Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Касимзаде М.С. Электрокинетические преобразователи информации

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.11 Mб
Скачать

80 000

гц, позволяющий

измерять ускорение от

0,01

до

1 000

g.

 

 

 

 

 

 

 

Электрокинетический

угловой

акселерометр.

Электро -

кинетпческие преобразователи

могут

успешно

приме­

 

 

 

няться

т а к ж е для изме-.

 

 

 

рения

угловых

компо­

 

 

 

нентов

вибрации

[Л.

 

 

 

117]. Н а рис.

47

пред­

 

 

 

ставлен угловой

ЭК - ак -

 

 

 

селерометр, с

помощью

 

 

 

которого

можно

изме­

 

 

 

рять

как

постоянное,

 

 

 

так и переменное угло­

 

 

 

вые

ускорения.

Эти

 

 

 

приборы

устойчивы

к

 

 

 

побочным

внешним

ви­

 

 

 

брациям . Д л я

увеличе­

Рис. 46. Трехкомпонентпый ЭК-аксе-

ния

чувствительности

корпус

датчика

выпол­

лерометр.

 

няют многовитковым.

 

 

 

При вращении тороида вокруг оси за счет инерции рабочей жидкости на перегородке образуется перепад давления

А/? —2я.ргсоУ гл,

где р — плотность рабочей жидкости; / — расстояние от центра массы жидкости до оси вращения прибора; Мугл — угловое ускорение. Перепад давления вызывает фильтрацию жидкости через перегородку, поэто­ му на выходе преобразователя воз­ никает потенциал протекания

 

 

 

 

е | р г 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

2

(.Kv

+

^s)

"угл-

 

 

 

 

 

Во избежание появления допол­

 

 

 

нительного

давления,

и с к а ж а ю щ е г о

Рис.

47.

Элект.роки-

входной

сигнал,

корпус акселероме­

тра д о л ж е н

быть

жестким .

Порог

нетический

угловой

акселерометр.

чувствительности

прибора

составля­

 

 

 

ет

около

0,01

рад/сек2.

 

 

 

 

 

 

 

Д л я

увеличения

верхнего

предела

частот необходимо

увеличить

объем

жидкости

в камерах,

что

приводит

к

возрастанию

размеров

акселерометра.

Необходимо

100

т а к ж е учитывать резонансные явления, могущие возник­ нуть при соизмеримых размерах акселерометра и длины

волны

внешних возмущений.

 

 

 

 

 

 

 

Электрокинетический

 

измеритель

угловой

скорости

вращения

 

(Ж-тахометр).

Р а б о т а ЭК - тахометра

бази­

руется

на

принципе

преобразования

скорости

вращения

в

частоту

 

изменения

потенциала

течения, возникающего

на

выходе

Э К П , механически

 

 

 

 

 

 

связанного

с

контролируемым

 

 

 

 

 

 

валом

[Л.

118].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принципиальное

устройство

 

 

 

 

 

 

прибора

показано

на

рис. 48.

 

 

 

 

 

 

В

отличие

от

обычной

конст­

 

 

 

 

 

 

рукции в данном случае каме­

 

 

 

 

 

 

ры

Э К П

заполняются

рабочей

 

 

 

 

 

 

жидкостью не полностью. Пре­

 

 

 

 

 

 

образователь крепится к испы­

 

 

 

 

 

 

туемому

валу

таким

образом,

Рис.

48.

Устройство

ЭК-та­

чтобы

рабочая

плоскость

пори­

стой перегородки была перпен­

хометра.

 

 

 

 

/ — пористая перегородка;

2—•

дикулярна

торцу

вала .

При

выводы

датчика;

3 — т р у б к а ;

вращении

 

последнего

ж и д ­

4 — контролируемый

вал;

5 —

 

рабочая

жидкость.

 

 

 

кость, находящаяся в одной из

 

 

 

 

 

 

камер

преобразователя,

под действием

силы

тяжести

протекает через пористую перегородку. В результате это­ го между электродами датчика возникает разность по­

тенциалов,

частота которой

прямо

пропорциональна

числу

оборотов

вала . И з м е р я я

частоту

выходного

напря­

жения,

можно

определить

скорость

вращения

контро­

лируемого

вала.

