Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 11 pageКулонометрические преобразователи основаны на явлении электролиза. Связь между выделившимся веществом и количеством электричества, пропущенным через преобразователь, определяется уравнением н и Q = J i dt = ~ J т dt = MnFiA, (10-17) tx U где M — масса вещества; п — валентность ионов; F — постоянная Фарадея; As— молекулярная масса вещества. Кулонометрические преобразователи получили наиболее широкое применение для интегрирования токов и напряжений, а также для измерения времени работы различных электротехнических устройств в качестве счетчиков машинного времени. Наряду с этим кулонометрические преобразователи используются для измерения влажности газов, толщины покрытий, в качестве генераторов инфранизких частот, реле времени, бесконтактных управляемых резисторов, ячеек памяти. На рис. 10-13 изображен ртутно-капиллярный кулонометри- ческий преобразователь, состоящий из капиллярной трубки 1 диаметром 0,2—0,3 мм, заполненной двумя столбиками ртути 2 и 3, разделенными каплей раствора 4 солей ртути (например, Hgl2). При про- а на катоде — восстанавливается: HgI4 + 2e->Hg + 4I. В результате электролиза ртуть с анода переносится на катод, что приводит к перемещению капли электролита вдоль капилляра на длину Д/, пропорциональную интегралу от тока за время интегрирования. Состав электролита при этом остается неизменным. Уравнение преобразования преобразователя можно представить в виде и 0 1 25456789 1С a i i i i i 1 i ; i! i i i! [, i i i, i где Л, v, п — соответственно мо- - лекулярная масса, плотность и Ри 10 13 валентность ртути; S — площадь капилляра; At = —время интегрирования. Значение интегрируемого тока должно быть меньше предельного значения диффузионного тока и обычно лежит в пределах 0,001 — 50 мкА. При использовании преобразователя в качестве счетчика машинного времени через него пропускается неизменный постоянный ток. В зависимости от значения тока и размеров капилляра время интегрирования составляет 100—5000 ч. Установка указателя (капли электролита) в нулевое положение производится изменением направления тока через преобразователь. Считывание показаний производится визуально по переднему или заднему менискам капли или при помощи оптоэлектронных, емкостных, индуктивных или рези- стивных считывающих устройств. Погрешности ртутно-капиллярных преобразователей определяются точностью изготовления капилляров, способом снятия информации, а также влиянием внешних факторов, особенно температуры и механических воздействий вдоль оси капилляра. На рис. 10-14 показано устройство водородного кулонометриче- ского преобразователя, применяемого для интегрирования токов и напряжений. Интегратор представляет собой герметичный стеклянный сосуд разделенный на две части пористой стеклянной перегородкой 2, пропитанной эле гетр о литом. По обе стороны перегородки укреплены сетчатые электроды 3 из платины. В горизонтальной трубке находится капля электролита 4, которая является указателем и разделяет преобразователь на две части, заполненные водородом. Ток, протекающий между электродами, вызывает выделение водорода на катоде (2Н+ -f 2е Н2) и поглощение такого же количества водорода на аноде (Н2 ->- 2Н+ + 2е). Это приводит к разности давлений в камерах и перемещению указателя 4. Такие кулонометрические интеграторы (Х-15 и Х-603) обеспечив вают интегрирование токов от 1СГ8 до 10~2 А с погрешностью 0,5—1% и напряжений от Ю-5 до 4-1СГ2 В с погрешностью 1,5—2%. Рабочий диапазон температур от —30 до +80 °С. Температурная погрешность при интегрировании токов составляет 0,01—0,05 %/К, а при интегрировании напряжений 1,5 %/К- Предел измерения по количеству электричества равен 18 Кл. Кулонометрический управляемый резистор (мимистор) (рис. 10-15) представляет собой герметичный корпус 2, заполненный электролитом 3, содержащим ионы металла, из которого изготовлен управляющий электрод (анод) 4. Собственно резистивный элемент 5, являющийся катодом, выполнен в виде тонкой пленки из инертного металла или угля. Он имеет два вывода / и 6, сопротивление между которыми измеряется на переменном токе. При включении постоянного тока между анодом и катодом металл анода растворяется в электролите и такое же количество металла осаждается на катоде, уменьшая сопротивление между выводами 1 и 6. Из выражения (10-17) можно получить уравнение преобразователя управляемого резистора
