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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Um ressonador de quartzo converte quantidades não elétricas em elétricas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Designer de rádio amador O ressonador de quartzo é usado não apenas para estabilização de frequência e filtragem de sinais de RF. Sendo um sistema oscilatório eletromecânico de alta qualidade, é adequado para medir parâmetros não elétricos no controle tecnológico de produtos, produtos semi-acabados e no monitoramento ambiental. O conversor dissipativo de energia mecânica de quartzo é feito com base em um ressonador de quartzo especializado, no qual o elemento piezoelétrico é revestido com uma substância sensível à quantidade não elétrica medida. O sinal elétrico de saída do transdutor é alimentado a um dispositivo de medição ou a um computador. Os objetos de controle podem ser meios gasosos, líquidos e sólidos, incluindo cristais líquidos e biopolímeros, e as grandezas não elétricas medidas podem ser umidade, temperatura, condutividade elétrica, térmica e luminosa, propriedades viscoelásticas, etc. Quando o conversor é exposto a uma quantidade não elétrica medida, a resistência ativa equivalente do ressonador de quartzo muda, que é uma medida da dissipação (espalhamento) das oscilações elásticas do quartzo. Sabe-se que o ressonador é um sistema oscilatório eletromecânico contendo um elemento piezoelétrico, seus eletrodos com condutores e um suporte. O elemento piezelétrico é cortado de um cristal de quartzo natural ou sintético. As oscilações eletromecânicas no ressonador ocorrem devido aos efeitos piezoelétricos direto e reverso inerentes ao quartzo. Na aplicação principal do ressonador (estabilização e filtragem de sinais), sua resistência elétrica equivalente (ativa) Ra é denominada dinâmica e é considerada como um todo [1]. Na verdade, ele pode ser dividido em componentes: R0 é a resistência devido à perda de energia de vibração no próprio quartzo; Re - nos eletrodos; R e - perdas por radiação ultrassônica; Rc - para oscilações acopladas; Ra - perdas no suporte. Ao usar um ressonador de quartzo em um conversor de energia, foi necessário obter fórmulas para calcular todos os componentes da resistência Ra, incluindo Rp, que reflete perdas adicionais no revestimento sensível - é aplicado na superfície do elemento piezoelétrico para fornecer uma sinal de saída informativo proporcional ao valor do parâmetro não elétrico controlado [2]. Junto com isso, o conversor deve ter uma resistência ativa constante ao alterar parâmetros não informativos. Para alcançar a independência de Ra da temperatura, por exemplo, as perdas devido a oscilações acopladas no ressonador devem ser excluídas, o que é obtido alterando o design dos eletrodos no elemento piezoelétrico [3]. O cálculo dos componentes de acordo com as fórmulas em [2] permitiu escolher o tipo de corte do elemento piezelétrico e determinar suas dimensões ótimas. O corte DT (yxl/-52 graus) com dimensões de piezoelemento de 14,5x6,1x0,25 mm revelou-se ideal para um conversor dissipativo de energia mecânica de quartzo; frequência ressonante - 300 kHz, Ra = 236 Ohm (sem revestimento sensível). O valor do sinal informativo do transdutor (mudança na resistência ativa) é determinado pela fórmula
