Химический подход для создания датчика вибраций

8 сентября 2007  |  Вибрационные, сейсмические, пьезоэлектрические, магнитометрические



1. Тема и цель работы:

В настоящее время широкое применение находят системы контроля давления, различные вибрационные датчики. Темой работы является моделирование и изучение соответствующих физико-химических процессов. Целью моей работы являлось создание технического устройства, фиксирующего изменения внеш-него давления, вибрации.

2. Методы исследования:

Изучение специальной литературы (об электролитах, барометрических систе-мах, интегральных микросхемах). Использование методики Альтшуллера для нахождения возможных путей решения. Экспериментальная проверка собст-венных идей и предположений. Разработка действующей модели. Тестирова-ние модели. Обобщение полученных результатов.

3. Экспериментальные данные:

Была получена информация об электропроводности различных растворов об-щедоступных веществ. Кроме того, были получены косвенные данные о про-цессах, происходящих в электролитах (условия протекания физико-химических реакций).

4. Выводы:

Используя теоретические и практические данные о поведении электролитов в различных физических условиях, был разработан прибор, регистрирующий вибрации окружающей среды.

Введение

Развитие современной техники поражает воображение. Применение новейших научных разработок позволяет модернизировать практически всю физиче-скую(подчас и умственную…)деятельность человека. Однако применение по-следних технических решений на практике зачастую связано с финансовыми трудностями. Так например для «считывания» вибраций поверхностей перво-начально применяли угольные элементы(при встряхивании угольная крошка изменяет сопротивление электрическому току), на смену пришли пьезодатчи-ки(сигнетоэлектрики), а в настоящее время практически повсеместно исполь-зуются полупроводники. Чувствительность этих приборов высока (до 0,00001 Па). Спектр применения крайне широк: от школьных уроков физики до разведыва-тельных устройств. Цена же заставляет искать другой подход к интересую-щему вопросу (датчики давления- от 20у.е.- MPX). (9+каталоги электронных компонентов )

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ

Гипотеза:
Химический подход (использование свойств электролитов) позволит решить задачу создания подобного датчика вибраций с минимальными материальными затратами.

Задачи:
1. Устройство должно простым в техническом плане.
2. Себестоимость устройства должна быть минимальна. для этого:
а) Электролит должен быть получен из широко распространён-ных в-в и соединений.
б) Необходимо использовать отечественные радиотехнические компоненты (это существенно понизит стоимость конструкции).

План работы:
1) Изучение литературы по проблемному вопросу
2) Проведение химических опытов с растворами электролитов
3)Создание принципиальной схемы датчика
4) Тестирование полученной электрической цепи
5) Тестирование различных видов электролитов
6) Изучение характеристик электронной части прибора
7) Подбор наилучшего наполнителя (данные пункта 2)
8) Сборка прибора
9) Тест всей конструкции
10) Выводы.

1. Электролиты.

Теория химия говорит о том, что электролиты – растворы солей, кислот и ще-лочей в воде – являются хорошими проводниками электрического тока. Дейст-вительно, вышеуказанные вещества диссоциируют в полярных растворителях (вовсе не обязательно вода) на катионы и анионы. Под действием внешнего электрического поля (при наличии в растворе электролита электродов, нахо-дящихся под потенциалом) ионы приходят в упорядоченное движение, что и называется электрическим током. Однако если в проводниках (металлах и др.) основным носителем является электрон(или его отсутствие – «положительная дырка»(№9, глава 45)) масса которого составляет me=9,11*(10 в степени -31)кг, то ионы об-ладают значительно большей массой( масса электронов не учитывается при количественном химическом расчёте в школе!), кроме того, в растворе движет-ся не сам ион, а сольват – шар, состоящий из притянутых к иону молекул воды, что сильно затрудняет его(иона) перемещение. Сильнейшее электростатиче-ское поле ионов частично компенсирует силу сопротивления среды. Однако в целом электропроводность водных электролитов значительно ниже чем у проводни-ков(металлов и др.)(см. Приложение1.). Количественно к электролитам при-меним закон Ома в дифференциальной форме(краткое доказательство – см.Приложение2): j=Ey. Это говорит о возможности использования электро-литов в качестве наполнителя для разрабатываемого датчика. Постараемся фиксировать квазистатические изменения проводимости электролитов, что и будет сигналом о наличии(изменении) внешнего давления.

2. Подбор электролита (лабораторная часть)

Неводные полярные растворители представляют собой большую редкость. По-этому используем обычную дистиллированную воду. В опытах использова-лись: поваренная соль(NaCl), медный купорос(CuSO4*6H2O), хлорид железа(VI), хлорид меди(II), соляная и серная кислоты, натриевая и калийная щело-чи, и, наконец, йодид калия(KJ). См. Отчёт1 Особо хочется отметить поведе-ние последнего вещества. Если всё ранее перечисленное в водных растворах крайне слабо реагировало на внешние механические воздействия(удары по ём-кости, перемешивание, встряхивание), то водный раствор йодида калия давал замедленное и достаточно заметное изменение электропроводности. Причину вижу в относительно большой массе анионов J- с учётом их большой электро-отрицательности. В любом случае полученное быстродействие слишком вели-ко для окончательных выводов. Необходимо сконструировать корпус, умень-шающий быстродействие и увеличивающий избирательность датчика(ведь на-ша цель не состоит в наблюдении спонтанных явлений в самом электролите!). Установка для опытов – см.Приложение3.

