Комаров С.Г., независимый исследователь, электромеханик
АННОТАЦИЯ:
Предложен механотрон с измерительной системой, который применим как высокочувствительный прибор для измерений, например, линейных микроперемещений, давлений, усилий и т. д., выполненный в виде газонаполненной лампы со стеклянным баллоном, с применением одного подвижного и одного неподвижного электродов одинаковой формы и размеров их торцевых площадей в межэлектродном пространстве, последовательно включенных источника переменного тока относительно высокой частоты, нагрузочного элемента и конденсатора, образованного торцевыми площадями электродов, образующих ёмкостной преобразователь – для преобразования изменения ёмкости конденсатора в электрический сигнал, выделяющийся на нагрузочном элементе, установленных на линии межэлектродного пространства источника монохроматического света и преобразователя монохроматического света в электрический сигнал, образующих фотоэлектрический преобразователь, особого двухканального усилителя тока в измерительной системе, выполненного в каждом из каналов в виде последовательно включенных первичного, дифференциального и концевого усилителей электрических сигналов, мостовой измерительной цепи для суммирования электрических сигналов первого и второго каналов двухканального усилителя, регулирования зонной нечувствительности и порога чувствительности, выполненной с применением магнитоуправляемых сопротивлений в смежных плечах, а также регистрирующего устройства в виде отсчётно – измерительного прибора постоянного тока, включенного на выходе мостовой измерительной цепи. При этом во втором канале двухканального усилителя выход первичного усилителя соединён ещё путём обратной связи с входом управления интенсивностью излучения источника света для образования согласованной внутренней модуляции света, а дифференциальный усилитель на входе снабжён усилительным элементом для обращения, например, уменьшающегося напряжения электрического сигнала в пропорциональное увеличивающееся напряжение этого сигнала, а второй вход дифференциального усилителя соединён с выходом источника опорного напряжения для образования разностного напряжения на выходе этого усилителя.
Обозначена возможность подключения к выходам ёмкостного и фотоэлектрического преобразователей механотрона специализированного микропроцессора, действующего по заданной программе управления.
Введение.
Обычно механотроны относят к электровакуумным и газоразрядным электронно –механическим преобразователям. В вакуумных механотронах продольного управления используется зависимость анодного тока прибора от расстояния между анодом и катодом. В газоразрядных механотронах используется зависимость напряжения на разрядном промежутке от расстояния между электродами.
В предложенном механотроне эти обозначенные зависимости не используются. И поэтому казалось бы необходимо называть этот прибор не механотроном, а электромеханическим преобразователем с измерительной системой, использующем совместно ёмкостной и фотоэлектрический преобразователи изменений межэлектродного пространства в электрические сигналы и электронную систему суммирования сигналов.
По совокупности существенных признаков предложенный прибор одинаково относится как к механотронам, так и к другим электромеханическим преобразователям, поскольку механотрон, как таковой, тоже является электромеханическим преобразователем с механически управляемыми электродами. Для него характерны конструктивные особенности корпуса, кинематической системы с креплением рычага подвижного электрода в мембране, применение внешних воспринимателей механического сигнала и т. д. (См. «Используемая литература» п. 1). На этом основании автором выбрано название прибора «механотрон».
На чертеже (в приложении) схематически изображена весьма обобщённая блок-схема механотрона с измерительной системой.
Механотрон в преобразователе этого типа содержит кинематическую систему мембрана – стержень, которая состоит из упругого элемента – мембраны 1 и двухплечевого рычага 2 с точкой опоры в месте соединения рычага 2 с мембраной 1, при этом измеряемые перемещения и усилия прикладываются к внешнему плечу управления рычага 2, а давления, кроме того, например газовой среды, к мембране 1. Возможно также применение внешних воспринимателей механического сигнала, таких, как сильфоны, мембранные коробки и прочие датчики, например, усилий, оказывающих воздействие на плечо управления рычага 2 .
