Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=180 Дата изменения: Fri May 5 15:26:14 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:34:15 2012 Кодировка: koi8-r

АННОТАЦИЯ


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 внешнего давления, вибрации.

2. Методы исследования:
Изучение специальной литературы (об электролитах,
барометрических системах, интегральных микросхемах).
Использование методики Альтшуллера для нахождения возможных
путей решения. Экспериментальная проверка собственных идей и
предположений. Разработка действующей модели. Тестирование
модели. Обобщение полученных результатов.

3. Экспериментальные данные:
Была получена информация об электропроводности различных
растворов общедоступных веществ. Кроме того, были получены
косвенные данные о процессах, 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


1. Проблема:
Развитие современной техники поражает воображение. Применение
новейших научных разработок позволяет модернизировать
практически всю физическую(подчас и умственную.)деятельность
человека. Однако применение последних технических решений на
практике зачастую связано с финансовыми
трудностями. Так например для «считывания» вибраций поверхностей
первоначально применяли угольные элементы(при встряхивании
угольная крошка изменяет сопротивление электрическому току), на
смену пришли пьезодатчики(сигнетоэлектрики), а в настоящее время
практически повсеместно используются полупроводники.
Чувствительность этих приборов высока (до10-5Па).
Спектр применения крайне широк: от школьных уроков физики до
разведывательных устройств. Цена же заставляет искать другой
подход к интересующему 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
распространённых 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 щелочей в воде - являются хорошими проводниками
электрического тока. Действительно, 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, находящихся
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*10-31кг, то ионы обладают значительно большей
массой( масса электронов не учитывается при количественном
химическом расчёте в школе!), кроме того, в растворе движется не
сам ион, а сольват - шар, состоящий из притянутых к иону молекул
воды, что сильно затрудняет его(иона) перемещение. Сильнейшее
электростатическое поле ионов частично компенсирует силу
сопротивления среды. Однако в целом
электропроводность водных электролитов значительно ниже чем у
проводников(металлов и др.)(см. Приложение1.). Количественно к
электролитам применим закон Ома в дифференциальной форме(краткое
доказательство - см.Приложение2): j=E?. Это говорит о
возможности использования электролитов 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. Поэтому используем обычную дистиллированную воду. В
опытах использовались: поваренная соль(NaCl), медный
купорос(CuSO4*6H2O), хлорид железа(VI), хлорид меди(II), соляная
и серная кислоты, натриевая и калийная щелочи, и, наконец, йодид
калия(KJ). См. Отчёт1 Особо хочется отметить поведение
последнего вещества. Если всё ранее перечисленное в водных
растворах крайне слабо реагировало на внешние механические
воздействия(удары по ёмкости, 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
электроотрицательности. В любом случае полученное быстродействие
слишком велико для окончательных выводов. Необходимо
сконструировать корпус, уменьшающий быстродействие и
увеличивающий избирательность датчика(ведь наша 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=10100000, что говорит о невозможности использования наиболее
простого подхода - использовать простую ёмкость с несколькими
электродами. Значит нужно техническое уменьшение вероятности
этого перехода. Возьмём герметичную перегородку и просверлим 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 10-6мм, поэтому пропускная способность
отверстия будет дня них далеко не безграничной. Но теперь
быстродействие стало чрезвычайно низким, а это неприемлемо.
Вставим электрод(положительный) в перегородку и просверлим ещё
одно 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
специально 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 преобразователя. Принципиальная схема прибора - см.
Приложение.5.


5. Подведение итогов.
Таким образом был разработан датчик, позволяющий(при должном
качестве сборки) наблюдать интереснейшее физическое явление -
распространение колебаний в упругой среде. В качестве
завершающего эксперимента была предпринята попытка прослушивания
соседних с рабочим местом помещений(при помощи разработанного
датчика и персонального компьютера). Подчёркивая чисто научный
интерес данного мероприятия, могу говорить об его успешности.
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 возмущений 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 превышения порога - колебания среды. Более того,
электролитом может служить не только указанный 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
важен 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 ионизироваться (вспомним школьный опыт
с плоским воздушным конденсатором: как только между пластинами появляется
огонь, гальванометр фиксирует наличие электрического тока). Дальше всё
происходит уже описанным образом.
Для примера приведу эскиз подобного устройства:

[pic]


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

R=?l/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 низкоомным!), 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)

[pic]












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 сумма 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-)



Скорость упорядоченного движения сольватов можно найти из следующих
соображений. На сольват действует электрическая сила F = qE и сила
сопротивления трения T=6??rv , где г - радиус сольвата и Т) - вязкость
жидкости. Сольват движется равномерно, когда сила сопротивления
уравновешивает электрическую силу: qE=6??rv Отсюда получим выражение для
скорости сольватов
v=qE/6??r

и для их подвижности

? ' v/E = q/6??r


Из вышенаписаннго следует, что для электролитов должен выполняться закон
Ома:

j = qn(? + + ? -)E = ?E











Приложение3.





























































Приложение4.
















































Приложение5.


[pic]
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.







Отчёт1


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.


[pic]











УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ


МКТ - молекулярно-кинетическая теория

др. - другое (другие)

т.к. - так как

т.е. - то есть



ОУ - операционный усилитель





R - резистор
[pic]

С - конденсатор






























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.


















СОДЕРЖАНИЕ


Аннотация.............................1

Введение ...........................2

Научная статья ........................3-5

Примечание к работе....................6-7

Приложение 1..........................8
.
Приложение 2..........................9

Приложение 3.........................10

Приложение 4.........................11

Приложение 5.........................12

Отчёт1............................13

Условные обозначения......................14

Список литературы......................15

Содержание ........................16





















-----------------------
Центральное отверстие

Катоды

Анод

Герметичный корпус

Герметичный корпус

Электроды

Исследуемый электролит