|
Реферат: Громкоговорители \динамики, рупоры\ и телефоны (Радиоэлектроника)
Громкоговорители и телефоны
Определение, классификация, параметры. Громкоговоритель (теле
фон) - прибор для преобразования электрических колебаний в акустические
колебания воздушной среды - является последним и од ним из наиболее
важных звеньев любого акустического тракта, так как его свойства
оказывают чрезвычайно большое влияние на качество работы этого тракта в
целом.
По способу преобразования колебаний громкоговорители и
телефоны разделяются на электродинамические катушечные (подавляющее
число типов громкоговорителей), электромагнитные (основное число
телефонов), электростатические, пьезоэлектрические и некоторые другие;
по виду излучения - на громкоговорители непосредственного излучения,
диффузорные и рупорные; по воспроизводимому диапазону - на
широкополосные, низко -, средне - и высокочастотные; по потребляемой
электрической мощности на мощные и маломощные.
Стандартом ГОСТ 16122 - 78 установлены определения
параметров громкоговорителей и относящихся к ним терминов. Приведем
основные из них.
Номинальная мощность - максимальная подводимая
электрическая мощность, ограниченная тепловой и механической
прочностью громкоговорителя и нелинейными искажениями, превышающими
заданное значение. Обычно оно меньше паспортного. Громкоговоритель не
должен выходить из строя при длительном ее воздействии.
Частотная характеристика громкоговорителя по звуковому давлению -
зависимость звукового давления, развиваемого громкоговорителем, в точке
свободного поля (находящейся на определенном расстоянии от рабочего
центра) от частоты при постоянном напряжении на зажимах громкоговорителя.
Рабочий центр - обычно геометрический центр симметрии выходного
отверстия излучателя Для сложных излучателей рабочий центр указывается в
описании громкоговорителей.
Неравномерность частотной характеристики и эффективно
воспроизводимый диапазон частот определяются по частотной характеристике,
снятой на рабочей оси, которая обычно совпадает с геометрической осью
излучателя, а для сложных излучателей указывается в описании.
Среднее стандартное звуковое давление (отдача) - среднее звуковое
давление, развиваемое в диапазоне рабочих частот на рабочей оси на
расстоянии 1 м от громкоговорителя и 1 см от телефона при подведении к
громкоговорителю электрической мощности 0,1 Вт, а к телефону - 1 мВт.
Входное сопротивление громкоговорителя зависит от частоты,
поэтому в справочниках приводится номинальное электрическое сопротивление -
минимальный модуль полного электрического сопротивления
громкоговорителя в диапазоне частот выше частоты основного резонанса его
механической колебательной системы, при которой полное сопротивление
достигает максимального значения.
Характеристика направленности - зависимость звукового давления,
развиваемого громкоговорителем, в точках свободного поля, находящихся на
одинаковом расстоянии от рабочего центра, от угла между рабочей осью
громкоговорителя и направлением на выбранную точку. Обычно эту
характеристику нормируют к осевому звуковому давлению. Характеристика
направленности изменяется в зависимости от частоты, поэтому ее измеряют на
ряде частот или в заданной полосе частот. Характеристику направленности,
снятую в плоскости, называют диаграммой направленности.
Коэффициент осевой концентрации - отношение акустических
мощностей ненаправленного и направленного излучателей при равенстве их
осевых звуковых давлений.
Коэффициент гармоник - отношение среднеквадратичного звукового
давления гармоник к среднему звуковому давлению измеряют для ряда заданных
частот при подведении к громкоговорителю синусоидального напряжения,
соответствующего номинальной мощности.
Коэффициент полезного действия громкоговорителя в паспортных
данных обычно не приводится. Вместо него указывают стандартное звуковое
давление или характеристическую чувствительность, однозначно связанные
между собой и с акустической мощностью. Если подвести к громкоговорителю
электрическую мощность 0,1 Вт, то (согласно определению стандартного
звукового давления) осевое звуковое давление равно стандартному,
Характеристическая чувствительность - отношение среднего звукового
давления, развиваемого громкоговорителем в номинальном диапазоне частот на
рабочей оси на расстоянии 1 м от рабочего центра, к корню квадратному
из подводимой электрической мощности.
Дребезжание - спектральные компоненты излучаемого громкоговорителем
сигнала, вызываемые механическими дефектами его конструкции и слышимые при
его работе в номинальном и эффективно воспроизводимом диапазонах частот.
Установлены две категории телефонов: Н (нормальные) - для работы при
температурах от - 10 до +45'С и влажности до 90+ 3%; У (устойчивые) -
при температурах от -50 до + 50' С и влажности до 95+3% . Полное
электрическое сопротивление на частоте 1000 Гц должно быть 260±52Ом, хотя
допускаются и другие его значения. Коэффициент гармоник на
частоте 1000 Гц не должен превышать 5% при мощности 1 мВ А.
Габаритные размеры телефона не должны превышать размеров кругового
цилиндра с диаметром основания 48мм и высотой 24,5 мм; диаметр слухового,
отверстия - 13 мм.
Нормы на параметры громкоговорителей изложены в ГОСТ 90!0 -
78. Громкоговорители (головки) должны выдерживать испытания на
теплоустойчивость до 60'С, на влагоустойчивость - до 93+-2% при 30'С, на
холодостойкость - от - 20 до - 40'С, а так же на ударную устойчивость
ударную прочность и виброустойчивость. Стандартное звуковое давление на
расстоянии 1 м при мощности 0,1 Вт должно быть не менее О,2 Па, за
исключением громкоговорителей, используемых в закрытых акустических
системах (см. ниже). Частотная характеристика должна соответствовать
типовой с допустимым отклонением +- 6 дБ. Если же типовая частотная
характеристика не приводится, то допустимая неравномерность в номинальном
диапазоне рабочих частот не должна превышать 14 дБ.
Предусмотрены следующие номинальные мощности: 0,1, 0,25; 0,5;
1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 6,0; 8,0; 1О,О; 15,0; 2О,О; 25,0; 30,О;50,0 Вт
и независимо от этого ряда мощностей ряд номинальных сопротивлений:
2,4,8,15, 25, 5О,100,400,800 Ом. Допустимые отклонения от приведенных
сопротивлений не превышают + 15; - 20%
Громкоговорители не должны дребезжать при подведении к ним
синусоидального сигнала номинальной мощности в диапазоне от минимальной
частоты основного резонанса до наивысшей частоты номинального диапазона
рабочих частот.
У одного из выводов громкоговорителя иногда- наносятся
знак полярности в виде точки, пукли или знака "+", который помогает
правильно осуществить параллельное соединение громкоговорителей.
Обозначение громкоговорителя, например 1 ГД-3-100, расшифровывается так:
первая, цифра (1) - мощность, Вт; буквы "ГД" - громкоговоритель
динамический; вторая цифра (3) - порядковый номер разработки;
последние цифры (100) - значение резонансной частоты, Гц. При
маркировке нестандартных громкоговорителей добавляются буквы,
указывающие завод изготовитель (например : 3ГД-6 ВЭФ, 5ГД-3 РРЗ.