Частотный

метод измерения исключает

дополнительные погрешности за счет преобразователя и

линии

связи. Д л я

компенсации

силы упругости, обуслов­

ленной

воздушной

подушкой и

парами

жидкости внутри

преобразователя

на

плотной

посадке,

устанавливается

трубка, с в я з ы в а ю щ а я

обе камеры непосредственно.

Верхний предел измеряемой скорости вращения, опре­ деляемый из условия равенства силы тяжести и центро­ бежной силы [Л. 119]:

где g — ускорение силы тяжести и г — расстояние от оси вращения до центра массы жидкости.

На рис. 49

представлены осциллограммы, получен­

ные при двух

скоростях вращения вала .

К основным преимуществам ЭК - тахометра относятся возможность измерения очень малых чисел оборотов, высокая точность, простота конструкции, малые масса и

габариты. Наличие

скользящих контактов — основной

его

недостаток.

 

 

Электрокинетические

преобразователи

биомеханиче­

ских

параметров. В настоящее время в медицине при фи­

 

 

зиологических

исследовани-

Рис. 49. Осциллограммы, полученные от ЭК-тахометра.

ческих величин. Однако в ряде случаев используемые преобразователи различных биомеханических параметров (мышечное движение, давление внутри сосудов, пульсо­ вые колебания сосудов и т. д.) — пьезоэлектрические, ин­ дукционные, индуктивные, емкостные и другие не пол­

ностью удовлетворяют

предъявляемым

требованиям .

 

Сравнительная оценка [Л. 68] показывает, что при­

менение Э К П позволит

создать более

совершенную

си­

стему преобразования

некоторых биомеханических

па­

раметров.

 

 

 

Г л а в н а я трудность

при разработке

Э К П биомехани­

ческих параметров заключается в удовлетворении проти­ воречивым требованиям: миниатюризации конструкции при одновременном получении относительно высокой чув­ ствительности и достаточно малого значения нижней граничной частоты. Необходимо т а к ж е обеспечить про-

102

 

Технические

данные

ЭКП

биопараметров

 

Рабочий диаметр пористой перегородки, мм

 

12

Толщина

пористой

перегородки, мм

 

1,5

Средний

диаметр

пор, мкм

 

 

мм

2

Рабочий

диаметр

полиэтиленовых

мембран,

16

Используемая жидкость

 

 

 

 

Ацетопитрил

Удельная

электропроводность

залитой

жидкости,

 

 

0М-1-СМ-1

 

 

 

 

 

2 - Ю - 0

Внутреннее

сопротивление, ком

 

 

 

 

80

Максимальная

чувствительность

при работе

на нагрузку

 

1 500 ком/150

ком, МКВ-М-/Н

 

 

 

 

40/20

Нижняя

граничная частота, гц

 

 

 

 

0,8

Габариты:

 

мм

 

 

 

 

 

диаметр,

 

 

 

 

26

высота, мм

 

 

 

 

10

Масса,

г

 

 

 

 

 

 

7

Н а

графиках рис. 51 приведены

образцы одновремен­

ной записи

от трех Э К П , расположенных

на

различных

участках тела человека [Л. 121]. Кривая

1,

полученная

от датчика,

установленного под надувной

манжетой*,

и з о б р а ж а е т тахоосциллограмму,

кривая 2 — запись пуль-

/

 

 

з

 

 

 

 

40

 

60

 

 

80

Рис. 51. Осциллограммы,

полученные от

ЭКП-биопара-

метров.

 

 

 

 

 

 

са с лучевой артерии,

кривая 3 — кинетокардиограмму,

кривая 4 — метку

времени

и амплитуды

давления в на­

дувной манжете в миллиметрах ртутного

столба.

И м е я относительно

широкий

частотный

диапазон,

Э К П биомеханических

параметров

фиксирует

т а к ж е ко­

лебания более низких частот. Это позволяет с помощью

одного датчика

регистрировать несколько параметров

Щ»

 

1 Давление под

манжетой изменяется по заданной программе

в пределах 20—160 мм рт. ст.

(

одновременно. Датчики отличаются простотой устройст­ ва и. эксплуатации, имеют малые массу и габариты, не нуждаются в источнике питания, не требуют специальной регулируемой фиксации в точке контроля и могут быть установлены непосредственно на контролируемом участ­ ке тела пациента без предварительного преобразования первичной информации в промежуточный пневмосигиал.

