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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Instalación ultrasónica de demostración. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Electrónica en la vida cotidiana. El artículo describe el diseño de la configuración ultrasónica más simple diseñada para demostrar experimentos con ultrasonido. La configuración consta de un generador de vibraciones ultrasónicas, un emisor, un dispositivo de enfoque y varios dispositivos auxiliares que permiten demostrar varios experimentos que explican las propiedades y los métodos de uso de las vibraciones ultrasónicas. Usando la configuración ultrasónica más simple, se puede mostrar la propagación del ultrasonido en varios medios, la reflexión y la refracción del ultrasonido en el límite de dos medios y la absorción del ultrasonido en varias sustancias. Además, es posible mostrar la producción de emulsiones de aceite, la limpieza de piezas contaminadas, soldadura ultrasónica, fuente de líquido ultrasónico, el efecto biológico de las vibraciones ultrasónicas. La fabricación de una instalación de este tipo puede llevarse a cabo en talleres escolares por estudiantes de secundaria. La instalación para demostrar experimentos con ultrasonido consta de un generador electrónico (Fig. 1), un convertidor de cuarzo de oscilaciones eléctricas en ultrasónicas y un recipiente de lentes (Fig. 2) para enfocar el ultrasonido. Solo el transformador de potencia Tr1 está incluido en la fuente de alimentación, ya que los circuitos de ánodo de las lámparas del generador se alimentan directamente con corriente alterna (sin rectificador). Tal simplificación no afecta negativamente el funcionamiento del dispositivo y, al mismo tiempo, simplifica significativamente su diseño y diseño. El generador electrónico está hecho según un circuito push-pull en dos lámparas 6PZS conectadas según un circuito triodo (las rejillas de pantalla de las lámparas están conectadas a los ánodos). El circuito L1C2, que determina la frecuencia de las oscilaciones generadas, está incluido en los circuitos de ánodo de las lámparas, y la bobina de retroalimentación L2 está incluida en los circuitos de rejilla. Se incluye una pequeña resistencia R1 en los circuitos del cátodo, que determina en gran medida el modo de las lámparas.
La señal de alta frecuencia se alimenta al resonador de cuarzo a través de los condensadores de acoplamiento C4 y C5. El cuarzo se coloca en un soporte de cuarzo hermético (Fig. 2) y se conecta al generador con cables de 1 m de largo.
Además de los detalles considerados, también hay condensadores C1 y C3 en el circuito, así como un inductor Dr1 a través del cual se aplica el voltaje del ánodo a los ánodos de las lámparas. Este inductor evita que la señal de alta frecuencia se cortocircuite a través del condensador C1 y la capacitancia entre vueltas del transformador de potencia. Las principales partes caseras del generador son las bobinas L1 y L2, hechas en forma de espirales planas. Para su fabricación, es necesario cortar una plantilla de madera. Se cortan dos cuadrados de una tabla de 25 cm de ancho, que sirven como las mejillas de la plantilla. En el centro de cada mejilla, se deben hacer agujeros para una varilla de metal con un diámetro de 10-15 mm, y en una de las mejillas, se debe cortar un orificio o ranura de 3 mm de ancho para conectar la salida de la bobina. Se corta un hilo en una varilla de metal en ambos extremos y se colocan mejillas entre dos tuercas a una distancia igual al diámetro del alambre enrollado. Sobre esto, la fabricación de la plantilla puede considerarse completa y proceder al bobinado de las bobinas. La varilla de metal se sujeta en un extremo en un tornillo de banco, la primera vuelta (interior) del cable se coloca entre las mejillas, después de lo cual se aprietan las tuercas y continúa el bobinado. La bobina L1 tiene 16 vueltas y la bobina L2 tiene 12 vueltas de alambre de cobre con un diámetro de 3 mm. Las bobinas L1 y L2 se fabrican por separado, luego se colocan una encima de la otra en un travesaño de textolita o plástico (Fig. 3). Para dar mayor resistencia a las bobinas, se cortan huecos en las cruces con una sierra para metales o una lima. Para fijar las bobinas, una de ellas debe presionarse desde arriba con una segunda cruz (sin huecos), y la segunda debe colocarse directamente sobre una placa de vidrio orgánico, getinaks o plástico, montada en un chasis metálico del generador.