Электростатические громкоговорители маркируются тремя буквами: ГСВ
(громкоговоритель статический высокочастотный) или ГСШ
(громкоговоритель статический широкополосный), характеризующими тип, и
цифрами, обозначающими номер разработки (например, ГСВ-1, ГСЩ-1).
Международные нормы на высококачественные громкоговорители
системы высокой верности (НiFi) коротко формулируются так. Номинальный
диапазон рабочих частот - 50 Гц...12 кГц. Частотная характеристика, снятая
треть октавными полосами розового шума, должна укладываться в допустимую
область с неравномерностью не более 8 дБ в диапазоне частот 100 Гц...4
кГц и не более 12 дБ на частотах ниже 100 Гц и выше 4 кГц (розовый шум -
шумовой сигнал, уровень спектральной плотности энергии которого при
повышении частоты снижается с постоянной крутизной 3 дБ/окт, в диапазоне
частот измерений; октава (окт) - диапазон частот, ограниченный значениями
Fmin и Fmax для которого Fmax /Fmin = 2).Звуковое давление, приведенное
к расстоянию 1 м, при рабочей мощности должно быть не менее 1,2 Па
(96 дБ). Коэффициент гармоник не должен превышать 3% в диапазоне частот
250 Гц...1 кГц при подводимом синусоидальном сигнале рабочей мощности, 2%
в диапазоне частот 1...2 кГц при подведении 1/2 мощности и1% в диапазоне
частот 2...4 кГц при подведении 1/4 мощности. Частотные характеристики,
снятые пол углом 15° и оси вверх, вниз, вправо, влево, не должны
отличаться от осевой характеристики при их совмещении больше чем на 4 дБ.
Частотные характеристики громкоговорителей для двух каналов
стереофонической установки не должны различаться более чем на 2 дБ.
Рекомендуемые значения сопротивлений - 4 и 8 Ом.
Телефоны применяются в бытовой аппаратуре и связи. Стереофонические
телефоны дают возможность полного разделении правого в левого каналов
микрофон - усилитель - телефон - ухо.
Электромагнитные телефоны (например, типа ТК-47) применяются в
телефонных аппаратах и переговорных устройствах. Принцип действия: на
постоянный магнитный поток системы, состоящей из постоянного магнита и
магнитопровода (полюсных наконечников), накладывается переменный поток
звуковой частоты, создаваемый надетыми на магнитопровод катушками, к
которым подводится напряжение звуковой частоты. Перед полюсными
наконечниками находится ферромагнитная диафрагма (мембрана). Под
воздействием постоянного и переменного магнитных потоков, пронизывающих
диафрагму, мембрана колеблется в такт с переменным магнитным потоком и
излучает акустическую волну, поступающую в ухо. В результате возникает
ощущение звука.
При одинаковом звуковом давлении (отдаче) телефоны разного
сопротивления имеют разные чувствительности. Чтобы сравнить
телефоны, вводят понятие приведенной чувствительности: Мпр= Мт [Zт]/Zст,
где Мпр - приведенная чувствительность телефона, Па/В; Мт - его
чувствительность (отношение звукового давления к подводимому
напряжению); [Zт] - модуль его электрического сопротивления; Zст -
стандартное сопротивление, которое в телефонии принимается равным 600 Ом.
Средняя чувствительность телефона типа ТК-47 в диапазоне 300 Гц...3 кГц
составляет 15...- 17 Па/В, а сопротивление его катушек постоянному току -
130 Ом В переговорных устройствах и на радиостанциях в основном
применяется телефон типа ТА-4, частотная характеристика которого более
равномерна, средняя чувствительность в диапазоне 300 Гц... 4 кГц
составляет 3 Па/В при сопротивлении постоянному току 2,2 кОм в 15
Па/В - при сопротивлении 65 Ом. Более сложную магнитную систему
имеет телефон типа ДЭМК-6А. Для того чтобы при изменениях
атмосферного давления его диафрагма не прогибалась внутрь или не
выпучивалась, телефон снабжен керамической пробкой, пропускающей
воздух, но не пропускающей влагу. Средняя чувствительность составляет
20 Па/В при сопротивлении постоянному току 130 Ом. Несколько
отличается от него телефон типа ДЭМК-7Т. В нем нет керамической
пробки, а в основании проделан ряд отверстий, что придает его частотной
характеристике многорезонансный характер, как, например, у телефона
типа ТА-4, Электрические эквивалентные схемы телефонов типов
ДЭМК-6А и ТК-47 одинаковы. При сравнительном рассмотрении частотных
характеристик чувствительности перечисленных телефонов нужно
учитывать; что они не приведены к стандартному сопротивлению 600 Ом
н поэтому располагаются на равных уровнях.
[pic]
Для прослушивания радиопередач, звукового сопровождения телепередач
и звукозаписи применяются стереофонические телефоны в основном элек-
Рис. 1. Устройство телефона:
а - тип ТДС-1 (1 - малый электродинамический громкоговоритель; 2 - корпус;
3 - решетка; 4 - мягкий амбушюр; 5 - контакт; 6 - звукопоглощающий
материал); б - квадрофонический ( 1,2 - громкоговорители соответственно
переднего и заднего каналов; 3 - амбушюр; 4 - корпус); в,г -
изодинамический.
тродинамического типа. Описание принципа действия этого типа телефонов
приводится ниже; в качестве примера приведем конструкцию телефона ТДС-1
(рис. 1, а). В корпусе находится малый электродинамический
громкоговоритель с диффузором или полусферической диафрагмой. Пространство
между ним и корпусом заполнено звукопоглощающим материалом (поролон).
Перед громкоговорителем находится перферированная решетка.
К краю корпуса примыкает мягкий амбушюр, прилегающий к ушной
раковине. Пара таких телефонов позволяет получить высококачественное
воспроизведение особенно низших частот при малой мощности, обеспечивая
хороший стереофонический эффект н довольно надежно изолируя слушателя от
внешних шумов, а окружающих от звуков воспроизведения. Устройства
квадрафонического телефона схематически показано на рис. 1 б. Его основным
отличием является то, что на каждое ухо действуют два громкоговорителя. На
рисунке приведены громкоговорители переднего и заднего каналов, например
правых каналов. Так же устроен телефон перед него и заднего левых каналов.
Преобразователи передних каналов располагаются при надевании наушников
прямо против входа в слуховые каналы, а задние смещены за ушную раковину,
что не сколько ослабляет высокие частоты. Иногда оба громкоговорителя
включаются через специальный электрический контур, позволяющий подчеркнуть
низкие частоты для одного преобразователя и высокие для другого.
Электродинамические головные телефоны построены на
электродинамическом принципе, но без применения громкоговорителей.