Механотрон содержит соединённый с мембраной 1 герметичный стеклянный баллон 3, заполненный инертным газом (неон, аргон, ксенон и др.) с низким рабочим давлением (при использовании прибора в качестве давления газа) или этим же газом при атмосферном давлении в других практических примерах применениях прибора, жёстко соединённый с внутренним плечом управления рычага 2 подвижный электрод 4, жёстко укреплённый в баллоне 3 неподвижный электрод 5, торцевая пластина, например круглого сечения, которого размещена параллельно торцевой пластине подвижного электрода 4 такой же формы на расстоянии порядка 0,3 – 0,6 мм, противоположно установленные на баллоне 3 на линии межэлектродного пространства источник 6 света с малой шириной спектра излучения (квазимонохроматичностью) и преобразователь 7 монохроматического света в электрический сигнал. При этом электроды 4, 5 могут быть покрыты очень тонким слоем изолирующей эмали для устранения возможности создания прямого электрического контакта между электродами 4, 5. (Может быть также применён механический ограничитель перемещения подвижного электрода 4).
Источник 6 света выполнен с применением светоизлучающего диода (СИД) с линзовой направленностью потока значительной монохроматичности излучения по линии межэлектродного пространства (щели), включенного в схему компенсации временной и температурной компенсации нестабильности излучения, с режимом питания постоянным током и стабилизированным напряжением порядка 3 В, со 100 % – ной модуляцией светового потока посредством изменения тока питания, и с входом управления этим током.
Преобразователь 7 монохроматического света в электрический сигнал – фотоприёмник, преобразующий падающий на него световой поток в электрический сигнал, может быть выполнен в виде фотодиода генераторного типа, который может быть включен в электронную схему компенсации погрешности из-за нелинейности его световой характеристики, с линзовой выборкой фотодиодом участка светового потока, ограниченного торцом подвижного электрода 4 и, например, частью межэлектродного пространства, образованного электродами 4, 5.
Механотрон содержит источник 8 высокостабильного переменного тока высокой частоты (генератор, с применением для стабилизации высокой частоты кварцевого резонатора), нагрузочный элемент 9 (например, выполненный в виде активного сопротивления), особый двухканальный усилитель 10 тока и регистрирующее устройство 11. При этом первый вывод источника 8 переменного тока соединён с неподвижным электродом 5 механотрона, второй вывод источника 8 переменного тока соединён через нагрузочный элемент 9 с подвижным электродом 4 и одновремённо с входом первого канала двухканального усилителя 10 тока, вход второго канала которого соединён с выходом преобразователя 7 света в электрический сигнал.
Двухканальный усилитель 10 тока выполнен в каждом из каналов в виде последовательно включенных первичного, дифференциального и концевого усилителей электрических сигналов, и мостовой измерительной цепи для суммирования электрических сигналов первого и второго каналов двухканального усилителя 10 тока, выполненной с применением магнитоуправляемых сопротивлений (магнитных полупроводников) в смежных плечах.
Первый канал в двухканальном усилителе 10 тока предназначен для усиления переменного напряжения на выходе нагрузочного элемента 9 (ёмкостного преобразователя) первичным усилителем электрического сигнала, последующего детектирования и сглаживания пульсаций этого напряжения. Выход первичного усилителя соединён с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединён с источником опорного стабилизированного напряжения 3 В для образования выходного напряжения дифференциального усилителя равного разности двух входных напряжений, т. е. для образования начального (нулевого) уровня сигнала в исходном состоянии механотрона. (Примечание: стабилизированное постоянное напряжение 3 В, например, стабилитроном, также используется для питания постоянным по направлению током светоизлучающего диода в источнике 6 света).
Таким образом, с изменением межэлектродного расстояния в последовательной цепи с нагрузочным элементом 9 появляется переменный ёмкостной ток. А далее, ток от нулевого уровня на выходе дифференциального усилителя усиливается концевым усилителем до напряжения, например, порядка 10 В при перекрытии всего диапазона возможного изменения межэлектродного пространства. Выход электрического сигнала концевого усилителя соединён с обмоткой управления магнитоуправляемого сопротивления (магнитного полупроводника), включенного в одно из смежных плеч мостовой измерительной цепи.
