Introducere……6 [307711]

Cuprins

Introducere…………………………………………………………………………………………6

Capitolul I : Aspecte generale privind prducerea ultrasunetelor…………………………………..7

Noțiuni teoretice privind teoria sunetului……………………………………………7

Radiația acustică…………………………………………………………………….8

Impedanța de radiație……………………………………………………………….11

Sfere pulsante……………………………………………………………………….15

Pistonul vibrant…………………………………………………………………….16

Sistem oscilant acustic……………………………………………………………..19

Producerea ultrasunetelor. Considerații generale………………………………….20

Generatoare electronice de ultrasunete……………………………………………..21

Traductoare ultrasonore…………………………………………………………….23

Concentratori și amplificatori de energie acustică……………………………….24

Elemente de adaptare și cuplaj acustic……………………………………………25

Capitolul II: Breviar de calcul……………………………………………………………………28

2.1 Considerații teoretice privind generatoarele de tensiune sinusoidală………………28

2.2 Generatoare sinusoidale RC cu circuit Wien………………………………………30

2.3 Calculul generatorului de înaltă frecvență…………………………………………35

2.4 Partea practică………………………………………………………………………43

Concluzii…………………………………………………………………………………………..59

Bibliografie……………………………………………………………………………………….60

Introducere

Proiectul de diplomă presupune proiectarea și realizarea sistemului de control al umidității la o cameră climatică de laborator. [anonimizat].

Deci îmi propun sa construiesc o cameră climatică de laborator pentru a putea testa comportarea și parametrii de funcționare a echipamentelor electrice la umiditate ridicată.

[anonimizat] a funcționalității și fiabilității acestora în ansamblu.

Camera climatică permite vizualizarea funcționalității echipamentelor electrice în timpul determinărilor. Forma proiectată și realizată a camerei permite utilizatorului pe lângă înțelegerea funcționării echipamentelor electrice in condiții de umiditate ridicată cât și realizarea unor măsurători efective.

Proiectul de diplomă este structurat în două mari capitole. În primul capitol și în subcapitolele lui am prezentat noțiuni de teorie a ultrasunetelor.

În capitolul doi am prezentat proiectarea unui generator de ultrasunete și proiectarea și realizarea camerei climatice.

[anonimizat] a diminua pierderile. Creșterea umidității am ales să o fac cu ajutorul unui umidificator cu ultrasunete.

Capitolul I. Aspecte generale privind producerea ultrasunetelor

1.1. Noțini teoretice privind teoria sunetului

Prin sunet înțelegem [8] unda elastică ce impresionează urechea umană. Experimental s-a stabilit că senzația auditivă este dependentă de frecvența și intensitatea sunetului. În condiții normale omul poate distinge undele a căror frecvență este cuprinsă între 16Hz și 16kHz, iar intensitatea undei cuprinsă între 10-12 W/m2 și 10+2W/m2.

Undele a căror frecvență este mai mare de 16kHz se numesc ultrasunete. Limita superioară privind frecvența ultrasunetelor considerate ca unde elastice cu posibilități de propagare este aproximativ 1014 [anonimizat] o distanță de câțiva milimetri.

[anonimizat]:

-transportă energii mult mai mari decât sunetele

-absorbția și difuzia ultrasunetelor este mai pronunțată în comparație cu sunetele raportate la acelaș mediu

-transmisia ultrasunetelor crește cu densitatea materialului

-accelerația particulelor este mare, aproximativ 105·g

-pot fi amplificate, focalizate și dirijate în direcția dorită

-apariția fenomenului de cavitație – fenomen care constă în ruperea unui lichid în anumite zone și refacerea imediată a acestuia sub acțiunea unor tensiuni ridicate ce apar ca urmare a destinderilor și comprimărilor succesive ale mediului determinate de propagarea undei[10]. În locurile unde lichidul se rupe apar goluri (cavitații) spre care se îndreaptă gazele și vaporii de lichid. În urma comprimării ulterioare, volumul cavitațiilor se micșorează dezvoltându-se în interiorul acestora presiuni de ordinul miilor de atmosfere.

Datorită acestei presiuni ridicate cavitațiile se distrug provocând șocuri hidraulice foarte puternice sau unde de șoc.

Cavitația produce o serie de efecte mecanice, optice, chimice, biologice.

Considerăm un lichid [9] ce conține bule de gaz și prin care se stabilește un câmp ultrasonic. Dacă presiunea ultrasunetelor este mai mică decât presiunea hidrostatică, bulele execută o mișcare oscilatorie armonică. Frecvența de rezonanță 0 se poate determina cu o anumită precizie din relația:

0 (1.1)

unde: R este raza bulei, coeficientul adiabatic, densitatea lichidului, P presiunea hidrostatică.

