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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Un resonador de cuarzo convierte cantidades no eléctricas en eléctricas. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / diseñador radioaficionado El resonador de cuarzo se utiliza no sólo para la estabilización de frecuencia y el filtrado de señales de radiofrecuencia. Al ser un sistema oscilatorio electromecánico de alta calidad, es adecuado para medir parámetros no eléctricos en el control tecnológico de productos, productos semiacabados y monitoreo ambiental. El convertidor de energía mecánica disipativo de cuarzo se fabrica sobre la base de un resonador de cuarzo especializado, en el que el elemento piezoeléctrico está recubierto con una sustancia sensible a la magnitud no eléctrica que se está midiendo. La señal eléctrica de salida del convertidor se envía a un instrumento de medición o a una computadora. Los objetos de control pueden ser medios gaseosos, líquidos y sólidos, incluidos cristales líquidos y biopolímeros, y las cantidades no eléctricas medidas pueden ser humedad, temperatura, conductividad eléctrica, térmica y lumínica, propiedades viscoelásticas, etc. Cuando el transductor se expone a una cantidad no eléctrica medida, cambia la resistencia activa equivalente del resonador de cuarzo, que es una medida de la disipación (dispersión) de las vibraciones elásticas del cuarzo. Se sabe que un resonador es un sistema oscilatorio electromecánico que contiene un elemento piezoeléctrico, sus electrodos con cables y un soporte. El elemento piezoeléctrico está tallado a partir de un cristal de cuarzo natural o sintético. Las vibraciones electromecánicas en el resonador se producen debido a los efectos piezoeléctricos directos e inversos inherentes al cuarzo. En la aplicación principal de un resonador (estabilización y filtrado de señales), su resistencia eléctrica (activa) equivalente Ra se denomina dinámica y se considera en su conjunto [1]. De hecho, se puede dividir en componentes: R0 - resistencia debido a la pérdida de energía de vibración en el propio cuarzo; Re - en electrodos; Ri - pérdidas debidas a la radiación ultrasónica; Rc - para vibraciones acopladas; Ra - pérdidas en el titular. Al utilizar un resonador de cuarzo en un convertidor de energía, fue necesario obtener fórmulas para calcular todos los componentes de la resistencia Ra, incluido Rп, que refleja pérdidas adicionales en el recubrimiento sensible: se aplica a la superficie del elemento piezoeléctrico para proporcionar una Señal de salida informativa proporcional al valor del parámetro no eléctrico controlado [2]. Al mismo tiempo, el convertidor debe tener una resistencia activa constante al cambiar parámetros no informativos. Para conseguir que Ra sea independiente de la temperatura, por ejemplo, deben excluirse las pérdidas debidas a las vibraciones asociadas en el resonador, lo que se consigue cambiando el diseño de los electrodos del elemento piezoeléctrico [3]. El cálculo de los componentes mediante las fórmulas de [2] permitió seleccionar el tipo de corte del elemento piezoeléctrico y determinar sus dimensiones óptimas. El corte óptimo para un convertidor de energía mecánica disipativo de cuarzo resultó ser un corte DT (yxl/-52 grados) con dimensiones de elemento piezoeléctrico de 14,5x6,1x0,25 mm; frecuencia de resonancia - 300 kHz, Ra = 236 Ohm (sin revestimiento sensible). El valor de la señal informativa del convertidor (cambio en la resistencia activa) está determinado por la fórmula