onde Kpr - fator de conversão igual a 5416,74 kΩ/kg; Δ e μ são a espessura do revestimento sensível e sua viscosidade (atrito interno). Utilizando como revestimento sensível uma película de nylon (polica-proamida), cujo atrito interno depende da umidade do ar, foi possível criar um conversor-sensor de umidade, que se tornou a base do medidor de umidade [4]. A resistência dinâmica do transdutor em ar seco (em umidade relativa de 20...30%) é de 1,2 kOhm, e em úmido (90...95%) - 3,265 kOhm, o que corresponde a uma sensibilidade de pelo menos 26 Ohm/%. O medidor de umidade encontrou aplicação na estufa da fazenda estadual Teplichny (Ivanovo), bem como nos guias de ondas da cidade de Ivanovo e nas estações de televisão regionais. Observe que no inverno a temperatura no guia de ondas pode cair para -35...45, e no verão pode chegar a +45 °C. Curiosamente, nos conhecidos medidores de umidade do ar VOLNA, um ressonador de quartzo com um filme sensível à umidade de náilon também é usado como sensor, mas usa a dependência da frequência ressonante do quartzo na massa do revestimento sensível. É difícil fazer tal dispositivo de tamanho pequeno (bolso), pois deve conter dois ressonadores de quartzo e dois auto-osciladores. O mecanismo de dissipação de energia das vibrações elásticas de um piezoelemento em um ressonador é muito mais complicado, está associado a processos de relaxamento em um revestimento de polímero sensível e à profundidade de penetração de uma onda elástica nele. Para obter uma ótima sensibilidade à umidade, o filme de polímero aplicado ao elemento piezoelétrico deve ter uma certa relação entre sua viscosidade e elasticidade, o que é obtido pela adição de adesivo rígido de fenol-polivinil acetato (BF-2) ao nylon viscoso. Observe que alguns polímeros, que possuem um incremento de massa significativo em um ambiente úmido, possuem uma pequena dependência do atrito interno com a umidade e, portanto, são inadequados para um sensor de umidade devido à sua baixa sensibilidade. O projeto do transdutor usado como sensor de umidade do ar é mostrado esquematicamente na fig. 1]. Na placa de piezoquartz 5 do corte DT com uma frequência de oscilação natural de 1 kHz, é aplicado um revestimento condutivo 300, ao qual são soldados os condutores de corrente 2. Os locais de deslocamento máximo B e deformação C são marcados no elemento piezoelétrico. Álcool etílico. O filme sensível à umidade 3 na superfície da placa consiste em camadas de polímeros com diferentes sensibilidade à umidade e viscoelasticidade.
A tecnologia de camadas é simples. Após a aplicação das fitas adesivas, a placa é seca a uma temperatura de 150 °C por 60 ± 10 min para polimerizar o adesivo. Em seguida, é mergulhado em uma solução de cola a 30% em álcool etílico e centrifugado ao ar com frequência de rotação de 2000 ... 2500 min "1 em torno do eixo dos condutores por 30 ... 40 s. Nesta película fina de cola, seca ao ar, uma camada de nylon é aplicada a partir de uma solução a 150% em ácido fórmico. Os filmes são secos novamente a uma temperatura de XNUMX ° C. Neste caso, não apenas a polimerização do adesivo e a difusão mútua de ocorrem os filmes, mas também a estabilização das propriedades do revestimento. Em seguida, aplica-se uma segunda camada fina de cola, seca ao ar, e uma segunda camada de nylon com solução de ácido fórmico a 3%. A placa é novamente submetida a secagem a quente, após o que o parâmetro de saída do transdutor é verificado - sua resistência dinâmica Rc no ar seco. Se for pequeno, são aplicadas camadas adicionais de cola e nylon até Rc ficar igual a 1,2 ± 0,1 kOhm. A tecnologia descrita permite obter sensores de umidade reprodutíveis em termos de parâmetros operacionais. Eles têm uma característica de conversão linear, baixa inércia e erro de temperatura.
Com base neste sensor, foi criado um higrômetro de bolso (Fig. 2), capaz de controlar a umidade do ar na faixa de 20 ... 95% com precisão de ± 1%. O diagrama do circuito da unidade de medição do instrumento é mostrado na fig. 3.