Работа усилителей во втором канале двухканального усилителя 10 тока, подключенного входом к выходу преобразователя 7 света в электрический сигнал, в основном аналогична работе усилителей в первом канале двухканального усилителя 10 тока. Но в этом случае выход первичного усилителя соединён ещё путём обратной связи с входом управления интенсивностью светового излучения источника 6 света для образования согласованной внутренней модуляции (меньше расстояние между электродами 4, 5, меньше освещённая рабочая площадь преобразователя 7 света в электрический сигнал, в том числе, из-за дифракции света на щели, меньше выходные электрические сигналы преобразователя 7 света и первичного усилителя, и меньше интенсивность светового излучения источника 6 света).
Выход первичного усилителя в этом случае, кроме того, соединён с входом дифференциального усилителя, который на своём первом входе имеет усилительный элемент для обращения действующего низкого уровня электрического сигнала в пропорциональное действующее значение электрического сигнала высокого уровня, и наоборот, (это связано с необходимостью превращать уменьшающийся световой поток при уменьшающемся межэлектродном расстоянии и уменьшающемся электрическом сигнале на выходе преобразователя 7 света в электрический сигнал в увеличивающееся постоянное напряжение на выходе обозначенного усилительного элемента. Второй вход дифференциального усилителя соединен с источником опорного стабилизированного напряжения 3 В для образования выходного напряжения дифференциального усилителя равного разности двух входных напряжений, т. е. для образования нулевого уровня напряжения в исходном состоянии механотрона.
С уменьшением межэлектродного расстояния в механотроне от исходного (в результате механического воздействия на подвижный электрод 4) на выходе дифференциального усилителя появляется напряжение, пропорциональное изменению межэлектродного расстояния, которое усиливается концевым усилителем, а выход уже этого усилителя соединён с обмоткой управления магнитоуправляемого сопротивления (магнитного полупроводника), включенного в другое из смежных плеч мостовой измерительной цепи.
Мостовая измерительная цепь предназначена для суммирования ёмкостного и фотоэлектрического сигналов, обработанных двухканальным усилителем 10 тока, для регулирования зонной нечувствительности, порога чувствительности прибора, выбора линейного участка усиления при суммирования сигналов и обострения значений регистрируемых изменений суммы полезных сигналов на выходе мостовой измерительной цепи (см. в том числе «Мостовая измерительная цепь» в «Использованная литература», п. 3).
Поскольку мостовая измерительная цепь в двухканальном усилителе 10 тока исходно сбалансирована, то значительно усиленное напряжение (ток) на выходе мостовой измерительной цепи появляется только при изменении магнитоуправляемых сопротивлений в значении сигналов ёмкостного и фотоэлектрического преобразователей. Выходное напряжение (ток) мостовой измерительной цепи поступает на вход регистрирующего устройства 11, в свою очередь выполненного в виде отсчётно – измерительного прибора постоянного тока, например, в том числе, с графическим отображением результатов измерений во времени.
Работу механотрона с измерительной системой (например, с ёмкостным преобразователем) возможно показать на конкретном примере.
Пусть, например, прибор предназначен для измерения перепада атмосферного давления воздуха от самого низкого до самого высокого уровня, который составляет 25 мм рт. ст. Пусть чувствительность кинематической системы прибора в области перепада атмосферного давления составляет 0,0001 см / мм рт. ст. При этом изменение межэлектродного расстояния (щели) изменяется на 0,0001 · 25 = 0,0025 (см). В приборе диаметр электродов 4, 5 равен 3 см, а их площадь S = 7,0686 см2. Пусть расстояние между электродами 4, 5, d = 0,3 мм = 0,03 см (что связано с выбранной жёсткостью мембраны 1 и рабочим давлением газа в стеклянном баллоне 3) при самом возможно низком атмосферном давлении воздуха, принимаемом за нулевой перепад атмосферного давления.