donde Kpr es el coeficiente de conversión igual a 5416,74 kOhm/kg; Δ y μ: el espesor del recubrimiento sensible y su viscosidad (fricción interna). Utilizando una película de nailon (poliproamida) como revestimiento sensible, cuya fricción interna depende de la humedad del aire, fue posible crear un convertidor de sensor de humedad, que se convirtió en la base de un medidor de humedad [4]. La resistencia dinámica del transductor en aire seco (con una humedad relativa del 20...30%) es de 1,2 kOhm, y en aire húmedo (90...95%) - 3,265 kOhm, lo que corresponde a una sensibilidad de al menos 26 ohmios/%. El medidor de humedad ha encontrado aplicación en los invernaderos de la granja estatal de Teplichny (Ivanovo), así como en las guías de ondas de la ciudad de Ivanovo y de las estaciones de televisión regionales. Tenga en cuenta que en invierno la temperatura en la guía de ondas puede bajar a -35...45, y en verano puede alcanzar +45 °C. Curiosamente, los conocidos medidores de humedad del aire VOLNA también utilizan como sensor un resonador de cuarzo con una película de nailon sensible a la humedad, pero utilizan la dependencia de la frecuencia de resonancia del cuarzo de la masa del recubrimiento sensible. Es difícil hacer un dispositivo de este tipo de tamaño pequeño (de bolsillo), ya que debe contener dos resonadores de cuarzo y dos autoosciladores. El mecanismo de disipación de la energía de las vibraciones elásticas de un elemento piezoeléctrico en un resonador es mucho más complejo; está asociado con procesos de relajación en el sensible recubrimiento polimérico y la profundidad de penetración de la onda elástica en él. Para obtener una sensibilidad óptima a la humedad, la película de polímero aplicada al elemento piezoeléctrico debe tener una cierta relación entre su viscosidad y elasticidad, que se logra agregando pegamento rígido de fenol-acetato de polivinilo (BF-2) al nailon viscoso. Tenga en cuenta que algunos polímeros que tienen un aumento significativo de masa en un ambiente húmedo tienen una pequeña dependencia de la fricción interna con la humedad y, por lo tanto, no son adecuados para un sensor de humedad debido a su baja sensibilidad. El diseño del convertidor utilizado como sensor de humedad del aire se muestra esquemáticamente en la Fig. 1]. A la placa de piezocuarzo 5 del corte DT con una frecuencia de oscilación natural de 1 kHz se le aplica un revestimiento conductor 300, al que están soldados los conductores de corriente 2. En el elemento piezoeléctrico están marcados los lugares de máximo desplazamiento B y deformación C. Estos Los lugares están conectados por tiras 3 de pegamento aplicado con una solución al 4% en alcohol etílico. La película sensible a la humedad 50 sobre la superficie de la placa consta de capas de polímeros con diferente sensibilidad a la humedad y viscoelasticidad.
La tecnología de capas es simple. Después de aplicar las tiras de pegamento, la placa se seca a una temperatura de 150 °C durante 60 ± 10 minutos para polimerizar el pegamento. Luego se sumerge en una solución de cola al 30% en alcohol etílico y se centrifuga en aire con una velocidad de rotación de 2000...2500 min"1 alrededor del eje de los cables durante 30...40 s. Esta fina película de cola , secado al aire, se aplica sobre una capa de nailon a partir de una solución al 150% en ácido fórmico. Las películas se secan nuevamente a una temperatura de XNUMX ° C. En este caso, no solo se produce la polimerización del pegamento y la difusión mutua de Se producen las películas, pero también la estabilización de las propiedades del recubrimiento. Luego aplicar una segunda capa fina de pegamento, dejar secar al aire, y una segunda capa de nailon con una solución al 3% en ácido fórmico. La placa se somete nuevamente a un secado en caliente, después de lo cual se verifica el parámetro de salida del convertidor: su resistencia dinámica Rc en aire seco. Si es pequeño, se aplican capas adicionales de pegamento y nailon hasta que Rc sea igual a 1,2 ± 0,1 kOhm. La tecnología descrita permite obtener sensores de humedad reproducibles en términos de parámetros operativos. Tienen una característica de conversión lineal, baja inercia y error de temperatura.
Sobre la base de este sensor, se creó un higrómetro de bolsillo (Fig. 2), capaz de monitorear la humedad del aire dentro del rango de 20...95% con una precisión de ±1%. El diagrama del circuito eléctrico de la unidad de medición del dispositivo se muestra en la Fig. 3.