Эти и другие достоинства делают их перспективными для применения в ряде специфических областей, напри­ мер в авиационной и спортивной медицине, в клиниче­ ской практике при физиологических исследованиях функ­ ций организма и т. д.-

В

[Л. 122] указывается на применение

Э К П

для

запи­

си кровяного

давления

в

мелких

сосудах. Д а т ч и к

пред­

ставляет

собой трубку

из

 

 

 

 

 

 

 

найлона

диаметром

1 мм •

 

 

 

 

 

 

и длиной

30

 

мм,

электро­

 

 

 

 

 

 

 

ды — хлор-серебряные.

 

 

 

 

 

 

 

Перегородка

состоит

из

 

 

 

 

 

 

 

гранулированного

 

поли­

 

 

 

 

 

 

 

пропилена

с

максималь ­

 

 

 

 

 

 

 

ным

диаметром

пор

 

 

 

 

 

 

 

100 мкм.

В качестве

жид ­

 

 

 

 

 

 

 

кости

использована

ди­

 

 

 

 

 

 

 

стиллированная

 

вода.

 

 

 

 

 

 

 

Внутреннее

 

сопротивле­

 

 

 

 

 

 

 

ние 50 ком,

 

чувствитель­

 

 

 

 

 

 

 

ность

датчика 1,25

мв

на

Л-Д

 

 

 

 

 

 

1 мм

рт. ст.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрокинетичес

к и й

 

 

 

 

 

 

 

анализатор

 

спектра

меха­

Рис.

52.

Электрокинетический

нических

колебаний

(ЭК-

анализатор).

 

Электроки­

анализатор

спектра механических

 

колебаний.

 

 

 

 

 

нетические

 

преобразова­

 

 

 

 

 

 

/ — внутренняя

полость;

2 — камера;

тели, так

ж е

как

преобра­

3 — рабочая

жидкость;

4 — мембрана;

зователи

других

 

типов,

5 — электрод;

6,

6'

перегородки.

 

 

 

 

 

 

 

 

обладают частотно-изби­

 

 

 

 

 

 

 

рательным свойством. Н а

основании этого

свойства

был

разработан ЭК - анализатор спектра механических коле­

баний [Л. 123],

принципиальное

устройство

которого

представлено на

рис. 52.

 

 

Одна из половинок внутренней

полости' корпуса Э К П

разделена на две

камеры, к а ж д а я

из которых

является

Э К Я , содержащей

пористые перегородки с различными

8—24

105

структурными данными. Во второй полости

размещены

общие для всех камер электрод, мембрана

н е р а б о ч а я

жидкость. Р а з м е р

пор перегородок выбирается так,

что­

бы

к а ж д а я

из них

выделяла

только

определенную

поло­

су

частот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При воздействии на входную мембрану

механических

колебаний

сложного

спектра

между

общим

электродом

и к а ж д ы м

из других

электродов

появится

разность

по­

тенциалов,

величина

которой при

прочих равных усло­

 

 

 

 

 

 

виях

зависит

от размера

 

 

 

 

 

 

пор

соответствующей

по­

 

 

 

 

 

 

ристой перегородки. В об­

 

 

 

 

 

 

ласти низких частот дан ­

 

 

 

 

 

 

ный

преобразователь

об­

 

 

 

 

 

 

ладает

свойством

 

гС-

 

 

 

 

 

 

фильтра

и

частотная

за­

 

 

 

 

 

 

висимость

выходного

на­

 

 

 

 

 

 

пряжения

 

определяется

 

 

 

 

 

 

р а з м е р а м и

пор перегород­

'

02

о,ч 0,61 2 зч 6 ю

гозо вогц

ки.

Чем

меньше эти

раз-

.меры,

тем

более

низкие

 

 

 

 

 

 

частоты

преобразователь

Рис.

53. Характеристики

ЭК-ана-

будет

фильтровать,

 

 

лизатора.

 

 

 

 

с

увеличением

разме­

 

 

 

 

 

 

ра

пор нижний частотный

предел, с которого начинается плоская часть частотной

характеристики

выходного напряжения,

перемещается

в область более высоких частот.

 

 

 

 

 

 

Корпус анализатора выполнен из полиэтилена. Пори ­

стая перегородка 6 из керамики,

диаметр

пор

80

мкм;

перегородка 6'

из керамики,

диаметр

пор

0,9—1,3

мкм.

