Датчики и автоматизированная система измерений.

 

При изучении хронофизических свойств материалов дат­чики играют не менее важную роль, чем источники хронального поля. В качестве датчиков могут быть использованы разного рода часы, скорость хода которых одно­значно определяет величину хронала t. Однако необходимые по точности часы часто не удовлетворяют требованию компактности.

В основу разработки достаточно компактных и чув­ствительных датчиков положена способность хронального поля изменять темп различных процессов, в том числе в полупроводниковых структурах, использованных в дат­чиках-генераторах (ДГ). Датчиком служит n-р-n (р-n-р)или МДП структура, представляющая собой кристалл 1,5х1,5 мм, на котором реализуется генератор прямоугольных импульсов.

Датчик ДГ-1 (рис. 1.4, а) собран на микросхеме 4-2И-НЕ типа 531ЛАЗП (n-р-n структура). На двух элементах 2И-НЕ реализован генератор меандра с час­тотой 50 МГц, а два других элемента 2И-НЕ использу­ются в качестве согласующего устройства. Частота ста­билизируется с помощью кварцевого резонатора (квар­цевая пластинка диаметром 7 мм в герметичном стеклян­ном корпусе 10х10х3 мм).

 

 

Рис. 1.4. Схемы датчиков-генераторов ДГ-1 (а), ДГ-2 (б) и

ДГ-3 (в): резисторы R1 = 330 Ом и R2 = 620 Ом, емкость

С = 10 пФ, кварцевый резонатор КР = 50 МГц.

 

Датчик ДГ-2 (рис. 1.4, б) с частотой 45 МГц собран на микросхеме 531ЛАЗП, на трех элементах 2И-НЕ реа­лизован генератор по кольцевой схеме, а четвертый эле­мент 2И-НЕ используется в качестве согласующего устройства.

Наконец, датчик ДГ-3 с частотой 4 МГц (рис. 1.4, в) собран на микросхеме 561ЛА7 (МДП структура) по та­кой же схеме, как и ДГ-2.

Были испытаны также многие другие принципы рабо­ты датчиков, например основанные на изменении емкости и сопротивления чувствительных элементов, на возникновении дополнительной ЭДС под действием хронального поля и т.д. Однако наиболее наглядными слу­жат перечисленные, ибо они прямо отражают влияние хронального поля на темп быстропротекающих процес­сов.

При создании и эксплуатации датчиков полезно не забывать, что только простые процессы типа колебания пластинки или маятника, вращения шестеренки и т.д. способны непосредственно и точно отразить количествен­ную сторону интенсивности хронального поля (хронал). В случае применения сложных электронных схем сигнал может быть преобразован так, что показания прибора окажутся либо умноженными, либо даже «перевернуты­ми» (с ростом хронала показания падают) по сравне­нию с действительностью. В этом случае, который мож­но с успехом использовать на практике для увеличения чувствительности метода, датчики следует предвари­тельно тарировать. Примерами могут служить датчики повышенной чувствительности ДГ-2 и ДГ-3, не содержа­щие кварцевого стабилизатора. Здесь аналогию можно провести с электрическим трансформатором, который может изменить измеряемый потенциал в зависимости от соотношения витков в первичной и вторичной обмот­ках.

Для автоматизации процесса определения хронофизических свойств материалов создан измерительно-вы­числительный комплекс (ИВК) на базе «Электроника ДЗ-28». Он дает возможность вести обработку и анализ результатов измерений, управлять самим процессом из­мерений, а также формировать управляющие сигналы на исполнительные устройства экспериментальной уста­новки.

Входящий в комплекс частотомер Ч3-34 позволяет измерять частоту с точностью 10^-8, а его встроенный термостатируемый кварцевый генератор используется вка­честве эталонного для таймера. Аналого-цифровым пре­образователем в ИВК служит цифровой вольтметр Щ68002. Предварительный усилитель совместно с восьмиканальным управляемым от ИВК коммутатором ана­логовых сигналов на входе обеспечивает возможность измерения напряжений от 1 мкВ. Результаты измерений выводятся на печатающее устройство, экран дисплея и графопостроитель.

На показания датчиков влияют температура, электро­магнитные излучения, хрональное поле Солнца и окру­жающих людей и т.д. От хрональных излучений система изолирована многослойным полиэтиленовым экраном, от электромагнитных - многослойным заземленным ме­таллическим, влияние температуры учитывается специальной тарировкой датчиков.

Уровень помех изменяется от опыта к опыту, поэтому датчики тарируются автоматически в процессе каждого опыта. Вначале с помощью внешнего нагревателя, управ­ляемого от комплекса, температура датчиков изменяет­ся в заданном интервале, а частота и соответствующие ей значения температуры заносятся в память ЭВМ, которая автоматически учитывает уровень всех помех.

 

Примеры измерения агрегатных превращений.

 

Все процессы природы, протекающие в живых и не­живых объектах, сопровождаются излучениями хронального поля. Поэтому, чтобы подтвердить работоспособ­ность описанных датчиков и электронной аппаратуры, целесообразно рассмотреть несколько конкретных слу­чаев их использования, например при измерениях агре­гатных превращений и напряжений, возникающих в ме­таллических и неметаллических материалах. Эти примеры хорошо иллюстрируют количественную сторону хрональной проблемы и одновременно представляют самостоя­тельный практический интерес.

На рис. 1.5 приведены результаты сравнительных из­мерений с помощью описанного комплекса частоты n и температуры Т в функции времени t плавящейся и за­твердевающей в керамической форме висмутовой отлив­ки (а - в)н тающего льда (г).

 

Рис. 1.5. Влияние агрегатных превращений на частоту:

а - плавле­ние и затвердевание висмута, датчик ДГ-1;

б - то же, датчик ДГ-2;

в - затвердевание висмута, датчик ДГ-3;

г - таяние льда, датчик ДГ-3.