Наиболее- известный из них - изодинамический. Он состоит из магнитной
системы и диафрагмы. Оригинальная магнитная система, в свою очередь,
состоит из двух дискообразных магнитов, например, из феррита бария,
намагниченных так, что каждый из них имеет три пары полюсов. Например,
центральная часть, ограниченная окружностью, имеет полярность N ,
следующая кольцевая - S, а наружная кольцевая - N. Таким образом,
по поверхности магнита проходят два радиальных магнитных потока. Так
же намагничен и второй магнит, Магниты по всей плоскости перфорированы для
того, чтобы обеспечить проход звука через отверстия при колебаниях
диафрагмы из синтетической пленки, натянутой между магнитами на
равных расстояниях от поверхности каждого из них. На пленку нанесен
проводник в виде спирали. В том месте, где встречаются противоположно
направленные потоки (окружность, проходящая через точку А), витки
спирали начинают идти в обратном направлении. Следовательно, сохраняется
взаиморасположение магнитного поля и электрического тока. Диафрагма
изодинамического телефона возбуждается по всей поверхности, поэтому он
очень эффективен, имеет весьма равномерную частотную характеристику и
ничтожные линейные искажения.
В пьезоэлектрических телефонах используются пьезоэлектрические
синтетические пленки. Фирма "Пайонир" применяет пленку
поливинилиденфлуорид. Она имеет разную толщину (от 8 до 30 мкм), малую
жесткость и удовлетворительные пьезоэлектрические параметры.
Качество такого телефона достаточно высокое. При этом он не требует
напряжения поляризации (см. ниже описание электростатических
громкоговорителей).
[pic]
Рис. 2. Устройство диффузионного электродинамического громкоговорителя:
1 - звуковая катушка; 2 - диффузор; 3 - подвес диффузора; 4 - корпус; 5 -
шайба; 6, 8 - фланцы; 7 - магнит; 9 - керн; 10 - кольцевой зазор; 11 -
отверстия для выхода тыльного излучения.
Диффузорные электродинамические громкоговорители. В диффузорном
громкоговорителе диффузор (рассеиватель),входящий в его механическую
подвижную систему, выполняет функции преобразования механических колебаний
в акустические и излучения звука.
Процесс излучения звуковых волн довольно прост: при своих
колебаниях диафрагма приводит в движение частицы прилегающего к ней
воздуха, создавая попеременно его сжатие и разрежение. Колебания этих
частиц передаются соседним слоям воздуха и т. д., создаются волны
сжатия и разрежения, которые движутся со скоростью звука вдаль. На рис. 2
приведен схематический чертеж электродинамического громкоговорителя.
Принцип его действия заключается в том, что катушка с
накатанным на нее проводом; находящаяся в радиальном
магнитном поле, при пропускании через нее переменного тока i
испытывает действие силы F = Bli где В - индукция в зазоре; l - длина
провода.
Эта сила приводит в движение диффузор, жестко скрепленный
с катушкой (называемой звуковой) и подвешенный к корпусу по
внешнему краю, а также центрируемый шайбой. В результате
диффузор является поршневым излучателем и имеет одну степень
свободы колебаний (только по осевому направлению). Магнитное
поле создается кольцевым постоянным магнитом (в ряде
громкоговорителей магнитом служит керн) и магнитной цепью из
двух фланцев и керна. Между керном и верхним фланцем есть
кольцевой зазор, в котором размещена звуковая катушка,
свободно колеблющаяся в нем. Чтобы диффузор не изгибался как
мембрана и для создания необходимой жесткости, ему обычно придают
Форму усеченного конуса с круговым или эллиптическим основанием.
Тем не менее на высших частотах диффузор, изгибаясь,
колеблется как мембрана: волны изгиба двигаются от центра к
периферии и обратно, создавая стоячие волны по радиусам диффузора.
Для больших диаметров диффузора (около 25 см) эти колебания начинают
появляться на частотах выше 1500 Гц, для меньших - на более высоких
частотах и воспринимаются слушателем как искажения звука.
Механическая колебательная система имеет резонансную
частоту
Wм = 1/sqr(mcm), которую называют частотой механического резонанса (m
- масса подвижной системы; Сm- ее гибкость. Ниже частоты механического
резонанса среднее звуковое давление громкоговорителя резко падает.
Практически для широкополосных громкоговорителей не удается уменьшить
частоту механического резонанса до 60...70 Гц. Следовательно, нижняя
граница передаваемого диапазона частот не менее 50...60 Гц, а в
большинстве случаев не менее 70...80 Гц. Частоту, выше которой диффузор
колеблется как мембрана, можно повысить (при сохранении его массы и
размеров), придав диффузору большую жесткость. Эта достигается
утолщением стенок диффузора с уменьшением
[pic]
Рис. 3. Частотная характеристика давления диффузорного громкоговорителя
тина 4ГД-8Е в экране.
их толщины к периферии.
Одновременно с этим уменьшают плотность материала, например
делают его пористым (без сквозных пор). Применяется различная пропитка
материала диффузора, поэтому в диапазоне частот, в котором диффузор
колеблется как мембрана, частотная характеристика получается очень
изрезанной (рис. 3). Но так как слух человека из-за достаточно широких
критических полосок слуха сглаживает частотную характеристику, то не все
пики и провалы заметны на слух. Частотная зависимость осевой
чувствительности громкоговорителя (отношение звукового давления на оси к
подводимому напряжению) без учета резких пиков и провалов близка и
равномерной до частот примерно 6...7 кГц (см. рис. 3). Это объясняется
тем, что с увеличением частоты перестает колебаться внешняя, часть
диффузора. Выше 7...8 кГц частотная характеристика круто падает. Все это
относится к несоставным громкоговорителям, рассчитанным для работы в
широком диапазоне частот.
[pic]
Рис. 4. Громкоговоритель с дополнительным корпусом.
Верхнюю границу диапазона частот повышают до 10...12 кГц, например,
кольцевой гофрировкой диффузора. При этом с увеличением частоты перестают
колебаться один за другим внешние участки диффузора, одновременно
уменьшается возможность колебания его как мембраны. Другой способ -
применение дополнительного конуса, который вставляется внутрь диффузора
(рис. 4).
В этих случаях на высоких частотах основной диффузор перестает
работать из-за относительно гибкого соединения его со звуковой катушкой и в
работу включается малый диффузор, достаточно жесткий и легкий.
Чувствительность (эффективность излучения) громкоговорителя на высоких
частотах повышают, уменьшая индуктивность звуковой катушки, например, с
помощью вихревых токов Фуко; уменьшение индуктивности снижает ее
электрическое сопротивление и приводит к возрастанию тока на высоких
частотах. Для этого на керн надевают насадку в виде медного колпачка е
разрезом. На низких частотах чувствительность громкоговорителя повышают,
применяя специальные акустические оформления.