11 ' * PpynF J 1 где R — сопротивление резистора; R0 и / — соответственно начальное сопротивление и длина резистора; у и р — плотность и удельное сопротивление осажденного металла. Такие резисторы имеют следующие характеристики: R0 — 2-ь ЮООм; R0/R = 20-4- 100; ток управления / = 0,05 -г- 10 мА; время изменения сопротивления от R0 до R равно At — 1 ~ 103 с; температурный коэффициент 0,001—0,004 К"1. Рассматриваемые резисторы используются в качестве интеграторов, ячеек памяти, элементов коррекции медленных дрейфов токов и для построения генераторов инфранизких частот. Для измерения толщины металлических покрытий применяется кулонометрический преобразователь (рис. 10-16), выполненный в виде резервуара 2 с электролитом 3. На конце резервуара имеется резиновая присоска с отверстием 4, которая укрепляется на контролируемой детали 5. Принцип действия преобразователя основан на электрохи
Полярографические преобразователи применяются для качественного и коли- ис' чественного химического анализа. Принцип действия их основан на использовании явления поляризации на одном из электродов электролитической ячейки при электролизе исследуемого вещества. Полярографический преобразователь представляет собой ячейку, заполненную раствором анализируемого вещества, с двумя электродами, к которым подводится медленно нарастающее напряжение U от внешнего источника питания. Ток, проходящий через ячейку, определяется выражением I=[U-(e& -eK)]/R, где R — сопротивление ячейки; еа — потенциал анода; ек — потенциал катода. Для того чтобы поляризация происходила только на одном электроде, его площадь выбирается в несколько сотен раз меньше площади другого электрода. Полагая потенциал неполяризующегося электрода, например eat достаточно малым, а падение напряжения IR (R = 1000 Ом; / = 10"6 А) намного меньшим приложенного напряжения Uf можно определить потенциал ек для разных токов как ек «и. Для воспроизводимости результатов измерения необходимо, чтобы поляризующийся электрод обладал однородной и непрерывно обновляющейся поверхностью и обеспечивалась стационарность процесса диффузии ионов к электроду. Лучше всего этим требованиям удовлетворяет преобразователь с непрерывно обновляющимся капающим ртутным электродом (рис. 10-17, а). Анодом является ртуть,. заполняющая дно сосуда, катодом — капля ртути, образующаяся на конце капиллярной трубки, наполняемой ртутью из резервуара. Под влиянием собственной тяжести капля ртути падает на дно сосуда, после чего образуется следующая капля, и т. д. Период от начала образования капли до ее отрыва от капилляра обычно составляет 1—6 с. Для создания ртутного капающего электрода используются капиллярные трубки с диаметром капилляра 0,1 мм и длиной 150—200 мм. На рис. 10-17, б показаны вольт-амперные характеристики (поляро-; граммы) восстановления одних и тех же ионов, полученные при различной концентрации их в растворе, Как видно из кривых, потенциал, при котором выделяются ионы, при прочих равных условиях зависит от их концентрации. Поэтому для качественного анализа используют не потенциал, при котором начинается резкое возрастание тока, а потенциал, соответствующий середине участка повышения тока, — потенциал «полуволны», который не зависит от концентрации ионов и параметров преобразователя. Если продифференцировать кривые I — / ([/), то максимумы кривых dlfdU = f (U) (рис. 10-17, в) будут при одном и том же потенциале, также соответствующем потенциалу «полуволны» исследуемых ионов, а высоты максимумов — пропорциональны концентрациям. Если в исследуемом растворе содержатся ионы нескольких видов (например, Pb++, Cd++, Zn++), то каждый вид ионов дает свой прирост тока — свою «волну», в результате чего получается многоступенчатая полярограмма, показанная на рис. 10-17, г.