El inductor de alta frecuencia se enrolla en un marco de cerámica o plástico con un diámetro de 30 mm con un cable PELSHO-0,25 mm. El bobinado se realiza a granel en tramos de 100 vueltas cada uno. En total, el acelerador tiene 300-500 vueltas. En este diseño, se utiliza un transformador de potencia de fabricación propia, fabricado en un núcleo de placas Sh-33, el grosor del conjunto es de 33 mm. El devanado de la red contiene 544 vueltas de cable PEL-0,45. El devanado de la red está diseñado para ser conectado a una red con un voltaje de 127 V. En el caso de utilizar una red con un voltaje de 220 V, el devanado I debe contener 944 vueltas de cable PEL-0,35. El devanado elevador tiene 2980 vueltas de cable PEL-0,14 y el devanado de filamento de las lámparas tiene 30 vueltas de cable PEL-1,0. Tal transformador puede ser reemplazado por un transformador de potencia de la marca ELS-2, utilizando solo el devanado principal, el devanado de filamento de las lámparas y el devanado elevador por completo, o por cualquier transformador de potencia con una potencia de al menos 70 VA y con un devanado elevador, proporcionando una carga de 470 V en los ánodos de las lámparas 6PZS. El soporte de cuarzo está hecho de bronce según el dibujo colocado en la fig. 4. En la caja, con un taladro de 3 mm de diámetro, se perfora un orificio en forma de L para sacar el hilo L. En la caja se introduce un anillo de goma e, que sirve para amortiguar y aislar el cuarzo. El anillo se puede cortar con un borrador de lápiz normal. El anillo de contacto b está recortado de una lámina de latón de 0,2 mm de espesor. Este anillo tiene una pestaña para soldar el cable. Ambos cables l y y deben tener un buen aislamiento. El cable y está soldado a la brida de soporte O. No se recomienda torcer los cables juntos.
El recipiente de la lente consiste en un cilindro e y una lente ultrasónica b (Fig. 5). El cilindro se dobla a partir de una placa de plexiglás de 3 mm de espesor sobre una plantilla redonda de madera de 19 mm de diámetro.
La placa se calienta sobre una llama hasta que se ablanda, se dobla según un patrón y se pega con esencia de vinagre. El cilindro pegado se ata con hilos y se deja secar durante dos horas. Después de eso, los extremos del cilindro se alinean con papel de lija y se quitan los hilos. Para fabricar una lente ultrasónica b, debe hacer un dispositivo especial (Fig. 6) a partir de una bola de acero con un diámetro de 18-22 mm de un rodamiento de bolas. La bola debe recocerse calentándola al rojo vivo y enfriándola lentamente. Después de eso, se perfora un orificio con un diámetro de 6 mm en la bola y se corta una rosca interna. Para fijar esta bola en el mandril de una máquina perforadora, es necesario hacer una varilla con una rosca en un extremo a partir de una varilla.
Se sujeta una varilla con una bola atornillada en el mandril de la máquina, se enciende la máquina a velocidad media y, al presionar la bola en una placa de vidrio orgánico de 10 a 12 mm de espesor, se obtiene el rebaje esférico requerido. Cuando la bola se profundiza hasta una distancia igual a su radio, se apaga la perforadora y, sin dejar de presionar sobre la bola, se enfría con agua. Como resultado, se obtiene un rebaje esférico de la lente ultrasónica en la placa de vidrio orgánico. Se corta un cuadrado con un lado de 36 mm con una sierra para metales de una placa con un rebaje, la protuberancia anular formada alrededor del rebaje se nivela con papel de lija de grano fino y la placa se muele desde abajo para que quede un fondo de 0,2 mm de espesor. permanece en el centro del hueco. Luego, los lugares rayados con papel de lija se pulen hasta la transparencia y las esquinas se cortan en un torno para que el rebaje esférico permanezca en el centro de la placa. Desde la parte inferior de la placa, es necesario hacer un saliente de 3 mm de alto y 23,8 mm de diámetro para centrar la lente en el soporte de cuarzo. Habiendo humedecido abundantemente uno de los extremos del cilindro con esencia acética o dicloroetano, se pega a la lente ultrasónica de manera que el eje central del cilindro coincida con el eje que pasa por el centro de la lente. Después del secado, se perforan tres orificios en el recipiente encolado para los tornillos de afinación. Lo mejor es girar estos tornillos con un destornillador especial hecho de alambre ordinario de 10-12 cm de largo y 1,5-2 mm de diámetro y equipado con un mango de material aislante. Después de la fabricación de estas piezas y la instalación del generador, puede comenzar a configurar el dispositivo, que generalmente se reduce a sintonizar el circuito L1C2 para que resuene con la frecuencia natural del cuarzo. La placa de cuarzo de la (Fig. 4) debe lavarse con agua corriente y jabón y secarse. El anillo de contacto b se limpia desde arriba hasta que quede brillante. Coloque con cuidado una placa de cuarzo encima del anillo de contacto y, después de dejar caer unas gotas de aceite de transformador en los bordes de la placa, atornille la tapa d de modo que presione la placa de cuarzo. Para indicar vibraciones ultrasónicas, los huecos ayd de la tapa se llenan con aceite de transformador o queroseno. Después de encender y calentar durante un minuto, gire la perilla de sintonización y logre resonancia entre las vibraciones del oscilador de placa de cuarzo. En el momento de la resonancia, se observa el máximo hinchamiento del líquido vertido en el hueco de la tapa. Después de configurar el generador, puede comenzar a demostrar experimentos.
Una de las demostraciones más efectivas es la producción de una fuente de líquido bajo la acción de vibraciones ultrasónicas. Para obtener una fuente de líquido, debe colocar el recipiente de la "lente" encima del soporte de cuarzo para que no se acumulen burbujas de aire entre el fondo del recipiente de la "lente" y la placa de cuarzo. Luego, debe verterse en el recipiente de la lente de agua potable común y un minuto después de encender el generador, aparecerá una fuente ultrasónica en la superficie del agua. La altura de la fuente se puede modificar mediante los tornillos de regulación, habiendo ajustado previamente el generador mediante el condensador C2. Con la configuración correcta de todo el sistema, puede obtener una fuente de agua de 30-40 cm de altura (Fig. 7).