Направленность одиночных диффузорных громкоговорителей неявно
выражена из-за малости поверхности излучения; она проявляется в диапазоне
высоких частот.
Наибольшая подводимая к головке электрическая мощность ограничена
значением, при котором коэффициент гармоник не превышает нормы,
установленной ГОСТом или техническими условиями (обычно не более 5...10%
на частотах 100...200 Гц). Этот параметр называют номинальной мощностью,
выражают ее в ваттах, указывают в паспорте или другом документе на головку.
В настоящее время громкоговорители выпускаются мощностью 0,025...50 Вт. КПД
головки громкоговорителя (отношение излучаемой акустической мощности к
подводимой электрической)снижается при уменьшении ее размеров, так как
одновременно уменьшаются площадь поверхности диффузора, объем провода
катушки и индукция в зазоре. Поэтому у малогабаритных громкоговорителей
значение КПД очень мало: в основном составляет 0,2...0,5%, не превышая даже
у самых мощных 1...2%. Чтобы скомпенсировать уменьшение звуковой отдачи,
сопутствующее снижению КПД, к громкоговорителям малогабаритных
акустических систем приходится подводить существенно большую мощность.
Среднее стандартное звуковое давление, создаваемое современными
динамическими головками, составляет 0,1...0,3 Па. Нелинейные искажения в
диффузорных громкоговорителях в основном создаются из-за нелинейности
механической системы в центрирующей шайбе и подвесе диффузора и из-за
неравномерного распределения индукции в зазоре. Коэффициент нелинейных
искажений на частотах около 100 Гц доходит до:1О% и более. Для его
уменьшения применяют центрирующие шайбы, имеющие сложную конфигурацию и
выполненные из специальных материалов, гофрированные подвесы, а также
полюсные наконечники такой формы, при которой создается: более
равномерное поле в зазоре. Для маломощных громкоговорителей высоту звуковой
катушки делают больше высоты зазора, вследствие чего число пересекаемых
силовых линий не зависит от амплитуды колебаний. В электродинамических
громкоговорителях возможно появление субгармонических искажений, в
результате которых создаются составляющие с частотами, равными половине
частоты колебаний диффузора. Эти субгармоники появляются в тех случаях,
когда образующая диффузора прямолинейна, т.е. когда диффузор имеет
коническую форму. Чтобы уменьшить возможность возникновения субгармоник,
образующей диффузора придают криволинейную форму (например,
экспоненциальную).
Внутреннее сопротивление громкоговорителей обычно составляет
несколько ом. Для согласования его с сопротивлением приемника,
трансляционной линии и т.п. применяют трансформаторы. При этом
входное сопротивление громкоговорителей с трансформатором определяется
номинальным напряжением источника мощности и номинальной мощностью
громкоговорителя Zbx =Uном/Pном.
Рупорные излучатели. Основным недостатком громкоговорителей
непосредственного излучения является их чрезвычайно низкий КПД. Причина
этого заключается в несогласованности сопротивлений механической системы
и окружающей среды. Для повышения сопротивления излучения нужно
увеличивать размеры излучателя, но это повлечет рост механического
сопротивления массы излучателя и не даст выигрыша в КПД. Поскольку диффузор
выполняет две функции: преобразования механических колебаний в
акустические и излучения этих колебаний в окружающую среду, разрешить такое
противоречие можно только разделением этих функций, которое осуществляется
в рупорных громкоговорителях, Рупор служит также для согласования
сопротивлений механической системы и окружающей среды. Рупором называют
трубу с переменным сечением. Входное отверстие излучающего рупора (горло)
меньше, чем выходное (устье). Выходное отверстие является излучателем, а
входное - нагрузкой для механической системы. Таким образом,
излучатель может быть сделан сколь угодно большим, а механическая
система - небольшой и потому легкой.
[pic]
Рис. 4. Виды рупоров: а - сдвоенный; б - секционированный.
Рупоры применяют с различным законом изменения поперечного сечения.
Наиболее распространены рупоры экспоненциальные; реже применяются
конические, так как они имеют значительно менее равномерную амплитудно-
частотную характеристику. Для острой направленности и более
низкой границы передаваемого диапазона частот следует увеличивать
выходное отверстие рупора и выбирать рупор большей длины. Для
увеличения длины рупор часто свертывают или складывают (рис. 4). С
аналогичными явлением мы сталкиваемся в духовых музыкальных
инструментах: чем ниже регистр инструмента, тем длиннее его рупор.
Для концентрации или расстояния звуковых волн применяются
акустические линзы, основанные на преломлении звуковых лучей при
переходе из одной среды в другую с разными скоростями распространения
(например, скорость распространения звуковых волн в пористых
материалах или в решетках и жалюзи пластин отличается от скорости
распространения в открытом пространстве). К недостаткам рупора можно
отнести нелинейные искажения, обусловленные большой величиной и резким
изменением амплитуды звукового давления в пределах одной длины волны в
горле рупора, а также частотные искажения в рупорах конической формы.
Рупорные электродинамические громкоговорители имеют два конструктивных
варианта: узко- и широкогорлые. Площадь входного отверстия рупора в
узкогорлых громкоговорителях в несколько раз меньше площади поршневой
диафрагмы, в широкогорлых - эти площади или одинаковы, или близки друг к
другу.
[pic]
Электростатические громкоговорители делятся на конденсаторные,
электретные и пьезогромкоговорители.
Рис. 5. Конденсаторный громкоговоритель:
а - конструкция (1 - массивный электрод; 2 - гибкий электрод с изоляцией; 3
- натягивающий винт); б - схема включению.
На рис.5 , а приведена схематическая конструкция конденсаторного
громкоговорителя. На ребристом полуцилиндре с помощью винта натянута
тонкая металлическая фольга, с внутренней стороны облицованная
диэлектриком, или полимерная пленка, снаружи покрытая металлом.
Поверхности полуцилиндра и фольга служат электродами конденсатора.
Между электродами приложено поляризующее напряжение U0. На эти
электроды подается еще переменное напряжение U; сила притяжения
электродов F = (U0+ U)2 S/8пd2 где S - площадь электродов; d
- расстояние между ними. При U < U0 можно пренебречь квадратичной
составляющей, тогда переменная сила F = СU0U/d, так как С =. S/4пd
Следовательно, сила, действующая на гибкий электрод, определяется
отношением поляризующего напряжения к межэлектродному расстоянию U0/d,
емкостью конденсатора С и переменным напряжением. Коэффициент
электромеханической связи громкоговорителя обратно пропорционален
частоте, а электрическая характеристика i/ U = wС прямо пропорциональна ей,
т. е. они компенсируют друг друга, что выравнивает чувствительность на
высоких частотах;
Конденсаторный громкоговоритель используют, как правило, в качестве
высокочастотного элемента акустических систем. Например, при внешних
размерах 15 х 10 см и длине волны не более 8 см (т. е. на частоте 4250
Гц) его коэффициент излучения не зависит от частоты. Для получения
частотно-независимой чувствительности частоту резонанса механической
системы выбирают на нижней границе передаваемого диапазона частот,
последовательно с громкоговорителем, включая активное электрическое
сопротивление R6 (рис. 5, б), которое уменьшает падение напряжения на
громкоговорителе с увеличением частоты за счет роста тока через емкость.