El sensor BQ1 está conectado a uno de los brazos de un puente de medición autoequilibrado que funciona a una frecuencia de 300 kHz, en serie con un elemento de compensación que contiene la resistencia R1, el condensador C1 y el varicap VD1. La resistencia recortadora R5 se utiliza para configurar el modo puente, por ejemplo, al reemplazar el convertidor. La salida del puente a través del condensador C2 se conecta a su entrada a través de un amplificador en los transistores VT1, VT2 y el transformador de fase T1. La capacidad del varicap VD1 (de la serie KV102, KV104 o similar) sin suministrar tensión CC de control es máxima y la resistencia activa a una frecuencia de 300 kHz es mínima. Por esta razón, la resistencia activa del circuito VD1R1 a una frecuencia de 300 kHz también es mínima. Como resultado, se cumple la condición de autoexcitación del amplificador: la resistencia activa del brazo de medición del puente es menor que la resistencia del brazo de comparación, el puente está desequilibrado y su voltaje de salida es máximo. Después de la amplificación de la corriente mediante un seguidor de emisor en el transistor VT3, se suministra a la entrada de un detector realizado según un circuito de duplicación de voltaje (diodos VD4, VD5). El voltaje CC resultante se suministra a un convertidor analógico a digital con una pantalla de cristal líquido. El convertidor y el indicador están fabricados según un diseño estándar, por lo que en la Fig. 3 no mostrados. La resistencia R17 regula los límites de humedad controlada. Cambie SB1 para seleccionar el modo "Operación" o "Control de voltaje de suministro" (que es compatible con la resistencia R16). Así, simultáneamente con la recepción de una señal informativa determinada por el cambio en la resistencia dinámica del convertidor, que, a su vez, depende de la humedad, se garantiza el autoequilibrio automático del puente: voltaje de alta frecuencia de la resistencia variable R15 se suministra al detector (diodos VD2, VD3) y a través de la resistencia R6 al elemento de compensación (VD1R1C1). El voltaje de salida de CC del detector controla la resistencia activa del elemento de compensación y el cambio de la capacitancia del varicap VD1 implementa el equilibrio automático del puente. Cuando se enciende la alimentación, la resistencia activa del elemento de compensación es mínima, lo que asegura la autoexcitación del amplificador debido al desequilibrio del puente. Luego, una tensión de control constante, dependiendo del grado de desequilibrio, cambia la resistencia del elemento de compensación, reduciendo la resistencia del brazo de medición del puente y acercándola a la resistencia del brazo de comparación. No se produce un equilibrio total del puente, ya que en este caso no se excitan las autooscilaciones. Pero cuando la ganancia del amplificador Ku > 1000, el desequilibrio del puente es insignificante (unos 10 ohmios). Este modo de funcionamiento del puente de medida proporciona al convertidor secundario una alta estabilidad y la sensibilidad necesaria, regulada por la resistencia R15. El dispositivo funciona con una batería Krona (GB1), conectada mediante un interruptor de palanca SA1. La corriente consumida de la fuente es de 2...3 mA. El transformador está fabricado sobre un núcleo magnético de tamaño estándar K12x5x5 fabricado con ferrita M1000NM-A. Los devanados I y II contienen, respectivamente, 90 y 35 vueltas de alambre PELSHO 0,01. El devanado I con el condensador C4 forma un circuito resonante sintonizado a una frecuencia de 300 kHz. Con la fase correcta de los devanados del transformador, se produce retroalimentación positiva. Los convertidores disipativos de energía mecánica de cuarzo han encontrado una aplicación muy amplia. Se utilizan para medir las propiedades reológicas de la sangre humana en el diagnóstico de enfermedades [6], las propiedades viscoelásticas de los polímeros y para determinar la temperatura de las transiciones de fase en cristales líquidos y otros parámetros importantes. Tenga en cuenta que el método para estudiar los revestimientos viscoelásticos de placas de cuarzo fue desarrollado por nosotros antes que los científicos extranjeros. Para estos fines, utilizan el elemento piezoeléctrico de corte AT, que es menos informativo que DT. En la revista "Radio" [7] se incluye una fotografía de una exposición de radio de toda la Unión que sirve para indicar la presencia de agua en el combustible de aviación (autores V. E. Savchenko y N. I. Lobatsevich, Ivanovo). Se sabe