Определим исходную ёмкость конденсатора, образованного плоскими электродами 4, 5.
C = 1,1 S / 4π d = 1,1 · 7,0686 / 4 · 3,14159 · 0,03 = 20, 625 (пф) = 20,625 · 10-12 (ф).
Пусть, например, в последовательной цепи ёмкостного преобразователя действующее значение стабилизированного переменного напряжения источника 8 переменного тока (генератора, кроме того, стабилизированного по частоте тока кварцевым резонатором) V = 15 B, частота переменного тока f = 50 000 Гц, а активное сопротивление нагрузочного практически термонезависимого элемента 9 – R = 1000 Ом.
Определим ёмкостное сопротивление Xc конденсатора, образованного электродами 4, 5.
Xc = 1 / 2π f C = 1 / 2 · 3,14159 · 50 000 · 20,625 · 10-12 = 154332,066 (Ом).
Определим общее сопротивление Z в последовательной цепи (без учёта очень малого внутреннего сопротивления источника 8 переменного тока – генератора).
Z2 = R2 + Xc2 = 10002 + 154332,0662 = 23819386604,626694. Z = 154335,305762 (Ом).
Определим ток I в последовательной цепи источника тока, ёмкостного и активного сопротивлений.
I = V / Z = 15 / 154335,305762 = 0,97190982 · 10-4 (А).
Тогда падение напряжения Vxc на ёмкостном сопротивлении Xc составит:
I · Xc = 0,97190982 · 10-4 · 154332,066 = 14,999685 (В).
Падение напряжения Vr на активном сопротивлении R:
I · R = 0,97190982 · 10-4 · 1000 = 0,097190982 (В).
Проверим правильность расчётов:
V2 = Vxc2 + Vr2. 14,9996852 + 0,0971909822 = 224,9905501 + 0,00944608698 = 224,999996.
Отсюда корень квадратный от 224,999996 = 15 (В). Правильность расчёта подтверждена.
Посчитаем необходимым в исходном состоянии прибора (межэлектродная щель 0,03 см) значение выходного напряжения первичного усилителя в первом канале двухканального усилителя 10 тока обеспечить равным 3 В, но уже постоянного напряжения, – в результате детектирования и сглаживания пульсаций. Коэффициент преобразования при детектировании напряжения условно не учитываем. (Примечание: 3 В – также стабилизированное напряжение, которое от отдельного источника используется для питания светоизлучающего диода в источнике света 6. Выбор напряжения 3 В на выходе первичного усилителя второго канала двухканального усилителя 10 обусловлен применением согласованной внутренней модуляции). Тогда коэффициент усиления тока (напряжения) первичным усилителем первого канала определится в значении: К = 3 / 0,097190982 = 30,87606.
Напряжение 3 В далее компенсируется дифференциальным усилителем (поскольку оно соответствует исходному – наибольшему размеру межэлектродного расстояния 0,03 см), т. к. на первый вход дифференциального усилителя подаётся напряжение первичного усилителя, а на второй вход дифференциального усилителя подаётся опорное стабилизированное напряжение 3 В. Что и приводит к появлению разностного напряжения на выходе дифференциального усилителя, пропорционального изменению межэлектродного пространства, усиливаемого затем концевым усилителем.
Как уже было отмечено, изменение межэлектродного расстояния (щели) от максимального перепада атмосферного давления составляет 0,0025 см. Что определяет новый размер щели: 0,03 – 0,0025 = 0,0275 (см).
Определим ёмкость конденсатора, соответствующую d = 0,0275 (см).
С = 1,1 · 7,0686 / 4 · 3,14159 · 0,0275 = 22,5 (пф) = 22,5 · 10-12 ф.
Ёмкостное сопротивление конденсатора
Xc = 1 / 2 · 3,14159 · 50 000 · 22,5 · 10-12 = 141470,7461 (ом).