Р а б о ч а я

жидкость — ацетон.

Габариты

прибора

 

6 0 Х

Х 4 0

мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ полученных характеристик

(рис. 53)

показы­

вает,

что

на ячейке

(см. рис.

52)

с перегородкой

6'

(кри­

вая

/ ) выделяются

частоты

с в ы ш е 0,8

гц,

а на

 

ячейке

с перегородкой

6

(кривая

2) — частоты,

свыше

80

гц.

Электрокинетический анализатор может успешно приме­ няться д л я предварительного анализа спектра механи­

ческих колебаний, например при вибрационных

измере­

ниях.

 

 

 

 

Использование

электрокинетических

преобразовате­

лей

для контроля

состава

оюидкостей.

Согласно

уравне­

ниям

(4) — (6) выходное

напряжение £/В Т ) Т Х и чувствитель-

ность по давлению s Э К П при данной выбранной преоб­ разующей перегородке зависят от физико-химических свойств рабочей жидкости, а именно пропорциональны ее диэлектрической проницаемости є, ^-потенциалу, обратно пропорциональны вязкости и удельной электропровод­ ности Хо-

В принципе, используя выражения (4) — (6), можно создать Э К Д вязкости, электропроводности, диэлектриче­ ской проницаемости.

Наличие в «чистой» жидкости других компонент бу­

дет сопровождаться изменением ее констант,

а . следова ­

тельно, изменением

выходного

н а п р я ж е н и я

Э К П .

Таким образом,

используя

пористую

перегородку

определенного свойства и структуры и эталонную ж и д ­ кость или предварительно откалибровав Э К П по вы­ ходному напряжению, можно определить «степень чи­ стоты» контролируемой жидкости. По значению выходно­

го

напряжения,

располагая

калибровочной

кривой,

можно определить

т а к ж е

концентрацию

одной

жидкости

в другой [Л. 156]. Естественно, наибольшую

чувствитель­

ность ЭК - анализаторы будут иметь в

случае

полярных

жидкостей.

 

 

Исследова­

нк8-мг

 

 

 

 

 

л а с ь чувствительность

ге­

 

 

 

 

 

 

 

нераторного

Э К П

к изме­

 

 

 

 

 

 

 

нению концентрации двух-

 

 

Ацетон

Р^Омнбод.ш

компонентных

полярных

 

 

 

 

 

 

 

жидкостей,

 

в

частности,

 

 

 

 

 

 

 

в ы я в л я л а с ь

 

зависимость

 

 

 

 

 

 

 

потенциала

протекания

и

 

 

 

 

 

 

 

чувствительности

от

со­

 

 

 

 

 

 

 

д е р ж а н и я воды

в ацетоне,

 

 

 

 

 

 

 

этиловом

и

изопропило-

t

8

12

20

28

36

ft S2 °/, 60

вом

спиртах.

 

 

 

 

Рис.

54.

Зависимость

чувствитель­

Анализ

полученных ре­

ности

ЭКП

от

концентрации

жидкости.

 

 

 

зультатов,

 

представлен­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных на графиках рис. 54, показывает, что выходное напря­

жение и чувствительность Э К П при

малой концентрации

воды в исследуемых продуктах резко

снижается с увеличе­

нием содержания

воды при практически линейном харак ­

тере зависимости

чувствительности от концентрации. Та­

к а я зависимость

весьма в а ж н а с практической точки зре­

ния, ибо д л я производственного

контроля

представляет

интерес высокая

чувствительность

и линейность преобра­

зования измерительного устройства

именно

при малых

8*

107

концентрациях одного вещества в другом, для определе­ ния примесей в основном продукте.

Проведенные исследования дают основание создать на базе генераторных Э1\П приборы для измерения кон­

центрации

н

контроля

качества

жидкостей.

 

 

 

 

Электрокинетические

датчики

концентрации

и

соста­

ва могут быть использованы в производственном

потоке

для непрерывного контроля и в лабораторных

условиях

для экспресс-измерений.

 

 

 

 

 

 

19. ПРИБОРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ЭЛЕКТРООСМОСЕ

 

 

Обычная

электроосмотическая

ячейка в

большинстве

применений

играет

роль

микронасоса. Ячейка диаметром

62,5

мм, толщиной

18,75

мм при

напряжении

1 в

и

объе­

ме

рабочей

жидкости

5—10

см3

развивала

усилие

 

 

 

 

1 1

500 н/м2

[Л.