 

Предварительное рас­плавление висмута в форме осуществляется с помощью специального электрического нагревающего устройства, управляемого от ИВК, температура измеряется хромель-копелевой термопарой. Датчик располагается в специальной хроноизолированной камере на одном конце фо­кусирующего устройства, представляющего собой труб­ку из нержавеющей стали длиной 1 м и внутренним диаметром 15 мм; трубка заземлена и покрыта хроноизолирующим материалом. Другой конец трубки направ­лен на интересующий нас участок отливки. Для устра­нения тепловых конвективных потоков воздуха от отлив­ки к датчику на оба конца трубки надеты стеклянные колпачки.

На рис. 1.5 все сплошные кривые 1 и опытные точки соответствуют изменению частоты D n, фиксируемой дат­чиком; штриховые кривые 2 определяют температуру Т,фиксируемую термопарой. Горизонтальные участки кри­вых 2 характеризуют длительность процессов плавления и затвердевания, вертикальные штриховые линии 3 - 6 отсекают на частотных кривых эти же длительности. Из сопоставления кривых I и 2 видно, что началу и концу агрегатного превращения соответствуют резкие измене­ния частоты, причем длительность превращения можно с равным успехом определять как по температурном кри­вой, так и по частотной. Отсюда можно сделать вывод об удовлетворительной работоспособности датчиков и измерительного комплекса, а также о том, что хрональный метод вполне приемлем, например, для дистанцион­ного контроля длительности затвердевания отливки пли слитка [10].

Обращает на себя внимание тот факт, что датчики ДГ-2 н ДГ-3 почти на три порядка более чувствительны, чем основной датчик ДГ-1, в котором под действием хронального поля изменяется частота колебании кварцевой пластинки. Но при этом ДГ-2 и ДГ-3 более подвержены всевозможным наводкам.

Между вертикальными штриховыми линиями 3 и 4 происходит плавление материала, а между 5 и 6 - его затвердевание. Из рис. 1.5, а видно, что плавление висмута сопровождается ростом активности хронального поля, повышением его хронала (и частоты) и снижением скорости хода реального времени, а затвердевание - уменьшением хронала и увеличением скорости хода ре­ального времени, причем датчик ДГ-2 только умножает этот эффект (рис. 1.5, б).В свою очередь датчик ДГ-3 не только умножает, но и «переворачивает» эффект: при плавлении частота падает (рис. 1.5, г),а при затверде­вании возрастает {рис. 1.5, в). Именно этот случаи ого­ворен в предыдущем параграфе, он обусловлен особен­ностями микросхем 531ЛАЗП и 561ЛА7.

 

Измерение напряжений.

 

Уже говорилось, что все процессы сопровождаются хрональнымп излучениями. В частности, датчик реагирует на изменение напряженного состояния материала, на появление трещин и т.д. На рис. 1.6, а и б отражены результаты опытов с керамическими (алундовыми) труб­ками. В случае а трубка с наружным диаметром 22 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 280 мм была помещена на две опоры и нагружена посередине массой 22,4 кг. Внезапный сброс нагрузки в момент, отмеченный вер­тикальной штриховой линией 1,привел к резкому умень­шению частоты примерно на 200 Гц, частота восстановилась через 70 с. В опыте б трубка с наружным диа­метром 7 мм, толщиной стенки 1 мм и длиной 200 мм была сломана в момент 2,частота уменьшилась на 50 Гц и восстановилась через 20 с.

На рис. 1.6, в и г представлены результаты разруше­ния в тисках пластины размером 65x35х2 мм из быст­рорежущей стали Р9. Пластина имела две цилиндрические опоры по краям и одну с противоположной сто­роны посередине. Штриховые линии 3 соответствуют началу нагружения, а 4 - моменту разрушения образца. Один из двух одинаковых датчиков ДГ-1 был сфокуси­ровал на растянутых волокнах пластины (рис. 1,6, в), а второй - на сжатых (рис. 1.6, г).У этих датчиков хрональному облучению подвергается только кварце­вый резонатор с частотой 30 МГц, а микросхема датчи­ка вынесена на 20 см за пределы поля, что увеличивает стабильность показаний приборов.

 

 

 

Рис. 1.6. Влияние напряжений на частоту, фиксируемую датчиками

ДГ-3 (а и б) и ДГ-1 (в и г): участки А и С кривых соответствуют   

изменению хронального фона окружающей среды, участки В –

изменению нагрузки; в опыте б фокусирующее устройство

отсутству­ет – датчик изолирован полиэтиленом с отверстием

напротив зоны разрушения.

Приведенные и многие другие подобные опыты сви­детельствуют о том, что изменение напряженного со­стояния материала сопровождается излучениями хронального поля, причем интенсивность этих излучений возрастает со скоростью изменения нагрузки. Интенсив­ность со стороны сжатых волокон более чем на порядок превышает таковую со стороны растянутых. В условиях резкого сброса напряжений, например при возникновении трещин и разрушении материала, наблюдается скачкообразное уменьшение частоты. Описанный эффект можно использовать на практике, если фокусирующую трубку направить на сильно нагруженный узел машины при определении условий его работы, на соответствую­щий участок местности при хрональном прогнозирова­нии землетрясений и т.п.

Описанные примеры измерений хронального поля, излучаемого процессами фазовых превращений и изме­нения напряженного состояния в металлических и неметаллических материалах, весьма характерны. Они подтверждают основную хрональную идею и говорят о пригодности разработанных датчиков и измерительной аппаратуры для практических исследований. Упомяну­тые варианты в схемах измерений позволяют судить о влиянии различных факторов на количественную сторо­ну эксперимента.