Dacă frecvența ultrasunetelor este mai mică decât frecvența de rezonanță, [6] bulele de cavitație se vor găsi în stare instabilă, în care caz se produce dilatarea și distrugerea lor completă. Dacă frecvența ultrasunetelor este superioară frecvenței de rezonanță, ele capătă o mișcare oscilatorie complexă. În acest caz volumul bulei crește continuu și sub acțiunea forței arhimedice sunt ridicate la suprafața lichidului. Această comportare constituie unul din mecanismele de degazare a lichidelor sub acțiunea ultrasunetelor.

Efectele chimice sub acțiunea ultrasunetelor au loc atunci când acestea au o anumită intensitate limită.

1.2. Radiația acustică

În majoritatea cazurilor, sunetele, respectiv ultrasunetele sunt produse de vibrația unei suprafețe în contact cu mediul de propagare. Prin această suprafață se transferă mediului o parte din energia generatorului care o face să vibreze, suprafața devenind astfel un radiator acustic, acționâd asupra mediului.

Un radiator acustic, [6] se caracterizează prin puterea de radiație și prin funcția de distribuție a radiației. Aceste mărimi pot fi determinate dacă se cunosc distribuția vectorială a vitezei de deplasare pe suprafața radiantă și presiunea p, cu care mediul se opune mișcării.

Lucrul mecanic efectuat de suprafața radiantă de arie S într-un timp elementar dt:

dL = dt p·Un·dS (1.2)

unde Un este componenta vitezei pe dS.

Distribuția vitezei pe suprafață se exprimă printr-o funcție Dn, [5] care reprezintă raportul dintre viteza Un al unui punct oarecare al suprafeței și viteza U0 a unui anumit punct de referință situat în mod obișnuit în locul unde se aplică rezultanta forțelor exterioare active care pun în mișcare suprafața

Dn = (1.3)

înlocuind din (1.3) în (1.2) se obține:

dL = dt p·U0·Dn·dS (1.4)

Mediul se opune mișcării impuse de radiator dezvoltând un lucru mecanic rezistiv:

dL’ = -dL = -U0 dt p·Dn·dS = -U0·R·dt = U0·f·dt (1.5)

R = – p·Dn·dS = – f (1.6)

Mărimea constitue forța de reacție a cămpului acustic asupra radiatorului, care este egală și de sens opus cu forța f, exercitată de radiator asupra mediului.

Dacă considerăm că suprafața radiatorului oscilează sinusoidal, adică viteza U0 și presiunea P luată pe toată suprafața radiantă variază după legile: U0 = V0·sin t

P = PS·(sin t – S) (1.7)

unde PS este amplitudinea presiunilor create, S faza presiunilor create.

În acest caz forța exercitată de radiator capătă expresia:

f = Dn·PS·sin·(t – S) ·dS =

= sin t Dn·PS·cos S·dS + cos tDn·PS·sin S·dS (1.8)

Factorul:

Fr = Dn·PS·cos S·dS (1.9)

reprezintă componenta forței f în fază cu viteza U0 numită forță activă iar factorul

Fx = Dn·PS·sin S·dS (1.10)

reprezintă componenta în cvadratură cu U0 numită forța reactivă. Astfel (1.8) devine:

f = Fr·sin t + FX·cos t (1.11)

Puterea dezvoltată de radiator este:

Pr = = U0·f (1.12)

numită și putere radiată.

Energia radiată se exprimă prin relația:

Er = U0·f·dt = U0·Fr·sin t·dt + U0·FX·cos ·dt (1.13)

Ea = U0·Fr·sin t·dt (1.14)

este energia activă, iar

EX = sin 2t·dt (1.15)

este energia reactivă.

Valoarea medie a puterii radiate în timp de o perioadă este:

Pr = U0·f·dt (1.16)

Înlocuind pe f din (1.11) și U0 = V0·sin t, se obține:

PR = (1.17)

Prima integrală este T/2 iar a doua este nulă. Ținând cont de (1.9) se obține:

Pr = (1.18)

Din (1.17) rezultă că pentru o perioadă, o parte din energia radiată este absorbită de mediul în care se propagă unde elastice, iar cealaltă parte se introduce la radiator. Puterea care se propagă este puterea activă radiată de sursă. Puterea activă, respectiv energia activă sunt determinate de forța activă Fr.

