котляков В. В мире снега и льда. М.: Наука, 1994.
5. Материал из Википедии -- свободной энциклопедии Пьезоэлектрический эффект.
6. Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966;
7. Ультразвуковые преобразователи, пер. с англ., под ред. Е. Кикучи, М., 1972.
8. Ультразвуковая техника, пер. с нем., Б. С. Аронов, Р. Е. Пасынков. М., 1962
9. Зюко, А. Г. Теория передачи сигналов / А. Г. Зюко [и др.]. -- М.: Связь, 1980. -- 288 с.
10. Тихонов, В. И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем / В. И. Тихонов, В. Н. Харисов. -- М.: Радио и связь, 2004. -- 608 с. -- ISBN 5-256-01701-2
11. Тихонов, В. И. Статистическая теория радиотехнических устройств / В. И. Тихонов, Ю. Н. Бакаев. -- М.: Академия им. проф. Н. Е. Жуковского, 1978. -- 420 с.
12. Кроме этого особо важная литература указывается в тексте глав работы.
Дополнительная литература
1. Софер М. Снег. „Наука и жизнь“ № 1, 1982.
2. Транковский С. Физические основы игры в снежки. „Наука и жизнь“ № 1, 1994.
3. А. П. Барвинский, Ш. Г. Козлова. Электрооборудование самолетов. Устройство и эксплуатация -- М.: Транспорт, 1981
4. Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета Ан-24 -- М.: Транспорт, 1975
5. А. П. Барвинский, Ш. Г. Козлова. Электрооборудование самолетов. Устройство и эксплуатация -- М.: Транспорт, 1981
6. Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета Ан-24 -- М.: Транспорт, 1975
7. ГОСТ 21508-76 Защита от обледенения самолетов и вертолетов. Термины и определения
8. ТУ ИВКШ.798611.002ТУ Сигнализатор обледенения СО-1В
9. ПУ 3.390.252 ТО Сигнализатор обледенения типа СО-1. Техническое описание
10. Сигнализатор наличия льда СО-121ВМ. Основные данные. Принципиальная схема
11. Сигнализатор обледенения для автомобилиста
12. Оптоэлектронный сигнализатор обледенения
13. Сигнализатор обледенения на микроконтроллере
15. Ice detector and deicing fluid effectiveness monitoring system
16. ГОСТ 21508-76 Защита от обледенения самолетов и вертолетов. Термины и определения
17. ТУ ИВКШ.798611.002ТУ Сигнализатор обледенения СО-1В
18. ПУ 3.390.252 ТО Сигнализатор обледенения типа СО-1. Техническое описание
19. Арабаджи В. Загадки простой воды. Сооружения из льда
19. Шавлов А. В., Рябцева А. А., Шавлова В. А. «Сверхскользкий лед для конькобежного спорта»//2007 г.
20. Сергей Апресов Белая магия
21. Александр Волков Снег и лёд
22. Сергей Транковский Игры со льдом
23. Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962;
24. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969;
25. Фабрикант В., Классика, кванты и квантовая электроника, «Наука и жизнь», 1965, № 10;
26. Прохоров А. М., Квантовая электроника, «Успехи физических наук», 1965.
27. Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, там же.
28. Шавлов А., Современные оптические квантовые генераторы, там же.
29. Таунс Ч., Получение когерентного излучения с помощью атомов и молекул, там же.
30. А. Л. Микаэлян, М. Л. Тер-Микаелян Ю. Г. Турков. «Оптические генераторы на твёрдом теле». М.: Советское радио, 1967.
Список чертежей
1. Морфология снежных кристаллов
2. Поглощение фотона
3. Вынужденное испускание фотона
4. Спонтанное испускание фотона
5. Кристаллическая структура льда VIII
6. График лёд, вода, пар.
7. Фазовая диаграмма льда
8. Таблица «фазы льда»
9. Таблица истинности
10.Таблица ЦТС-19
11.Чувствительный элем
12.Схема из авторского свидетельства
13. Чертёж сигнализатора обледенения
14. Пьезоэлектрический эффект.
PS
Материал изложен в формате гиперссылки, что позволяет читателю достичь углублённого изучения темы путём перехода на указанную ссылку, заинтересовавшую его в ходе работы.