O sensor BQ1 está incluído em um dos braços da ponte de medição de auto-equilíbrio operando na frequência de 300 kHz, em série com um elemento de compensação contendo resistor R1, capacitor C1 e varicap VD1. O resistor trimmer R5 é usado para definir o modo de ponte, por exemplo, ao substituir o conversor. A saída da ponte através do capacitor C2 é conectada à sua entrada através de um amplificador baseado nos transistores VT1, VT2 e um transformador de fase T1. A capacitância do varicap VD1 (da série KV102, KV104 ou similar) sem fornecer uma tensão CC de controle é máxima e a resistência ativa a uma frequência de 300 kHz é mínima. Por esse motivo, a resistência ativa do circuito VD1R1 na frequência de 300 kHz também é mínima. Como resultado, a condição de autoexcitação do amplificador é atendida: a resistência ativa do braço de medição da ponte é menor que a resistência do braço de comparação, a ponte está desequilibrada, sua tensão de saída é máxima. Após a amplificação de corrente por um seguidor de emissor em um transistor VT3, ele entra na entrada de um detector feito de acordo com um circuito de duplicação de tensão (diodos VD4, VD5). A tensão DC resultante é alimentada a um conversor analógico-digital com uma tela de cristal líquido. O conversor e o indicador são feitos de acordo com o esquema padrão, portanto, na fig. 3 não são mostrados. O resistor R17 regula os limites de umidade controlada. O interruptor SB1 seleciona o modo "Operação" ou "Tensão de alimentação de controle" (que é suportado pelo resistor R16). Assim, simultaneamente ao recebimento de um sinal informativo determinado por uma alteração na resistência dinâmica do conversor, que, por sua vez, depende da umidade, é fornecido o autoequilíbrio automático da ponte: a tensão de alta frequência do resistor variável R15 é fornecido ao detector (diodos VD2, VD3) e através do resistor R6 ao elemento de compensação (VD1R1C1). A tensão constante de saída do detector controla a resistência ativa do elemento de compensação e a alteração da capacitância do varicap VD1 implementa o balanceamento automático da ponte. Quando a energia é ligada, a resistência ativa do elemento de compensação é mínima, o que garante a autoexcitação do amplificador devido ao desequilíbrio da ponte. Então uma tensão de controle constante, dependendo do grau de desbalanceamento, altera a resistência do elemento de compensação, reduzindo a resistência do braço de medição da ponte e aproximando-a da resistência do braço de comparação. O equilíbrio total da ponte não ocorre, pois neste caso as auto-oscilações não são excitadas. Mas com o ganho do amplificador Ku > 1000, o desequilíbrio da ponte é insignificante (cerca de 10 ohms). Este modo de operação da ponte de medição fornece ao conversor secundário alta estabilidade e a sensibilidade necessária, regulada pelo resistor R15. O dispositivo é alimentado por uma bateria "Krona" (GB1), conectada à chave seletora SA1. A corrente consumida da fonte é de 2...3 mA. O transformador é feito em um circuito magnético de tamanho K12x5x5 de ferrite M1000NM-A. Os enrolamentos I e II contêm 90 e 35 voltas de fio PELSHO 0,01, respectivamente. O enrolamento I com capacitor C4 forma um circuito ressonante sintonizado na frequência de 300 kHz. Com o faseamento correto dos enrolamentos do transformador, ocorre uma realimentação positiva. Os conversores dissipativos de energia mecânica de quartzo encontraram uma aplicação muito ampla. Eles são usados para medir as propriedades reológicas do sangue humano no diagnóstico de doenças [6], as propriedades viscoelásticas dos polímeros, determinar a temperatura das transições de fase em cristais líquidos e outros parâmetros importantes. Observe que o método para estudar revestimentos viscoelásticos de placas de quartzo foi desenvolvido por nós antes de cientistas estrangeiros. Eles usam para esse fim o elemento piezoelétrico de corte AT, que é menos informativo do que DT. A revista "Radio" [7] publicou uma fotografia de uma exposição da exposição de rádio de toda a União usada para indicar a presença de água no combustível de aviação (autores V.E. Savchenko e N.I. Lobatsevich, Ivanovo). Sabe-se que a água dissolvida (milésimos por cento) no combustível congela com