3. Корпус прибора.

Согласно теории вероятности, термодинамическая вероятность спонтанного перескока частиц в растворе многократно превышает W=(10 в степении 100000), что говорит о невозможности использования наиболее простого подхода – использовать про-стую ёмкость с несколькими электродами. Значит нужно техническое умень-шение вероятности этого перехода. Возьмём герметичную перегородку и про-сверлим в ней сквозное отверстие малого диаметра (порядка 0,1мм). Вставим перегородку в ёмкость между двумя электродами. Измерим ток. Налицо явное его уменьшение. Действительно ,сольваты имеют в диаметре порядка 0,000001мм, поэтому пропускная способность отверстия будет дня них далеко не безгра-ничной. Но теперь быстродействие стало чрезвычайно низким, а это неприем-лемо. Вставим электрод(положительный) в перегородку и просверлим ещё од-но отверстие через электрод(того же диаметра). Опыты с полученной системой показывают её работоспособность. Вид датчика – см.Приложение4.

4. Электрическая база прибора (лабораторная часть).

Прибор реагирует на изменение давления изменением тока. Тогда используем простейший преобразователь тока в напряжение – резистор. Итак, получили переменное напряжение. Для определения отклонения от нормы(выбираемой нами в данной конструкции) используем особое аналоговое устройство сравнения – дифференциальный усилитель. Эта микросхема представляет собой спе-циально подогнанный спаренный транзисторный усилитель, позволяющий не только поднимать (усиливать) амплитуду входного сигнала, но и выполнять операцию сравнения двух аналоговых величин, коими и являются исследуемое нами переменное напряжение(с резистора) и некоторое пороговое напряжение. При пересечении порогового напряжения в действие может приводиться практически любое устройство: от звонка до платы аналого-цифрового пре-образователя. Принципиальная схема прибора – см. Приложение.5.

5. Подведение итогов.

Таким образом был разработан датчик, позволяющий(при должном качестве сборки) наблюдать интереснейшее физическое явление – распространение ко-лебаний в упругой среде. В качестве завершающего эксперимента была пред-принята попытка прослушивания соседних с рабочим местом помещений(при помощи разработанного датчика и персонального компьютера). Подчёркивая чисто научный интерес данного мероприятия, могу говорить об его успешно-сти. Данный процесс требует долгой и кропотливой настройки датчика, но всё же возможен. Значит, в целом разработанный прибор работоспособен.

6. Вывод.

Поставленная задача выполнена. Прибор разработан. Себестоимость минимальна: порядка 32руб.00коп. Чего и требовалось достичь.

Дополнение к работе.

Ещё раз проанализировав и сопоставив полученные в ходе работы данные, прихожу к выводу: фиксировать колебания среды может частично изолированная часть этой же среды. Иными словами, если в раствор электролита погрузить несколько перегородок и электроды (без герметизации, как в моём приборе!), то возможна довольно точная фиксация возмуще-ний этого электролита. Несомненно, в этом случае «нормальный» электрический ток (т.е. в состоянии покоя) будет много больше чем в герметичном корпусе, но используя, к примеру аналоговый компаратор, можно определить пороговое значение и фиксировать лишь превы-шения порога – колебания среды. Более того, электролитом может служить не только ука-занный р-р йодида калия, но и морская вода – значит возможно создание детектора вибраций непосредственно в воде без использования сложных технических решений, ведь точность такого прибора определяется точностью компаратора (или какого-либо усилителя, если ва-жен не переход порога, а сами колебания), а в настоящее время существуют специальные прецизионные малошумящие операционные усилители (они же, при особом подключении, компараторы), что позволяет говорить о подобном приборе. Так же можно поступить и с воздухом: достаточно нагрева и воздух, а точнее составляющие его, начинают ионизировать-ся (вспомним школьный опыт с плоским воздушным конденсатором: как только между пла-стинами появляется огонь, гальванометр фиксирует наличие электрического тока). Дальше всё происходит уже описанным образом.

Для примера приведу эскиз подобного устройства:


Химический подход для создания датчика вибраций

Справа вверху примерный график тока в состоянии покоя, внизу - график тока от времени. Теперь достаточно математически вычесть из второго графика первый и мы получим карти-ну того, как «колебался» электролит во времени. Почему так происходит? Вижу такое объ-яснение: в относительно большом объёме любого вещества, содержащего ионы, удельная электрическая плотность одинакова по всем направления и в любой точке этого объёма. Ус-танавливая между двумя электродами перегородку с отверстие, получаем множество «путей» для ионов от одного электрода к другому, но кратчайший путь – через отверстие. А т.к. со-противление определяется формулой:

R=рl/s

Наименьшее сопротивление именно по кратчайшему расстоянию l(как раз через отверстие). Следовательно, большие электролитические сопротивления будут зашунтированы меньшим (параллельное соединения множества резисторов с большим сопротивлением с одним низ-коомным!), и чем больше будет площадь разделяющей пластины, тем ярче будет выражен указанный эффект. Считаю возможным продолжение исследований в указанной области – разработка бескорпусных датчиков колебаний.