Значение отношения U0/d ограничено электрической прочностью пленки, поэтому
чувствительность зависит только от размеров излучателя. Разработаны
громкоговорители конденсаторного типа и на широкий диапазон частот
(например, АСЭ-1), но производство их очень дорого.
Электретные громкоговорители отличаются от конденсаторных
применением э них электретной пленки, заранее наэлектризованной.
Поляризующее напряжение образуется предварительной электризацией одного иэ
электродов, изготовляемого из полимеров или керамических поляризующихся
материалов и имеющего металлическое покрытие. Оно является электродом
конденсатора, а электрет - источником поляризующего напряжения. Поляризация
электрета постепенно уменьшается и через несколько лет требуется его замена
или повторная поляризация. В этом заключается как недостаток электретного
громкоговорителя по сравнению с конденсаторным, так и его достоинство,
поскольку для него не требуется источник напряжения. По механическим и
акустическим характеристикам электретный громкоговоритель не отличается от
конденсаторного.
Пьезогромкоговорители. Край пластинки из сегнетовой соли или
пьезокерамики связывают с диффузором и получают громкоговоритель
непосредственного излучения, коэффициент электромеханической связи которого
такой же, как конденсаторного. Малая климатическая стойкость сегнетовой
соли, низкая чувствительность пьезокерамики, большая неравномерность
частотной характеристики, высокое входное сопротивление и большие
нелинейные искажения ограничивают применение пьезогромкоговорителей.
Реферат на тему: Датчик влажности
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО
ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ
Курсовая работа по дисциплине «Датчики физических величин»
а) Доцент кафедры ОЭФ
б) Студент группы 9012
_______ Руппель Д.А.
«__»________2000
Новгород Великий 2000
Содержание
Перечень условных обозначений
5 Основная часть
5.1 Описание физической величины
Для характеристики содержания влаги в материалах применяются две
величины: влагосодержание и влажность. Ранее эти величины назывались
соответственно абсолютной и относительной влажностью.
Под влагосодержанием и понимается отношение массы влаги М, содержащейся
в теле, к массе абсолютно сухого тела M0:
U=M/M0 (1)
Под влажностью W -понимается отношение массы влаги M, содержащейся в
теле, к массе влажного материала М1.
W=M/(M+M0) (2)
Иногда эти величины выражают через веса и в процентах. В таком случае
выражения (1) и (2) принимают вид:
U%=((P-P0)/P0)*100%
W%=((P-P0)/P)*100%
где Р—вес влажного тела;
Р0—вес абсолютно сухого тела.
Для указания содержания влаги в материале может быть применена любая из
этих величин. Переход от одной величины к другой может быть осуществлен по
соотношениям:
W=U/(1+U) (3)
U=W/(1-W) (4)
Так, например, и=1 соответствует W=0,5. На рис. показана зависимость
между U и W, построенная по соотношениям (1-4).
В определенных отраслях промышленности для указания содержания
влаги в материале применяются влагосодержание U или влажность W в
зависимости от установившихся традиций. Большей частью в теоретических
исследованиях и расчетах содержание влаги задается влагосодержанием и; в
производственных условиях в экспериментах для той же цели чаще применяют
влажность W.
При измерениях влажности необходимо учитывать формы ее связи с
материалом, а также особенности гигротермического равновесия материала с
окружающей воздушной средой.
Естественные и промышленные влагосодержащие материалы относятся к
коллоидным, капиллярно-пористым или капиллярно-пористым коллоидным телам. К
коллоидным телам принадлежат эластичные гели, студни, желатины, мучное
тесто и т. д. Примером капиллярно-пористых тел являются кварцевый песок,
слабо обожженные керамические материалы и т. д. Большинство влажных
материалов являются коллоидными, капиллярно-пористыми телами. Коллоидные
тела характеризуются малыми размерами капилляров, близкими к радиусу
действия молекулярных сил, и могут рассматриваться в общем случае также как
капиллярно-пористые тела. Способность материалов поглощать и отдавать влагу
определяется, с одной стороны, свойствам и твердого «скелета» материала, а
с другой - формой связи с ним влаги. На первую группу свойств наибольшее
влияние оказывают размеры капилляров. Различает три группы капиллярно-
пористых тел: микрокапиллярные, макрокапиллярные и гетеропорозные. У первых
радиус капилляров меньше 10-5 см, у вторых - больше этой величины, у
третьих - капилляры имеют разные размеры. На перенос влаги внутри
капиллярно-пористых тел влияют также форма капилляров, их расположение и
соединение, а также механические свойства материалов.
Наиболее полная классификация форм связи влаги с материалом дана П. А.
Ребиндером, исходя из интенсивности форм связи. В зависимости от энергии,
необходимой для удаления влаги из тела, связи делятся на химические, физико-
химические и физико-механические. К первой группе относятся наиболее
сильные связи: ионная и молекулярная. При этих формах связи вода как
таковая исчезает и ее молекулы входят в состав нового вещества (гидратная
вода). Химически связанная влага резко отличается по своим свойствам от
свободной; ее нельзя удалить сушкой или отжатием.
К физико-химическим связям относятся адсорбционная и осмотическая связи.
Первая характерна для гидрофильных и гидрофобных тел; удаление влаги
происходит испарением, десорбцией у гидрофильных тел или дезадсорбцией - у
гидрофобных. Осмотическая связь имеет место у растительных клеток с
концентрированным раствором, в которые вода проникает из окружающей среды,
с менее концентрированным раствором.
При наиболее слабой связи - физико-механической - вода удерживается в
неопределенных соотношениях. Связь может иметь структурный характер,
например, в студне образующих веществах. В микрокапиллярах связь образуется
поглощением воды из влажного воздуха или непосредственным соприкосновением
материала с водой, в макрокапиллярах—поглощением воды прямым
соприкосновением. В обоих случаях вода механически удерживается
адсорбционными силами у стенок. Основная масса воды, кроме связанной
адсорбционно, сохраняет свои свойства. Условием нарушения связи является
действие давления, превосходящего капиллярное. Наконец, связь смешиванием
образуется в непористых смачиваемых телах прилипанием воды при ее
соприкосновении с поверхностью тела. Удаление влаги, как и при структурной
связи, производится испарением.
Разграничение влаги по форме ее связи с сухим материалом представляет
сложную задачу, хотя для этого был предложен ряд методов, основанных на
использовании изменения физических (в том числе и электрических)
характеристик.