que el agua disuelta en el combustible (milésimas de porcentaje) se congela a medida que disminuye la temperatura y, cuando precipita, puede obstruir los filtros de combustible, lo que puede provocar un accidente aéreo. Este dispositivo se utilizó con éxito en los aeródromos. Implementa la invención [8], que marcó el comienzo del uso de resonadores de cuarzo evacuados en convertidores de energía eléctrica disipativos para controlar los parámetros de disipación de los dieléctricos. Estos dispositivos se denominan medidores dieléctricos de cuarzo. Al considerar el circuito equivalente de un resonador de cuarzo en [1], se puede ver que cuando se excita a la frecuencia de una resonancia en serie, su inductancia dinámica y su capacitancia se compensan mutuamente. Si se conecta un sensor LED capacitivo en serie con el resonador, el resonador se desafina con respecto a la frecuencia de resonancia y la resistencia dinámica aumenta debido a la compensación incompleta de la resistencia inductiva por parte de los capacitivos. La capacitancia entre electrodos Co del resonador impide una compensación completa. El valor de la resistencia activa R del circuito del sensor capacitivo resonador se puede calcular mediante la fórmula
Si existen pérdidas dieléctricas en un sensor capacitivo, determinadas por la resistencia Rd, a la resistencia R se debe sumar la resistencia activa del sensor Ra.d, asociada a la disipación de la energía del campo eléctrico en el ambiente controlado donde se ubica el sensor:
La compensación parcial de la capacitancia del sensor mediante la reactancia inductiva del resonador permite medir pérdidas activas muy pequeñas en dieléctricos. Los dispositivos conocidos con circuitos oscilantes que contienen una bobina y un condensador no pueden controlar de forma fiable pequeñas pérdidas dieléctricas. Así, el medidor de factor de calidad E4-7 a una frecuencia de 50 kHz puede medir una resistencia activa de no más de 100 MOhm y con un error de ±5%. La determinación de la resistencia activa utilizando un transductor disipativo no requiere ajuste manual de resonancia. El puente de medición se autoequilibra automáticamente de la misma manera que se describe arriba (Fig. 3). Puede monitorear fácilmente una resistencia de hasta 10 GΩ con una precisión de no más del ±1 % con una capacitancia del sensor de 4 pF a 50 kHz. Con un sensor de 1 pF será posible medir una resistencia a pérdidas de más de 100 GΩ. Así, el convertidor descrito amplía significativamente las posibilidades de estudiar nuevos materiales con bajas pérdidas. Sobre esta base, la Comisión Estatal creó y aceptó los medidores de humedad de cuarzo VK-2, que se utilizan en la producción textil para controlar y regular la humedad de los materiales textiles en movimiento y los productos semiacabados. A diferencia de los dispositivos extranjeros de Mahlo con un propósito similar, el medidor de humedad VK-2 controla con precisión el contenido de humedad de los materiales hechos de fibras sintéticas, que se caracterizan por una baja absorción de humedad y pérdidas dieléctricas. El dispositivo VK-2 no tiene un rodillo con contacto de cepillo que rueda sobre la tela. Este se reemplaza por un capacitor de aire de aproximadamente 150 pF, formado por un cilindro estacionario conectado al instrumento y un cilindro que rueda sobre el material que se está probando. Entre los cilindros hay un espacio de aire de aproximadamente 0,5 mm. La reciente modernización del medidor de humedad con la transición a una nueva base de elementos ha mejorado sus características. El nuevo dispositivo IVK-4 simplifica el procedimiento operativo. Se ha desarrollado un dispositivo portátil para controlar la humedad de materiales a granel, por ejemplo, cereales, semillas de pepino, tomates, etc. Controla la humedad de dichos objetos en el rango de 2...30%. El error absoluto no supera el ±1% con una humedad de hasta el 15% y el ±1,5% con una humedad del 15% o más. El uso de un sensor inductivo en un transductor disipativo hizo posible crear un detector de fallas para detectar defectos ocultos en plásticos reforzados con fibra de carbono utilizados en importantes instalaciones industriales. Se obtuvieron resultados importantes durante un estudio utilizando un transductor de resistencia al hielo, que confirmó la posibilidad de registrar no solo agua en combustible líquido, sino también hielo a temperaturas de hasta -50 °C. Literatura
Autor: V.Savchenko, L.Gribova, Ivanovo
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