Ходаковский Игорь. 8 января 2003 г.

Приложение1. (из справочника по элементарной физике)


Химический подход для создания датчика вибраций

Приложение2.

Если в электролит поместить два электрода и создать между ними разность потенциалов за счет источника тока, то возникнет упорядоченное движение сольватов. Положительно заряженные сольваты станут двигаться к катоду со скоростью (v+) , отрицательные - к аноду со скоростью (v-) . Получим выражение для плотности тока в электролите:

j = (q+)(n+)(v+) + (q-)(n-)(v-)

Здесь q - заряд иона, п - концентрация ионов. Из закона сохранения электрического заряда следует, что сум¬ма зарядов положительных и отрицательных ионов равна нулю, следовательно,

(q+)(n+) = (q-)(n-) = qn

Здесь n - концентрация молекул растворенного вещества; Плотность тока

j = qn((v+) + (v-))


Химический подход для создания датчика вибраций

Приложение3.


Химический подход для создания датчика вибраций

Приложение4.


Химический подход для создания датчика вибраций

Приложение5.


Химический подход для создания датчика вибраций

Рис.6.

На первом ОУ – компаратор напряжения( резистор 1К – простейший преобразователь тока в напряжение, сопротивление именно такое т.к. этим же сопротивлением обладает прибор – согласование сопротивлений для обеспечения максимальной выходной мощности(М.Джонс, «Электроника – практический курс»)) Для выбора порогового значения – резистор 100К на инвентирующем входе этого же ОУ – выбрано экспериментально, для удобства. Инвентирующий усилитель на втором ОУ имеет на входе аналогичное сопротивление для регулирования коэффициента усиления и, насколько это здесь возможно, для согласования выходного сопротивления компаратора и входного сопротивления усилителя ( оно равно изменяемому сопротивлению 100К). Коэффициент усиления определяется выражением Ку=10М\0..100К. Использую операционный усилитель,включённый по инвентирующей схеме для минимизации нелинейных искажений самого усилителя(поэтому транзисторная схема и не допустима). Для отсечки постоянной составляющей сигнала использую на входе клмпаратора конденсатор, ёмкость такова, что этот элемент также является сопротивлением для высокочастотных сигналов (на которые не рассчитан указанный ОУ). Полученный сигнал можно направить в звуковую карту компьютера (даже маломощная карта способна вполне корректно усилить полученный сигнал – именно так я и делал, обрабатывал при помощи SoundForge5), можно подключить регистрирующий прибор (осциллограф – подключение производил), наконец, через АЦП К572ПВ3 на параллельный порт ПК, далее самостоятельно писать программу обработки звука(однако зачем, если уже их создано немало и одна другой лучше?) или программу управления(прибор тогда – внешний датчик ПК). Можно также подключать исполнительные устройства непосредственно( подключал сирену на интегральном таймере КР1006ВИ1 (NE555)), тогда получаем сторожевое устройство. Принцип работы схемы ясен из чертежа.

Отчёт

Опыты №1-9 Изучение электропроводности электролотов.

Оборудование:

тестовый прибор(приложение3), водные р-ры HCl, H2SO4 ,NaCl, CuSO4*6H2O, FeCl3, CuCl2, NaOH, KOH, KJ, цифровой мультиметр DT-832

Ход работы:
1. Получаем 10% р-р каждого из перечисленных реактивов
2. Поочерёдно тестируем приготовленные растворы при помощи тестового прибора и мультиметра – измеряем сопротивление (результаты по графику ниже)
2. Измеряем сопротивление при встряске
3. Сопоставляем полученные данные

Вывод: Наилучший электролит (из доступных) – водный р-р KJ.


Химический подход для создания датчика вибраций

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 «Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги » А.В. Нефедов (1 том) Москва, «Радиософт» 2000г.
2 «Аналоговые интегральные схемы» А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко Минск, «Беларусь» 1993г.
3 «Транзисторы» А.А.Чернышев Москва, «Энергия» 1980г.
4 «Полупроводниковые приборы» Н.Н.Горюнов (редакция) Москва, Энергоиздат 1982г.
5 «Справочник по корабельной автоматике» Воениздат, 1974г.
6 «Химия для любознательных» Э.Гроссе, Ленинград «Химия» 1985г.
7 «Не только в воде» Ю.Я. Фиалков Ленинград «Химия» 1989г.
8 Я. Зельдович «Физика растворов» Москва, 1984г.
9 «Основы физики» Б.Яворский, А.Пинский Физматлит, 2001г.

Автор: Ходаковский Игорь. 8 января 2003 г.


Код для размещения на форумах или блоге

«
»