5.2 Описание и выбор метода измерения влажности
Методы измерения-влажности принято делить на прямые и косвенные. В
прямых методах производится непосредственное разделение влажного материала
на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется другая величина,
функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют
предварительной калибровки с целью установления зависимости между
влажностью материала и измеряемой величиной.
5.2.1 Метод высушивания
Наиболее распространенным прямым методом является метод высушивания,
заключающийся в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения
равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается
равноценным полному удалению влаги. На практике применяется высушивание до
постоянного веса; чаще применяют так называемые ускоренные методы сушки
В первом случае сушку заканчивают, если два последовательных
взвешивания исследуемого, образца дают одинаковые или весьма близкие
результаты. Так как скорость сушки постепенно уменьшается, предполагается,
что при этом удаляется почти вся влага, содержащаяся в образце.
Длительность определения этим методом составляет обычно от нескольких часов
до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение
определенного, значительно более короткого промежутка времени, при
повышенной температуре (например, стандартный метод определения влажности
зерна сушкой размолотой навески при +130°С в течение 40 мин). В последние
годы для ускоренной сушки ряда материалов стали применять инфракрасные
лучи, а в отдельных случаях—диэлектрический нагрев (токи высокой частоты).
Определению влажности твердых материалов высушиванием присущи следующие
методические погрешности:
а) При высушивании органических материалов наряду с потерей
гигроскопической влаги происходит потеря летучих; одновременно при сушке в
воздухе имеет, место поглощение кислорода вследствие окисления вещества.
б) Прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги, а
равновесию между давлением водяных паров в материале и давлением водяных
паров в воздухе.
в) Удаление связанной влаги в коллоидных материалах невозможно без
разрушения коллоидной частицы и не достигается при высушивании.
г) В некоторых веществах в результате сушки образуется
водонепроницаемая корка, препятствующая удалению влаги.
Некоторые из указанных погрешностей можно уменьшить сушкой в вакууме
при пониженной температуре или в потоке инертного газа. Однако для
вакуумной сушки требуется более громоздкая и сложная аппаратура, чем для
воздушно-тепловой.
При наиболее распространенной сушке (в сушильных шкафах) имеются
погрешности, зависящие от применяемой аппаратуры и техники высушивания.
Так, например, результаты определения влажности зависят от длительности
сушки, от температуры и атмосферного давления, при которых протекала сушка.
Температура имеет особенно большое значение при использовании ускоренных
методов, когда понижение температуры сильно влияет на количество удаленной
влаги. На результаты высушивания влияют также форма и размеры бюкс и
сушильного шкафа, распределение температуры в сушильном шкафу, скорость
движения воздуха в нем, возможность уноса пыли или мелких частиц образца и
т. д. Для материалов, подвергающихся перед определением влажности
измельчению, большое значение имеет убыль влаги в образце в процессе
измельчения. Эта убыль особенно велика, если при размоле имеет место нагрев
образца. С другой стороны, возможно поглощение влаги из окружающей среды в
промежутках
времени между окончанием сушки и взвешиванием образца.
В итоге высушивание представляет собой чисто эмпирический метод,
которым определяется не истинная величина влажности, а некая условная
величина, более или менее близкая к ней. Определения влажности, выполненные
в неодинаковых условиях, дают плохо сопоставимые результаты. Более точные
результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при пониженном
давлении (25 мм рт. ст. и ниже) до постоянного веса.
5.2.2 Дистилляционный метод
В дистилляционных методах исследуемый образец подогревается в сосуде с
определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой (бензол,
толуол, ксилол, минеральное масло и т. д.), до температуры кипения этой
жидкости. Пары, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном
сосуде, в котором измеряется объем, или вес воды. Дистилляционные методы в
различных модификациях и с использованием разных конструкций аппаратуры
были разработаны для различных материалов, в том числе и для жидких. Однако
дистилляционным методам также свойственны многие недостатки. Капли воды,
остающиеся на стенках холодильника и трубок, вызывают погрешности в
определениях. Применяемые растворители, как правило, огнеопасны, а
аппаратура хрупка и громоздка.
Методы высушивания и дистилляционные приняты в качестве стандартных
методов определения влажности большинства материалов.
5.2.3 Экстракционные методы
Экстракционные методы основаны на (извлечении влаги из исследуемого
образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и
определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его
влагосодержания: удельного веса, показателя преломления, температуры
кипения или замерзания и т.п. В электрических экстракционных методах
измеряются электрические свойства (удельное сопротивление, диэлектрическая
проницаемость) экстракта. Экстракционные методы дают наилучшие результаты
в применении к материалам, мелко измельченным или обладающим пористой
структурой, обеспечивающей проникновение экстрагирующей жидкости в.
капилляры.
5.2.4 Химический метод
Основой химических (методов является обработка образца твердого материала
реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в
образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или
газообразного продукта реакции. Наиболее распространенными химическими
методами являются карбидный (газометрический) метод и применена реактива
Фишера.
В первом методе измельченный образец влажного материала тщательно
смешивают с карбидом кальция в избыточном количестве, причем имеет место
реакция:
СаС2 + 2Н20 =Са(ОН)2 --С2Н2
Количество выделенного ацетиленового газа определяют измерением его
объема или по повышению давление в плотно закрытом сосуде. Обычно прибор
градуируют эмпирически, так как практически не вся вода участвует в реакции
и количество выделенного ацетилена не соответствует уравнению реакции.
Менее распространен химический метод определению влажности по повышению
температуры вследствие химической реакции реагента с влагой вещества; чаще
всего в качестве реагента используется серная кислота. Повышение
температуры смеси карбида кальция с материалом можно использовать также в
карбидном методе, так как реакция воды с СаС3 протекает с выделением тепла.
Иногда необходимо раздельное определение «поверхностной» и «внутренней»
влажности материала. Кроме способов, основанных на удалении поверхностной
влаги силикагелем, фильтровальной бумагой и т. п., можно применить
предложенный И. К. Петровым метод, по которому предварительно взвешенную
навеску материала опускают в воду измеряют ареометром, отградуированным в
граммах (для данного материала), силу, действующую на навеску, н по
разности весов навески определяют вес поверхностной влаги.
5.2.5 Метод СВЧ-влагометрии
Из методов измерения влажности, применяемых в промышленности, только
высокочастотная влагометрия может конкурировать по широте использования с
СВЧ-методом. Преимуществами СВЧ-влагометрии являются: возможность
бесконтактного измерения, относительная простота и дешевизна аппаратуры, а
в ряде случаев и хорошие метрологические характеристики. Метод основан на
измерении электрических параметров датчика с материалом или амплитуды или
(и) фазы прошедшей или отраженной волны в диапазоне до 30 ГГц. Различие
высокочастотных и СВЧ-методов вызвано как соизмеримостью длины волны с
минимальными характеристическими размерами объекта, так и особенностью
поведения связанной воды в гигагерцевом диапазоне.
