Автор: Пользователь скрыл имя, 31 Марта 2015 в 22:52, курсовая работа
В данной работе будет описано, что из себя представляет пьезоэлектрический эффект, каким он может быть, какие силы преобразуются при его возникновении. Будет рассказано о пьезоэлектриках и пьезоэлектрических преобразователях, на какие группы они делятся и на основе чего, какие процессы происходят внутри него. Также будет рассказано о том, из каких материалов происходит изготовление пьезоэлектриков, какими свойствами они обладают, для каких из них существует возможность для их добывания человеком, а также возможность изготовления их искусственным путем, с какой целью их применяют.
Также у них есть и свои преимущества в эксплуатации: обслуживание не нужно, не нуждается в калибровке, довольно низкая стоимость, гибкий датчик уровня и быстрый ввод в эксплуатацию.
Данные преобразователи используются в определенных сферах и имеют свою область применений:
4. Применяются для контроля уровня на грузовых морских суднах, а также при соблюдении соответствия гигиеническим нормам[2].
Существует на данный момент несколько концепций пьезоэлектрических вилочных преобразователей, которые будут описаны ниже.
А) LFV200 и LFV300 - это универсальные преобразователи уровня, дающие возможность нам вовремя определять превышение заданного уровня жидкости с точностью вплоть до миллиметра. Данные преобразователи можно применять для оповещения о переполнении емкости вне зависимости от максимальной емкости резервуара, в качестве сигнализаторов снижения уровня, чтобы защитить насос от холостой работы оборудования (без воды) и т.д. Они не нуждаются в обслуживании и очень стойкие к изнашиванию во время эксплуатации.
Б) LFV330 - это модель вибрационного преобразователя, используемая для вертикального монтажа с рабочим расстоянием до 6 метров. Преобразователь обладает полированной поверхностью (Ra <0.8μm) и специализированными разъемами, что дает возможность для использования датчика уровня в соответствии с самыми строгими гигиеническими требованиями[1].
Характеристики:
Обладает герметичным корпусом из довольно стойкого материала к коррозии, малыми габаритами, высокой чувствительностью и надёжностью, широким диапазоном рабочих температур и давлений.
Принцип работы:
Сначала попарно монтируют преобразователи в элементы трубопровода с проходом от 25 до 200миллиметров за телом обтекания, сами преобразователи регистрируют вихри, частоту и количество которых пропорционально скорости потока и объемному расходу.
Назначение:
Предназначение пьезоэлектрических преобразователей давления - преобразование быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал. Применяют их в первичных преобразователях скорости потока вихревых счетчиков воды, газа, пара и иных однородных сред[1].
Данный пьезопреобразователь могут применять в скважинной сейсмометрии и даже в аппаратуре, которую применяют для выявления заколонных перетоков флюидов в обсаженных скважинах, где в качестве датчиков применяются пьезодатчики давления, работающие на применении прямого пьезоэффекта[6].
Принцип работы: лямбда-зонд (далее ЛЗ) работает по принципу гальванического элемента с твердым электролитом в виде керамики из диоксида циркония (ZrO2). В керамику добавляется оксид иттрия (Y2O3), а поверх нее наносят токопроводящие пористые обкладки из платины. Первая обкладка чувствительна к выхлопным газам, а вторая к воздуху из атмосферы. Однако ЛЗ только после прогрева до 300-400 градусов по Цельсию может обеспечить эффективное измерение остаточного кислорода в отработавших газах. Именно в таких условиях циркониевый электролит приобретает проводимость. Разница в количестве атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе приводит к возникновению выходного напряжения на электродах ЛЗ.
Во время запуска и прогрева холодного двигателя управление впрыском топлива осуществляется без участия этого датчика. Корректировка состава топливно-воздушной смеси производится исходя из сигналов других датчиков (например, температура охлаждающей жидкости, положение дроссельной заслонки). Циркониевый ЛЗ обладает такой особенностью, что при незначительных отклонениях состава смеси от идеального напряжение на его выходе резко изменяется от 0,1 до 0,9 В.
Также кроме циркониевых датчиков существуют кислородные датчики на основе двуокиси титана (TiO2). Если изменяется содержание кислорода в отработавших газах, то они изменяют свое объемное сопротивление. Титановые датчики генерировать ЭДС не могут; они сложны конструктивно и дороже циркониевых, поэтому они не получили широкого распространения, несмотря на применение в некоторых автомобилях.
Применение:
Вслед за установлением жестких экологических норм последовало узаконивание применения на автомобилях каталитических нейтрализаторов (другими словами катализаторов) – это такие устройства, которые способствуют уменьшению концентрации ядовитых веществ в выхлопных газах. Катализатор является очень хорошей вещью, но, к сожалению, он работает хорошо лишь при строго определенных условиях. Катализатор прослужит долго только при постоянном контроле состава топливно-воздушной смеси, именно для этой цели и нужен ЛЗ.