При подаче на преобразователь возрастающего напряжения вначале через него идет только остаточный ток /0, обусловленный разрядом небольшого числа ионов всех видов. При достижении напряжением значения потенциала разряда ионов РЬ++ (—0,45 В) ток через преобразователь резко возрастает и достигает значения /п1, определяемого концентрацией ионов РЬ++ в растворе. При дальнейшем росте напряжения ток остается равным /п1 до тех пор, пока не будет достигнут потенциал разряда ионов Cd++ (—0,6 В), и затем ток снова резко возрастет до значения /п2. При этом разность токов /п2 — соответствует концентрации в растворе ионов Cd++ и т. д„ , Потенциалы «полуволн» различных элементов образуют так называемый полярографический спектр, и их значения приведены в специальных таблицах. Сравнивая потенциалы «полуволн», полученные при исследовании неизвестного раствора, с табличными данными, можно установить химический состав исследуемого раствора,.а по скачкам тока — концентрацию отдельных компонентов. К недостаткам ртутного электрода относятся: ядовитость ртути, невозможность исследования расплавленных солей, небольшое допустимое напряжение анодной поляризации (до -1-0,4 В). Последнее обусловлено электрохимической реакцией растворения ртути (окисление ртути), что не дает возможности производить анализ веществ, окисляющихся труднее ртути, т. е. при положительных потенциалах больше +0,4 В. По этим причинам начинают применяться полярографические преобразователи с твердыми электродами из платины, золота, серебра, никеля и др. Для получения тонкого диффузионного слоя электролита у электрода и обновления этого слоя используются вращающиеся по окружности или вибрирующие твердые электроды. При этом также увеличивается чувствительность преобразователя вследствие усиления диффузии вещества к электроду. 10-6. ИОНИСТОРЫ Ионисторы — это разновидность электрохимических преобразователей, основанных, подобно полупроводниковым транзисторам, на использовании запирающего слоя, обедненного носителями электрических зарядов. Такой слой можно получить в электролитах, содержащих как окисленные, так и восстановленные формы определенных иоиов, например 1~/1, Fe+++/Fe++ и др. На' рис. 10-18, а и б показаны устройство и статическая вольт-амперная характеристика электрохимического диода. Диод состоит из герметичного корпуса /, заполненного водным раствором KI с небольшой добавкой иода, который в присутствии ионов I" может существовать в растворе только в виде трехиодных ионов При этом концентрация ионов 1.7 на два-три порядка меньше концентрации ионов I". Такой электролит совместно с инертными электродами 2 и 3 образует обратную окислительно-восстановительную систему. Одним из электродов является торец тонкой платиновой проволоки 2 (микроэлектрод), а другим — цилиндр из платиновой фольги 3. При отрицательной полярности микроэлектрода, когда он является катодом, на нем восстанавливаются окисленные ионы I.7 (I^ + 2е -^31"), концентрация которых мала, и у этого электрода образуется запирающий слой, поэтому диод закрыт. При положительной полярности микроэлектрода, когда он является анодом, на нем происходит окисление ионов I~(3Ig 2е), концентрация которых ве лика, вследствие чего сопротивление перехода микроэлектрод — раствор уменьшается и диод открывается. Пороговое напряжение у таких диодов составляет десятки милливольт, а обратный ток 10-8 А. Напряжение, прикладываемое к ионисто- рам, не должно превышать — 0,9 В, так как при больших напряжениях может произойти электролиз воды и «пробой» ионистора. Ионисторы б виде диодов, триодов и тетродов применяются для интегрирования и усиления постоянных токов, для выпрямления, усиления и генерирования переменных токов низкой и инфранизкой частот, а также в качестве элементов памяти, преобразователей импульсов и т. д. Ионисторы обладают малым уровнем собственных шумов. Дрейф выходного сигнала интегратора-тетрода, приведенный ко входу, составляет 1СП9 А. Другой распространенной группой ионисторов являются конвекционные ионисторы, основанные на перемещении окисленных ионов вместе с движущимся электролитом. Такие ионисторы применяются для измерений давлений, ускорений, перемещений, магнитной индукции и др. На рис. 10-19, а изображены ионистор для измерения импульсных и переменных давлений и схема его включения в измерительную цепь. Иоиистор состоит из двух одинаковых отсеков, закрытых по бокам гибкими мембранами 1. Отсеки соединены каналом 2, в котором расположены два катода «3. Аноды 4, площадь которых значительно больше площади катодов, выполнены из платиновой сетки и электрически между собой соединены. Рассматриваемый преобразователь представляет собой сдвоенный ионистор-диод, управляемый путем механического впрыскивания ионов