Определим полное сопротивление Z электрической цепи из выражения:
10002 + 141470,74612 = 20014972002,090665. Корень квадратный из полученного значения соответствует полному сопротивлению электрической цепи, равному 141474,280355 (Ом).
Определим ток в цепи: V / Z = 15 / 141474,280335 = 1,0602633895 · 10-4 (А).
Определим падение напряжения на нагрузке 1000 Ом: 1,0602633895 · 10-4 · 1000 = 0,10602633895 (В).
Т. к. коэффициент усиления первичного усилителя К = 30,87606, то напряжение на выходе первичного усилителя в этом случае составит: 0,10602633895 · 30,87606 = 3,273675603 (В). А напряжение на выходе дифференциального усилителя составит: 3,273675603 – 3,0 = 0,273675603 (В).
Посчитаем, что для надёжной работы мостовой измерительной цепи необходимо, чтобы максимальное напряжение управления на первом её входе составляло 10 В. Т. е. напряжение 0,2736756003 В необходимо увеличить до 10 В. (Через коэффициент усиления К = 36,54 концевого усилителя). Тогда межэлектродной щели 0,025 см будет соответствовать управляющее напряжение 10 В, а щели 0,0001 см – 0,4 В, что приемлемо для выбираемого типа мостовой цепи, например, с дополнительной установкой через магнитопровод и внешнее его возбуждение линейного участка в управлении магнитоуправляемыми сопротивлениями и максимального порога чувствительности (при отсутствии зоны нечувствительности).
Расчёт фотоэлектрического преобразователя изменений межэлектродной щели в электрический сигнал более сложен, т. к. при этом необходимо учитывать интенсивность излучения СИД, фокусировки излучения на стороне излучения и его приёма, расстояние от источника света до преобразователя света в электрический сигнал, расстояния от щели до источника света и до преобразователя света в электрический сигнал, исходный размер щели и её изменения от действия механического сигнала, соотношение длины волны излучения и ширины щели (межэлектродной щели) – дифракцию света на щели, эффективную рабочую площадь фотодетектора – преобразователя света в электрический сигнал, величину коэффициента согласованной модуляции светового излучения, преобразование сигнала низкого уровня в сигнал высокого уровня для обеспечения появления разностного напряжения на выходе дифференциального усилителя и уровень максимального сигнала (напряжения), подаваемого на свой вход управления мостовой измерительной цепи. Но в конечном итоге эффективность фотоэлектрического преобразования микроперемещений, усилий, давлений в электрический сигнал может быть сравнимой с эффективностью ёмкостного преобразования.
Введение в механотрон ёмкостного и фотоэлектрического преобразователей повышает общую чувствительность этого прибора. Но в тоже время эти преобразователи могут быть и независимыми по применению, если одного из них вполне достаточно для точности производимых измерений.
Использование в приборе ёмкостного и фотоэлектрического преобразователей позволяет для обработки и регистрации информации также применить специализированный микропроцессор.
В микропроцессоре порт ввода, представляющий специальное электронное устройство, получает информацию от ёмкостного и фотоэлектрического преобразователей микроперемещений, усилий, давлений в электрический сигнал и записывает её в цифровой форме. Процессор обрабатывает эти данные в соответствии с заданным программистом алгоритмом управления, а порт вывода записывает результаты измерений.
Использованная литература:
1. Г. С. Берлин «Механотроны», М.,- «Радио и связь», 1984, с. 99-106, рис. 2-13 а, с. 5, 6, 10, 15, 16, 77, 92, 93, 111, 130, 131, 158, 166, 167, 169, 194.
2. М. Мухитдинов, Э. С. Мусаев «Светоизлучающие диоды и их применение», М.,- «Радио и связь», 1988, с. 9, 11-16, 37, 55.
3. Комаров С. Г. «Мостовая измерительная цепь», авторское свидетельство на изобретение № 1658730, приоритет изобретения 20 апреля 1989 г.