Simultáneamente a la aparición de la fuente, aparece una neblina de agua, que es el resultado de un proceso de cavitación, acompañada de un silbido característico. Si se vierte aceite de transformador en el recipiente de la "lente" en lugar de agua, la fuente aumenta notablemente de altura. La observación continua de la fuente se puede llevar a cabo hasta que el nivel del líquido en el recipiente de la "lente" descienda a 20 mm. Para la observación a largo plazo de la fuente, es necesario protegerla con un tubo de vidrio B, a lo largo de cuyas paredes internas pueda fluir el líquido de la fuente. Cuando se aplican vibraciones ultrasónicas a un líquido, se forman burbujas microscópicas en él (fenómeno de cavitación), que se acompaña de un aumento significativo de la presión en el lugar de formación de burbujas. Este fenómeno conduce a la destrucción de partículas de materia u organismos vivos en el líquido. Si se coloca un pez pequeño o una dafnia "en un recipiente con lentes" con agua, luego de 1-2 minutos de irradiación con ultrasonido morirán. La proyección de la vasija "lenteada" con agua sobre la pantalla permite observar sucesivamente todos los procesos de este experimento en un gran auditorio (Fig. 8).
Usando el dispositivo descrito, es posible demostrar el uso de ultrasonido para limpiar piezas pequeñas de la contaminación. Para ello, se coloca en la base de la fuente de líquido una pequeña pieza (un engranaje de un reloj, una pieza de metal, etc.), ricamente lubricada con grasa. La fuente disminuirá significativamente y puede detenerse por completo, pero la parte contaminada se limpia gradualmente. Cabe señalar que la limpieza ultrasónica de piezas requiere el uso de generadores más potentes, por lo tanto, es imposible limpiar toda la parte contaminada en un corto período de tiempo y debe limitarse a limpiar algunos dientes. Utilizando el fenómeno de la cavitación, se puede obtener una emulsión de aceite. Para hacer esto, se vierte agua en el recipiente de la "lente" y se agrega un poco de aceite de transformador en la parte superior. Para evitar salpicaduras de la emulsión, es necesario cubrir el recipiente de la lente con el contenido con vidrio. Cuando se enciende el generador, se forma una fuente de agua y aceite. Después de 1-2 min. irradiación en el vaso de la lente, se forma una emulsión lechosa estable. Se sabe que se puede hacer visible la propagación de vibraciones ultrasónicas en el agua y se pueden demostrar claramente algunas de las propiedades de los ultrasonidos. Esto requiere un baño con un fondo transparente y uniforme y lo más grande posible, con una altura lateral de al menos 5-6 cm. El baño se coloca sobre la abertura en la mesa de demostración para que todo el fondo transparente pueda iluminarse desde abajo. . Para la iluminación, es bueno utilizar una bombilla eléctrica de automóvil de seis voltios como fuente de luz puntual para proyectar los procesos en estudio en el techo del auditorio (Fig. 9).
También puedes utilizar una bombilla normal de bajo consumo. Se vierte agua en el baño para que la placa de cuarzo en el soporte de cuarzo, cuando se coloca verticalmente, quede completamente sumergida en él. Después de eso, puede encender el generador y, moviendo el soporte de cuarzo de una posición vertical a una inclinada, observe la propagación de un haz ultrasónico en una proyección en el techo del auditorio. En este caso, el soporte de cuarzo puede sujetarse con los cables l y c conectados a él, o puede prefijarse en un soporte especial, con el que puede cambiar suavemente los ángulos de incidencia del haz ultrasónico en la vertical y planos horizontales, respectivamente. El haz ultrasónico se observa en forma de puntos de luz ubicados a lo largo de la propagación de vibraciones ultrasónicas en el agua. Colocando un obstáculo en el camino de propagación del haz ultrasónico, es posible observar la reflexión y la refracción del haz. El montaje descrito permite otros experimentos, cuya naturaleza depende del programa que se esté estudiando y del equipamiento del aula. Como carga del generador se pueden incluir placas de titanato de bario y, en general, aquellas que tengan un efecto piezoeléctrico en frecuencias de 0,5 MHz a 4,5 MHz. Si hay placas para otras frecuencias, se requiere cambiar el número de vueltas en los inductores (aumento para frecuencias inferiores a 0,5 MHz y disminución para frecuencias superiores a 4,5 MHz). Al alterar el circuito oscilatorio y la bobina de retroalimentación a frecuencias de 15 kHz, puede encender cualquier convertidor magnetoestrictivo con una potencia de no más de 60 VA en lugar de cuarzo Autor: V. Krasnyuk; Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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Comentarios sobre el artículo: Pazil Muy bien. Necesita manual de instrucciones UD-76. Valery ¿Cómo se ubica el cuarzo en los soportes de cuarzo, el material de la placa de cuarzo?
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