Предназначением ЛЗ является определение количества кислорода, содержащегося в отработавших газах, состав которых зависит от соотношения топлива и воздуха в смеси, которая подается в цилиндры двигателя. Мы получаем информацию из ЛЗ в виде напряжения или изменения сопротивления, данные сведения применяются электронным блоком управления впрыском или карбюратором для поправки объема топлива, которое подается. Масса воздуха равная 14,7кг является нужной для полного сгорания 1кг горючего. Данный состав топливно-воздушной смеси называется стехиометрическим, при такой смеси достигается самая низкая концентрация ядовитых веществ в отработавших газах и, конечно, успешное их "дожигание" в катализаторе. При стехиометрической смеси лямбда равна единице, если лямбда меньше единицы, то есть недостаток воздуха, и смесь называется богатой, если лямбда больше 1, то считается, что избыток воздуха, а смесь называется бедной. Мы можем достигнуть наибольшей экономичности при полностью открытой дроссельной заслонке бензинового двигателя, если λ=1,1-1,3, а максимальная мощность обеспечивается при λ=0,85-0,9
Недостатки ЛЗ: датчик начинает свою работу лишь при превышении 573 градусов по Кельвину. Пока является не достигнутой данная температура, ЛЗ не работает и не выдает сигнала. Следовательно, ЛЗ нужно размещать на минимальном удалении от цилиндров двигателя, для его подогрева и наилучшего обтекания горячим потоком выхлопных газов. Однако происходит затягивание процесса нагрева ЛЗ, что вводит опоздание в момент включения обратной связи в работу контроллера. Чтобы использовать саму трубу в качестве проводника сигнала, необходимо нанести на резьбу специальную токопроводящую смазку во время установки ЛЗ в выхлопной трубопровод, что повышает вероятность сбоя в цепи обратной связи[1].
Используются глубиномеры микрометрические для измерения глубины пазов и высоты уступов до 300 миллиметров.
Изготавливают глубиномеры:
1) с отчетом по шкалам стебля и барабана.
2) с отчетом по электронному цифровому устройству и шкалам стебля и барабана[1].
Для измерения глубиномер устанавливается основанием на исследуемую деталь, измерительный наконечник доводится до дна паза с помощью вращения трещоткой. Измеренную величину определяют с помощью продольной шкалы, которая нанесена на барабане инструмента. Чтобы зафиксировать измерительный наконечник используется стопор.
Диапазон измерения у микрометрических глубиномеров составляет по шкале 25мм; общие диапазоны измерений - до 300мм, это обеспечивается при помощи наборов специальных удлинителей с размерами 25, 50, 75, 100 и 125мм и так далее до 275мм, которые изготавливаются с высокой точностью. Цена деления данных инструментов - 0,01мм; также являются установленными разрешаемые погрешности микрометрических глубиномеров: ГОСТ 7470—78 я - в нем говорится о том, что погрешности для глубиномеров 1-го класса должны быть не более ±3 мкм (для инструментов с диапазонами измерения до 100мм) и не более ±4мкм (для инструментов с диапазонами измерения 100—150мм); для глубиномеров 2-го класса соответственно ±5 мкм и ±6 мкм (для диапазонов до 150мм и выше)[3].
При установке пьезоэлектрических преобразователей на реактивных самолетах дает возможность сэкономить около трети топлива, которое раньше использовалось для выработки электроэнергии, таким образом, это увеличивает дальность полета на некоторое расстояние. В данном случае непосредственно в электроэнергию преобразуются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев.
В мире существуют пьезоизлучатели, их используют с целью генерирования ультразвука на частотах до 50Гц. Главной частью этого излучателя является пластинка, сделанная из пьезоэлектрика, которая производит вынужденные механические из-за обратного пьезоэффекта.
Существует информация о том, что в будущем будут созданы специальные звукоизолирующие перегородки для многоквартирных домов, они будут сделаны из пьезоэлектрика. В данной технологии будет использован двойной эффект, то есть будет происходить поглощение шума, при этом будет вырабатываться электроэнергия, например, для обогревания квартир.
Также компания «Филипс» работает над своей будущей разработкой, а именно над пьезоприводом для механизмов малой мощности. Собственно, этой же фирмой были созданы светофоры, батареи которого могут заряжаться от шума, производимого автомобилями на перекрестке[4].
Пьезоэлектрический эффект был открыт довольно давно, и на данный момент мы знаем, что он обратим, также со временем люди научились применять его в преобразователях. В современном мире пьезоэлектрические преобразователи используются в совершенно различных сферах нашей жизни и в разных целях. В них используются прямой пьезоэлектрический эффект, обратный пьезоэлектрический эффект и их комбинация. В зависимости от этого их подразделяют на 3 группы. К сожалению, они несовершенны и имеют некоторые неудобства в применении, как, например, лямбда – зонд, начинающий работать только при температуре свыше 300˚C и, соответственно, вытекающие из этого последствия. Конечно же, они имеют и свои преимущества, и благодаря этому их довольно широко используют. Они позволяют провести очень точные подсчеты при измерении тех или иных величин в зависимости от их предназначения. Также для их изготовления применяются все более новые синтетические вещества, которые могут заменять трудно доступные для нас природные материалы. Правда, они тоже не идеальны и не всегда удобны для использования, так как на них очень сильно влияют температурная зависимость и шунтирующая емкость. На мой взгляд, что свойства пьезоэлектриков и в дальнейшем будут использоваться в различных технологиях на благо человечества, так как уже на данном этапе развития этой идеи придумано очень много хороших вещей, и уже проводятся разработки для использования в будущем.