Рекомендация
Предлагаемую диссертацию рекомендую использовать, как макет при разработке темы (и не только технической). Защиту произвести в Интернет в режиме On-line c использованием большого ЖК монитора (например, THOMSON с диагональю 102 см), рассоложенного в аудитории. В качестве указки применить лазерные фонарики, которые вручить каждому участнику процесса. Аппаратура WWW коммутации, системный блок, клавиатура и манипулятор «мышь» должен быть расположен на рабочем месте соискателя. При указанном методе защиты возможно исключение отдельных исполненных чертежей, так как имеет смысл использования чертежей, таблиц и схем, указанных в тексте, применяя лазерные указки. При открытой теме (отсутствия грифа) защиту провести с массовым привлечением студентов и аспирантов с целью распространения этого опыта, который в недалёком будущем станет общепризнанным в силу простоты применения и удобства широкого общения заинтересованных лиц.
Предупреждение для сторонних наблюдателей: плагиат исключён фактами наличия авторского свидетельства на изобретение, копии на твёрдом носителе с датой исполнения в колонтитуле, фиксации файла в системном регистре персонального компьютера и размещением текста в Интернет с указанием даты.
Эпилог
Вывод: использован метод компьютерного исследования с применением гиперссылки.
Голосование (методом шаров) на присвоение учёной степени рекомендуется изменить на интерактивный метод в режиме «on-line», т.е. заменить шары на бинарный код «0» - «1» с применением соответствующего скрипта.
Разработал и подготовил к защите Семушин Юрий Дмитриевич, но не защищал по причине трёх операций на два глаза.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Ознакомление с техническими требованиями на разработку схемы сигнализации. Рассмотрение структурной электрической схемы и её описание. Выбор элементов и расчёт параметров устройства тревожной сигнализации. Основы применения мигающего сигнала и звука.
курсовая работа [119,4 K], добавлен 29.10.2014Вспомогательные устройства и механизмы электростанций для управления, регулирования режима работы, сигнализации, релейной защиты и автоматики. Технические характеристики: аккумуляторные батареи, зарядно-подзарядные устройства, другие системы снабжения.
реферат [29,7 K], добавлен 03.07.2008Возбуждение ядер в магнитном поле. Условие магнитного резонанса и процессы релаксации ядер. Спин-спиновое взаимодействие частиц в молекуле. Схема устройства ЯМР-спектрометра. Применение спектроскопии ЯМР 1H и 13CРазличные методы развязки протонов.
реферат [4,1 M], добавлен 23.10.2012Ультразвук как не слышимые человеческим ухом упругие волны, частоты которых превышают 20 кГц, его основные источники и приборы для анализа. Физические свойства и особенности распространения. Устройства для генерирования ультразвуковых колебаний.
презентация [703,8 K], добавлен 16.04.2015Разработка структурной схемы и алгоритма работы многофункционального бытового устройства. Выбор электрической принципиальной схемы. Разработка чертежа печатной платы. Экономическое обоснование проекта и анализ вредных и опасных факторов при производстве.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 11.07.2014Особенности вынужденных колебаний. Явление резонанса, создание неразрушающихся конструкций. Использование колебаний в строительстве, технике, для сортировки сыпучих материалов. Вредные действия колебаний. Качка корабля и успокоители; антирезонанс.
курсовая работа [207,5 K], добавлен 21.03.2016Автоматическая защита воздушных кабельных линий и систем электроснабжения от многофазных и однофазных замыканий, устройства сигнализации. Расчет токов КЗ, схема электроснабжения. Дифференциальная и газовая защита трансформатора, АД от замыканий на землю.
курсовая работа [6,6 M], добавлен 23.08.2012Электрические цепи переменного тока, их параметры. Понятие и основные условия явления резонанса. Особенности изменения индуктивного и емкостного сопротивления. Анализ зависимости фазового сдвига между током и напряжением на входе контура от частоты.
контрольная работа [216,6 K], добавлен 16.01.2010Устройство, управляющее полупроводниковыми ключами и содержащий в своем составе цифровой автомат. Описание функциональной схемы. Разработка принципиальной схемы и конструкции цифрового управляющего устройства. Входные и выходные сигналы устройства.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 16.07.2009Электрические схемы распределительных устройств станций и подстанций. Выбор схемы распределительного устройства высокого напряжения. Распределительные устройства с одной и двумя системами сборных шин. Устройства, выполненные по схемам кольцевого типа.
презентация [372,2 K], добавлен 07.11.2013