I з в область запирающего слоя. Если давления Pi и Р2> действующие на мембраны, равны, то С/ВЬ1Х = 0. Если равенство давлений нарушается, например Pi > Р2«то часть электролита из левого отсека переходит в правый, что сопровождается конвективным переносом ионов 1г, которые восстанавливаются на левом катоде. Вследствие этого через резистор Ri начинает проходить ток и на выходе возникает сигнал. Преобразователь является фазочувсТЕИтельным, так как при изменении знака разности АР = Pi — Р2 фаза выходного сигнала изменяется на 180w. На рис. 10-19, б показано устройство ионисторного акселерометра. Он состоит из дифференциального ионистора 1 (рис. 10-19, а), к которому вместо мембран прикреплены концы нескольких витков пластмассовой трубки, полностью заполненной электролитом. Под воздействием углового ускорения в плоскости кольца жидкость протекает через канал, где расположены катоды. В зависимости от направления ускорения на выходы преобразователя возникает напряжение соответствующей полярности. Линейное ускорение и ускорение в других плоскостях не влияют на выходной сигнал. Отсутствие мембраны позволяет использовать такой преобразователь для измерения не только переменных, но и постоянных ускорений. На рис. 10-19, в изображено устройство ионистора для измерения градиентов магнитной индукции. В прямоугольном канале 1 расположены две пары электродов 2, S и 4, 5, через которые протекают навстречу направленные стабильные по значению токи fx и /2. Если преобразователь поместить в неоднородное магнитное Поле, то за счет электрогидродинамического эффекта по кольцевому каналу начнется движение электролита, которое при помощи ионистора 6 преобразуется в выходной сигнал, полярность которого зависит от направления градиента магнитной индукции: О выя.=К (/iA—/2^2)1 где К — коэффициент, зависящий от параметров преобразователя; Вг и В2 — соответственно значения магнитной индукции в местах расположения электродов 2, 3 и 4, 5. При /i = /2 прибор работает как градиентометр, а при равенстве нулю одного из токов /i или /2 — как тесламетр. Ионисторы отличаются высокой чувствительностью и широким диапазоном измерений. Известны ионисторы с чувствительностью к давлению 60 мкА/Па. Один и тот же преобразователь можно использовать без дополнительных регулировок и переключения пределов для измерения ускорений в диапазоне 0,01—10 м/с2. Частотный диапазон ионисторов главным образом определяется скоростью диффузии ионов, жесткостью мембран и гидродинамическим сопротивлением. Практически частотный диапазон ионисторов лежит в пределах 0,001—200 Гц. 10-7. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Электрокинетические преобразователи (ЭКП) основаны на использовании разности потенциалов, возникающих при протекании полярной жидкости через пористую перегородку (см. § 10-1) или при деформации границы раздела двух жидкостей, различающихся физическими свойствами. На рис. 10-20, а показан ЭКП давления, со
стоящий из изолянионной пористой перегородки 1 с диаметром пор 10—100 мкм, по бокам которой расположены сетчатые электроды 2. Корпус преобразователя, закрытый по бокам мембранами 3, заполняется полярной жидкостью (вода, спирт, ацетон и др.). ЭКП такого типа отличаются широким диапазоном измерения (0,1 Па — 1 МПа). Чувствительность к ускорениям составляет 1 мВ/(м/с2). На рис. 10-20, б изображен капиллярный ЭКП для измерений параметров вибраций. Он состоит из стеклянного капилляра 1, заполненного электролитом 2 и ртутью 3, с которыми контактируют выводы 4. На концах капилляра имеются воздушные пузырьки 5, являющиеся упругими элементами преобразователя. При вибрации, направленной вдоль оси капилляра, возникает возвратно-поступательное движение ртути и электролита, приводящее к деформации границы раздела между ними, поскольку плотности и коэффициенты кинематической вязкости ртути и электролита отличаются на порядок Возникающая при этом периодическая конвективная диффузия ионов на границе раздела приводит к появлению переменных токов через преобразователь. Частотный диапазон преобразователя в режиме акселерометра 0,1 — 104 Гц, диапазон измерений Ю~5—10 м/с2, чувствительность 0,1—1 мВ/(м/с2). На рис. 10-20, в показан частотный ЭКП для измерений медленно меняющихся механических величин (перемещения, давления, силы). Капилляр 7, в котором находятся два столбика электролита 2% разделенные каплей ртути 5, и два воздушных пузырька 4, представляет собой резонатор, один конец которого герметически закрыт, а на другом установлена мембрана 5. Резонатор с помощью электродов 6У 7 и 8 подключен к усилителю Р. При подаче напряжения на электроды 6 и 7 происходит деформация границ раздела ртуть — электролит, что приводит к возвратно- поступательному движению ртути и электролита и самовозбуждению автогенератора, колебательным контуром которого является электрокинетический резонатор. Частота автогенератора при отсутствии внешних воздействий определяется парамет Частотные свойства ЭКП определяются гидродинамической инерционностью самого электрокинетического эффекта, гидродинамической инерционностью движения жидкости в капиллярах с учетом вязкости и жидкости, механической инерционностью, обусловленной жесткостью мембран и массой движущейся жидкости. В зависимости от вида и конструкции ЭКП их частотный диапазон составляет от сотых долей герца до нескольких килогерц. ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ ТЕПЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1М. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что вся теплота, поступающая к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания QTC и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающей в единицу времени теплоты равно количеству отдаваемой теплоты. Теплота, поступающая к преобразователю, является суммой количества теплоты Qs, создаваемой в результате выделения в нем электрической мощности и количества теплоты QT O, поступающей в преобразователь или отдаваемой им в результате теплообмена с окружающей средой. Теплосодержание при неизменном агрегатном состоянии вещества зависит от массы m и удельной теплоемкости с материала преобразователя и связано с температурой © преобразователя формулой QTC = тсВ. Теплообмен осуществляется тремя различными способами. При теплообмене посредством теплопроводности перенос тепловой энергии происходит только путем взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. Теплообмен путем теплопроводности в чистом виде имеет место только в твердых телах. Теплообмен посредством конвекции совершается путем перемещения материальных частиц и может иметь место только в жидкостях или газах. Если причиной движения потоков жидкости или газа является неодинаковая плотность среды, вызванная разностью температур, то говорят о естественной конвекции. Движение потоков под действием внешних причин вызывает вынужденную конвекцию. Третьим способом теплообмена является теплообмен посредством излучения. Тепловое излучение представляет собой поток электромагнитных волн (см. § 12-1), излучаемых телом за счет его тепловой энергии и полностью или частично поглощаемых другими телами. На практике обычно имеет место комбинация различных способов теплообмена, которые могут быть учтены приводимыми ниже формулами. Теплопроводность. Распространение теплоты путем теплопроводности определяется законом Фурье q — —% grad где q — тепловой поток, представляющий собой количество теплоты, переданной в единицу времени через единицу поверхности, Вт/м2; grad © = = dBIdl — градиент температуры; К — теплопроводность, Вт/(м»К)п Теплопроводность зависит от природы и физического состояния вещества. В анизотропных телах она зависит, кроме того, от направления распространения теплоты. Лучшими проводниками теплоты являются металлы. Наименьшей теплопроводностью обладают газы. Для газов теплопроводность зависит не только от состава газа, но и от температуры и при большом разрежении — от давления. Полный тепловой поток, создаваемый разностью температур, определяется формулой ?т.п=с©д©=де/#е, (П-1) где G© — тепловая проводимость среды; Re — тепловое (или термическое) сопротивление среды. Тепловая проводимость среды зависит от теплопроводности, определяемой по справочным данным из геометрических соотношений, и для ее расчета можно использовать аналогичные формулы электрической проводимости, заменив удельную проводимость теплопроводностью. Тепловая проводимость плоской стенки G© = XS/6, где S — площадь стенки; 6 — толщина стенки. Тепловая проводимость цилиндрической стенки G© — К ^^, где I — длина цилиндра; du d2 — диаметры соответственно внешней и внутренней стенок цилиндра. Конвекция. Полный тепловой поток в результате теплоотдачи определяется формулой Ньютона <7т.о — А©, (11-2) где £ — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2»К); 5 — поверхность тела; А© — разность температур окружающей среды и тела. Коэффициент теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции рассчитывается на основании теорий теплового и геометрического подобий.н При искусственной конвекции при поперечном омывании цилиндра (рис. 11-1, а) коэффициент теплоотдачи для газов выражается формулой £газ=т(~)"=4КеП' (П-З) где d — диаметр цилиндра; v — скорость движения газа; v — кинематическая вязкость, равная абсолютной вязкости, отнесенной к плот Ф ь Ф £>90°
р7777/У//У//Щ W 0,5 [//////////////А 30° 70° 50° 30° 10° Рис. 11-1
тельно рассчитанной величине, называемой критерием Рейнольдса Re = fd/v, из табл. 11-1.
При расчете коэффициента теплоотдачи для жидкости в формулу (11-3) входит критерий Прандтля Рг: Р = ~ Re" РИМ Ьжидк ^ г 1 Критерий Прандтля Рг = via зависит от кинематической вязкости v и температуропроводности а, физический смысл которой состоит в том, что она является мерой скорости выравнивания температур различных точек жидкости. Температуропроводность зависит от теплопроводности X, плотности у и удельной теплоемкости вещества с и определяется формулой а = су). Приведенные формулы для теплоотдачи цилиндра в поперечном потоке справедливы только для случая, когда угол ф, составленный осью цилиндра и направлением потока и называемый углом атаки, равен 90°. Зависимость коэффициента теплоотдачи от угла атаки представлена на рис. 11-1,6.
|