Одно из уникальных свойств воды - аномально высокая диэлектрическая
проницаемость, вызванная тем, что оси 0-Н в молекуле воды имеют угол,
близкий к 105°. Эта особенность, обусловленная законами квантовой механики,
приводит к тому, что даже в отсутствие внешнего электрического поля
молекула воды обладает собственным дипольным моментом. Ориентация полярной
молекулы во внешнем поле отлична от ориентации неполярной молекулы при
электронной или ионной поляризации, когда деформируется только электронное
облако. При дипольной поляризации молекула поворачивается как единое целое,
поэтому на процесс поляризации влияют энергия связи воды со скелетом и
температура. Вращение молекулы отстает от вращающего момента, вызванного
переменным электромагнитным полем, за счет сил трения, уменьшающих также и
амплитуду результирующей поляризации. Это отставание удобно характеризовать
временем релаксации, которое для воды равно 0,6*10-11 с (Т = 293 К) и для
льда 10"5 с (Т< 273 К) [2.3J. Полимеризация воды со скелетом вблизи
поверхности твердой фазы приводит к увеличению времени релаксации до 10-
9—10-7 с. При совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой
диполей (область дисперсии) возрастают потери и диэлектрическая
проницаемость начинает зависеть от частоты.
5.2.6 Нейтронный метод
Нейтронный метод измерения влажности основан на замедлении быстрых
нейтронов при упругом столкновении их с атомами вещества. Так как массы
ядра и нейтрона соизмеримы, то при упругом столкновении происходит
уменьшение энергии нейтрона, равное энергии отдачи ядра. При столкновении с
легкими атомами, в частности с атомами водорода. потеря энергии может быть
весьма значительной. Анизотропный поток быстрых нейтронов, сохраняющий при
прохождении через вещество свое первоначальное направление, превращается в
изотропный поток тепловых нейтронов, которые можно регистрировать
детектором, расположенным в непосредственной близости от источника быстрых
нейтронов или в точке, удаленной на некоторое фиксированное расстояние.
В реальных средах, содержащих не только легкие, но и средние (с зарядом
Z > 35) ядра, быстрые нейтроны испытывают как упругие, так и неупругие
столкновения, а затем, когда в результате столкновений нейтрон потеряет
большую часть энергии, он начнет терять энергию только на упругих
столкновениях. В среде с легкими атомами роль неупругих столкновений
значительно слабее. Так, замедляющая способность воды вычислена с учетом
кислорода. Несколько большая замедляющая способность у парафина. Высокую
замедляющую способность углеводородов объясняет сильное влияние
органических примесей на точность при измерении влажности почв нейтронным
методом. Используя свойство разной замедленности нейтронов в материалах,
создаются нейтронные влагомеры.
5.2.7 Инфракрасные влагомеры
Известно, что в молекуле существуют два основных вида колебаний —
валентные и деформационные. Колебания, в условиях которых атомы остаются на
осях валентной связи, а расстояния между атомами периодически изменяются,
называют валентными. Под деформационными понимают колебания, в условиях
которых атомы отходят от оси валентных связей. Поскольку энергия
деформационных колебаний значительно меньше энергии валентных колебаний, то
деформационные колебания наблюдаются при больших длинах волн.
Валентные и деформационные колебания создают основные, обладающие
наибольшей интенсивностью полосы поглощения, а также обертонные полосы,
имеющие частоты, кратные основной. Интенсивность обертонных полос
поглощения меньше интенсивности основных.
Разграничение спектров по характеру поглощения совпадает с энергетическим
делением инфракрасной (ИК) области излучений на ближнюю область,
соответствующую области обертонов, и среднюю, соответствующую области
основных колебаний.
Главной особенностью ИК-спектров является то, что поглощение излучения
зависит не только от молекулы в целом, но и от отдельных групп
присутствующих в этой молекуле атомов. Это положение является
основополагающим для ИК спектрального анализа вещественного состава и
определения количеств тех или иных групп атомов, присутствующих в
исследуемом материале.
Получают и исследуют ИК-спектры с помощью специальных приборов —
спектрометров или спектрофотометров, в которых излучение источника
направляется на исследуемый образец через монохроматор, выделяющий из
интегрального пучка излучений монохроматическое излучение той или иной
длины волны.
Излучение, прошедшее через контролируемый материал, улавливается
приемником, а сигнал, формируемый приемником, усиливается и обрабатывается
электронным блоком. Обычно в видимой и ближней ИК-областях источниками
излучения служат лампы накаливания, а приемниками — фоторезисторы, например
PbS, GaS, InSb и т.п. В средней и дальней ИК-областях источниками излучений
могут быть накапливаемые керамические стержни, а приемниками - термопары,
болометры и т.п.
Количественный анализ содержания в контролируемом материале того или
иного компонента достаточно прост, если имеется полоса поглощения данного
компонента, не перекрывающаяся полосами поглощения других компонентов.
Тогда глубина полосы хорошо коррелируют с концентрацией исследуемого
компонента.
Прибор обычно регистрирует прозрачность характеризующую отношение
потока, прошедшего через вещество, к потоку, падающему на вещество:
5.2.8 Кондуктометрические датчики
Капиллярно-пористые влажные материалы с точки зрения физики
диэлектриков относятся к макроскопически неоднородным диэлектрикам. Их
неоднородность обусловлена в первую очередь наличием вкраплений влаги в
основной (сухой) материал. Кроме того, подавляющее большинство естественных
и промышленных материалов неоднородно по своему химическому составу,
содержит примеси, загрязнения и воздушные включения.
Для таких материалов характерно превалирующее влияние влажности на
электрические свойства материала. Являясь в сухом виде изоляторами с
удельным объемным сопротивлением Pv=1010—1015 ом-см и выше, в результате
увлажнения они становятся проводниками: величина Py понижается до 10-2—10-3
ом-см. Удельное сопротивление изменяется, следовательно, в зависимости от
влажности в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 12—18 порядков.
Неоднородность диэлектрика, наличие в нем влаги сказываются не только на
величине удельной проводимости, но и на качественных особенностях
электропроводности: на ее зависимости от температуры и напряженности
электрического поля.
5.2.9 Выбор метода
Для моего технического задания наиболее полно подходит
кондуктометрический метод измерения влажности.
Метод высушивания очень надежен, но имеет большую погрешность и
достаточно ограниченную область применения. Конструкция сушильных шкафов
достаточно сложна и дорогостояща.
Дистилляционный метод, как уже оговаривалось, имеет много недостатков,
таких как: огнеопасное и хрупкое оборудование, большая погрешность.
Экстракционный метод слишком сложн в своей постановке. Используются
расходные материалы.
Химический метод в отличие от других методов учитывает содержание
связанной воды в материале, достаточно прост, но использует расходные
материалы.
СВЧ-технология измерения влажности надежна, позволяет бесконтактно
измерять влажность материала, но по сравнению с кондуктометрическим методом
более сложен в исполнении.