130].

 

 

 

Эта ячейка может служить гене­ ратором механических колебаний [Л. 58] и работать в качестве вольт­ метра (рис. 55). Такой вольтметр очень прост по устройству. При из­ мерении напряжения на входе от нуля до 10 б уровень жидкости изменяется на 100 мм [Л. 67].

 

 

 

В некоторых

случаях

ЭОЯ

мож­

 

 

но

успешно применить

в

качестве

Рис. 55.

Электро

реле (рис. 56). При подаче напряже ­

ния

на

электроды

происходит

по­

осмотический

вольт

вышение

уровня

ртути

в

камере

метр.

 

 

 

и

з а м ы к а н и е

цепи с

контактами

[Л. 53]. Включением в сигнальную цепь емкости и сопро­ тивления можно изменить время срабатывания .

Устройство простейшего электроосмотического интегра­

тора было показано

на

рис. 12,г. Считывание интеграла

может

осуществляться

визу­

 

 

 

ально,

фотоэлектрическим

или

 

 

 

другими методами [Л. 54].

 

 

 

 

В электроосмотическом

ин­

 

 

 

теграторе, описанном

в

[Л. 146],

 

 

 

считывание

производится

ви­

 

 

 

зуально, по линейному

переме­

 

 

 

щению

индикатора.

На ЭОЯ,

Рис.

56.

Электроосмотиче­

с о д е р ж а щ е й

керамическую

пе­

регородку

диаметром

20

мм,

ское

реле.

/ — ртуть;

2 — контакты.

 

 

 

 

 

 

толщиной

3 мм

и

размером

пор

1 мкм,

рабочую

 

жид ­

к о с т ь — дистиллированную

воду,

получен

расход

 

жид ­

кости 3 - Ю - ' 1 см3/сек

 

на

1

б

при

внутреннем

 

сопротив­

лении

r B =

18 ком.

В

измерительной

трубке

диаметром

0,5 мм

жидкость

движется

со скоростью

0,15

см/сек

на

1 в. При токе 17,1

мка

перемещение

жидкости

на

1 см

происходит за 20,4 сек. При снаб­

 

 

 

 

 

 

жении

дополнительными

 

контакта­

 

 

 

 

 

 

ми (рис. 57) устройство

выполняет

 

 

 

 

 

 

роль

электроосмотического

 

линей­

 

 

 

 

 

 

ного коммутатора .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если наружные контакты при­

 

 

 

 

 

 

соединены

к сопротивлению,

изме­

 

 

11

11

111

няющемуся по определенному зако­

 

 

11

111

11

ну, то прибор будет играть

роль

Рис.

57.

Электроосмо­

функционального

 

преобразователя

тический

 

линейный

[Л. 59].

 

 

 

 

 

 

 

 

коммутатор.

 

 

Предложенный в [Л. 131] преоб­

 

 

 

 

 

 

разователь

(рис.

58)

с

подвижным

контактом

и

 

Э О Я

с неуплотненным

(щелевым)

поршнем т а к ж е

является

функциональным преобразователем . В корпус прибора вмонтирован кольцевой потенциометр с подвижным контактом, который соединен с поршнем.

В последнее время предложено несколько устройств [Л. .132], р а с ш и р я ю щ и х функциональные возможности

Э О П .

Б ы л предложен реак-

#тивный элемент, в кото­ ром в одном случае на

 

 

 

наружной

стороне капил­

 

 

 

л я р а закреплены

два

ци­

Рис. 58. Щелевой электроосмотн-

линдрических

электрода

(рис. 59,а),

с л у ж а щ и х

об­

ческий функциональный преобра­

зователь.

 

 

к л а д к а м и

конденсатора,

1 — подвижный

контакт;

2 — поршень;

а в другом

случае

оба

3— кольцевой

потенциометр.

цилиндрических

электро­

 

 

 

да выполнены в виде обмоток катушки

индуктивности

(рис. 59,6).

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая, что

создание

установок д л я

калибровки

(градуировки) приемников давления инфранизкой часто­ ты, способных развивать давления, изменяющиеся по синусоидальному закону в относительно широких преде­ лах, встречает значительные трудности, было предложе ­ но использовать д л я этой цели Э О П [Л. 63]. Отличитель-

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