a diminuição da temperatura e, ao precipitar, pode entupir os filtros de combustível, podendo causar um acidente com a aeronave. Este dispositivo foi usado com sucesso em aeródromos. Ele implementa a invenção [8], que marcou o início do uso de ressonadores de quartzo evacuados em conversores de energia elétrica dissipativa para controlar os parâmetros de espalhamento de dielétricos. Esses dispositivos são chamados de dielcômetros de quartzo. Da consideração do circuito equivalente do ressonador de quartzo em [1], pode-se ver que quando excitado na frequência da ressonância série, sua indutância dinâmica e capacitância são mutuamente compensadas. Se um LED de sensor capacitivo for conectado em série com o ressonador, o ressonador é dessintonizado em relação à frequência ressonante e a resistência dinâmica aumenta devido à compensação incompleta da resistência indutiva pelas capacitivas. A compensação completa é evitada pela capacitância Co entre eletrodos do ressonador. O valor da resistência ativa R do circuito do sensor ressonador-capacitivo pode ser calculado pela fórmula
Se houver perdas dielétricas no sensor capacitivo, determinadas pela resistência Rd, deve-se somar a resistência ativa do sensor Ra.d à resistência R, que está associada à dissipação da energia do campo elétrico em um ambiente controlado onde o sensor está localizado:
A compensação parcial da resistência capacitiva do sensor pela resistência indutiva do ressonador permite medir perdas ativas muito pequenas em dielétricos. Dispositivos conhecidos com circuitos oscilatórios contendo uma bobina e um capacitor não podem controlar com segurança pequenas perdas dielétricas. Assim, o E4-7 Q-meter a uma frequência de 50 kHz pode medir a resistência ativa de não mais que 100 MΩ e com um erro de ± 5%. A determinação da resistência ativa usando um transdutor dissipativo não requer ajuste manual para ressonância. A ponte de medição se equilibra automaticamente da mesma forma descrita acima (fig. 3). Ele pode controlar facilmente a resistência ativa de até 10 GΩ com um erro não superior a ±1% com uma capacitância do sensor de 4 pF a uma frequência de 50 kHz. Com um sensor de 1 pF será possível medir resistências de perda maiores que 100 GΩ. Assim, o transdutor descrito amplia significativamente as possibilidades de estudo de novos materiais com baixas perdas. Com base nisso, os medidores de umidade de quartzo VK-2 foram criados e adotados pela Comissão Estadual, usados na produção têxtil para controlar e regular a umidade de materiais têxteis em movimento e produtos semiacabados. Ao contrário de dispositivos estrangeiros de finalidade semelhante da Mahlo, o medidor de umidade VK-2 controla com alta precisão o teor de umidade de materiais feitos de fibras sintéticas, que são caracterizados por baixa absorção de umidade e perdas dielétricas. No dispositivo VK-2, não há rolo com contato de escova rolando sobre o tecido. Ele é substituído por um capacitor de ar com capacidade de aproximadamente 150 pF, formado por um cilindro estacionário conectado ao instrumento e um cilindro rolando sobre o material a ser testado. Entre os cilindros existe um espaço de ar de cerca de 0,5 mm. A recente modernização do medidor de humidade com a transição para uma nova base elementar permitiu melhorar as suas características. O novo dispositivo IVK-4 simplifica o procedimento de operação. Um dispositivo portátil foi desenvolvido para controlar o teor de umidade de materiais a granel, por exemplo, grãos, sementes de pepino, tomate, etc. Ele controla o teor de umidade de tais objetos na faixa de 2 ... 30%. O erro absoluto não excede ±1% em umidade até 15% e ±1,5% em 15% e mais. A utilização de um sensor indutivo em um transdutor dissipativo possibilitou a criação de um detector de falhas para detecção de defeitos ocultos em plásticos reforçados com fibra de carbono utilizados em importantes instalações industriais. Resultados importantes foram obtidos no estudo usando um transdutor de resistência ativa de gelo, que confirmou a possibilidade de registrar não apenas água em combustível líquido, mas também gelo em temperaturas de até -50 °C. Literatura
Autor: V.Savchenko, L.Gribova, Ivanovo
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