Нейтронный метод измерения влажности имеет очень маленькую погрешность
(0,3-1%), удобен для измерения влажности почвы, бетона. Но слишком большой
объем навески (слой 10-20см или сфера D=15-40см), влияние на показания
органических примесей, фоновая радиоактивность, делает его не применимым к
текущему техническому заданию.
Инфракрасный влагомер сложен. Требует дополнительное дорогостоящее
оборудование (спектрометр, монохроматор).
В отличие от всех выше перечисленных методов кондуктометрические
датчики являются очень чувствительными (изменение удельного сопротивления
на 10-12 порядков), конструктивно легко выполнимы, не требуют дополнительно
дорогостоящих приборов в большей степени отвечает моему техническому
заданию, а главное дополнительному условию: измерение влажности сыпучих
материалов.
3. Выбор и описание датчика
Основным требованием, предъявляемым к датчикам электрических
влагомеров, является требование воспроизводимости факторов, влияющих на
результаты измерения. В связи с этим в некоторых датчиках предусматриваются
дополнительные устройства, предназначенные для создания одинаковых условий
подготовки или введения образца материала в междуэлектродное пространство.
Кроме того, к конструкции датчиков предъявляются и другие требования, как-
то: небольшой вес (особенно в переносных влагомерах), высокое сопротивление
изоляции, которое должно быть в несколько раз выше максимального
сопротивления материала между электродами. Последнее требование влечет за
собой необходимость тщательной очистки и наблюдения за состоянием изоляции
в процессе эксплуатации, особенно при возможности загрязнения или
увлажнения изоляции исследуемым материалом.
Для кондуктометрических влагомеров было разработано много конструкций
датчиков; ниже рассматриваются наиболее характерные датчики, нашедшие
практическое применение.
По принципу действия датчики для сыпучих материалов их можно разделить
на две группы:
1) датчики без уплотнения сыпучего материала
2) датчики с принудительным уплотнением материала в междуэлектродном
пространстве.
Основным недостатком датчиков первой группы является различная степень
уплотнения материала между электродами, сильно влияющая па электрические
характеристики материала. Скорость и высота падения материала при его
введении в датчик, случайные сотрясения и удары по датчику меняют
уплотнение. Для получения воспроизводимых условий измерения необходимы
специальные приспособления и соблюдение определенной методики введения
образца, обеспечивающие постоянство высоты и скорости падения материала в
таких датчиках. Даже при соблюдении этих условий электрическое
сопротивление материала при низкой влажности (до 12—13%) весьма велико, что
несколько усложняет измерение. Еще важнее то обстоятельство, что при
измерении сопротивления зернистых и кусковых материалов результат измерения
зависит от состояния поверхности отдельных зерен или кусков (например, от
ее шероховатости, запыленности). Также сильно влияет на результаты
гранулометрический состав материала. В этих датчиках трудно получить
постоянное сопротивление контакта материала с электродами.
По указанным причинам в настоящее время датчики без уплотнения
применяются только в автоматических влагомерах, где постоянство уплотнения
материала обеспечено самим измеряемым объектом и где полностью используются
преимущества рассматриваемого типа датчиков — простота конструкции и
удобство установки на потоке сыпучих материалов.
В датчиках неавтоматических кондуктометрических влагомеров чаще всего
применяют принудительное уплотнение образца сыпучего материала. При сжатии
сыпучих материалов их проводимость увеличивается вначале достаточно резко;
с повышением давления рост проводимости замедляется и, начиная с некоторой
величины давления, изменения давления почти не влияют на величину
сопротивления. Для уменьшения влияния колебаний степени уплотнения на
результаты измерении нередко приходится применять достаточно высокие
давления. В этом заключается основной недостаток датчиков с уплотнением:
большие усилия деформируют образец и в ряде случаев (например, при
измерении влажности зерна) частично его разрушают. Вместо материала в
естественном его состоянии объектом измерения становится искусственно
спрессованный брикет из этого материала. Электрическое сопротивление такого
брикета зависит и от механических свойств материала, таких, как твердость,
стекловидность зерна и т. п. При прессовании образцов высокой влажности
возможен частичный отжим влаги с ее выделением на электродах. Кроме того,
большие усилия приводят к повышенному износу датчика. Деформация или
разрушение образца материала при измерении влажности исключают возможность
повторного измерения, что также является эксплуатационным недостатком.
1. Влагомер ВП-4
Г. Б. Пузрин предложил в конце 30-х годов конструкцию зерна, в котором
постоянная навеска зерна подвергается сжатию в постоянном объеме с помощью
ручного пресса. Эта конструкция была применена, во влагомере ВП-4 Г. Б.
Пузрина для зерна, нашедшем в последующем значительное распространение в
хлебозаготовительной системе На рис.1 приложения … показана конструкция
электродного устройства влагомера ВЭ-2, представляющего собой модификацию
прибора ВП-4, разработанную в последние годы. Навеска зерна 1 (для пшеницы,
ржи, ячменя — 8 г, для овса — 7 г) насыпается в металлический стакан 2.
Одним из электродов служит кольцо 3. изолированное от стакана с помощью
прокладок 4. Второй, центральный, электрод 5 соединен с корпусом датчика.
Конструкция электродов рассчитана на уменьшение влияния сопротивления
торцовых частей брикета зерна. Пуансон 6 служит для уплотнения образца;
давление на пуансон создает ручной винтовой пресс, снабженный визирным
устройством, указывающим предел вращения зажимного винта при каждом
прессовании образца. Это устройство должно обеспечить постоянство давления
на образец при определениях влажности. Стакан 2 заключен в футляр 7 из
диэлектрика, который по замыслу авторов конструкции при выполнении
измерения предохраняет датчик от нагревания руками лаборанта. У описанного
датчика необходимо часто (по инструкции к прибору ВЭ-2 перед каждой сменой)
проверять правильность установки визирного устройства. Проверка выполняется
с помощью контрольного цилиндра, вставляемого в датчик; в случае
необходимости положение визирного устройства корректируется.
2. Влагомер для порошкообразных материалов
Датчик влагомера английской фирмы Маркони (Приложение … рис.1) Для
измельченных порошкообразных материалов состоит из двух основных частей:
ручного винтового пресса 1 и электродного устройства 2. Пресс имеет
металлическую скобу с накладкой 8 для поддержания датчика рукой, а также
опору 4 для установки на столе. Винт через пружину, смонтированную внутри
стакана 5, воздействует на толкатель 6, уплотняющий посредством пуансона 7
образец материала внутри полого цилиндра 8. Электродное устройство имеет
два металлических концентрических электрода: 9 и 10, электрод 9 имеет форму
кольца, 10—чашечки с круговым углублением. Рабочие поверхности электродов
расположены в одной плоскости; электроды смонтированы в корпусе, снабженном
гнездом 11 для подключения к измерительной цепи. В этом датчике в кольцевом
круговом зазоре между электродами, разделенными тверд | |