Energia corespunzătoare forței reactive se poate determina înlocuind (1.10) în (1.15) de unde rezultă:

EX = (1.19)

Se observă că energia reactivă variază pulsatoriu, nu se propagă în mediu ci rămâne legată de radiator.

1.3. Impedanța de radiație

Impedanța de radiație complexă servește [4] la caracterizarea fenomenului de radiație și se definește ca raportul dintre forța complexă f exercitată de radiator asupra mediului și viteza complexă U0 cu care oscilează radiatorul:

Zr = = Rr + jXr (1. 20)

unde

Rr = (1.21)

este rezistența de radiație, iar

Xr = (1.22)

este reactanța de radiație. Rezistența de radiație depinde de compoziția lichidului, de conținutul de gaze, cât și de regimul de radiație.

Puterea activă medie a sursei în funcție de rezistența de radiație are expresia:

Pr = (1.23)

Puterea reactivă a sursei în funcție de reactanța de radiație are expresia:

(1.24)

Cu ajutorul reactanței, energia reactivă se poate scrie:

EX = (1.25)

Se observă că expresiile = mr au dimensiunile unei mase, deoarece reprezintă raportul dintre forță și amplitudinea accelerației ·V0 și au căpătat denumirea de masă adițională.

Această mărime care se poate exprima prin :

mr = (1.26)

reprezintă un fel de masă (inertă) corespunzătoare energiei EX localizată în mediul care vibrează împreună cu suprafața de radiație și nu face parte din masa radiatorului. Introducând masa adițională în (1.25) se ajunge la relația:

EX = (1.27)

care arată că energia reactivă este energia cinetică asociată masei adiționale.

Calculul directivității. Puterea, [4] respectiv energia radiată într-un mediu infinit (sau lipsit de reflexii) de un radiator acustic este în general distribuită neuniform în jurul acestuia.

Cunoașterea modului în care are loc această distribuție este foarte importantă pentru studiul propagării ultrasunetelor.

Variația, pentru diferite direcții a presiunii sau intensității undelor generate de surse, în raport cu o valoare de referință, se numește funcția de distribuție.

Funcția de distribuție este caracterizată printr-o serie de mărimi dintre care menționăm funcția de directivitate D, factorul de directivitate QD, factorul de concentrare sonoră sau căștigul radiatorului .

Funcția de directivitate D exprimă măsura neuniformității câmpului creat de un radiator în raport cu un câmp de referință uniform și se definește ca raportul dintre presiunea p(r, , ) din jurul sursei după o diricție oarecare (, ) notată în coordonate sferice și presiunea de referință P0(ro, 0, 0) creată după direcția de referință (r0, 0).

Ambele presiuni sunt considerate la aceeași distanță r0 de centrul sursei și suficient de mare în comparație cu lungimea de undă în mediul considerat. Deci, prin definiție:

D = (1.28)

De obicei, direcția după care presiunea creată este minimă se alege ca direcție de referință. Factorul de directivitate QD este raportul dintre intensitatea radiată de o sursă într-o anumită direcție, la o distanță r și intensitatea radiată în aceeași direcție, la aceeași distanță, de o sursă punctiformă (izotropă) care ar fi așezată în locul sursei și radiază aceeași putere totală ca ea. Daca notăm cu I(r0, ,) intensitatea variabilă cu direcția măsurată la distanța constantă r0, iar prin P puterea sursei punctiforme corespunzătoare, factorul de directivitate se exprimă prin relația:

QD = (1.29)

Când distanța r0 este suficient de mare (considerând unde plane) intensitatea undei se poate exprima în funcție de presiunea eficace și impedanța acustică specifică a mediului și anume:

I (r0,,) = (1.30)

În acest caz, factorul de directivitate capătă expresia:

QD = (1.31)

Puterea P se determină folosind relația:

P = (1.32)

În coordonate polare, dS = r2·sin ·d·d și înlocuind în (1.32) rezultă:

P = (1.33)

Înlocuind în această expresie în (1.31) și considerând raza sferei egală cu distanța față de sursă a punctului unde se determină factorul de directivitate, (r = ro) se obține:

QD= (1.34)

Din (1.28) rezultă Pef(r,,) = D·Pef(r0,0,0) și ținând seama că r = r0 = const, factorul de directivitate se poate exprima în raport cu funcția de directivitate prin relația:

QD = (1.35)

Factorul de concentrație. Sursele întâlnite în practică au în majoritatea lor un ax de simetrie normal pe suprafața de radiație. Pentru această categorie de radiatoare se utilizează de preferință, în locul factorului de directivitate, factorul de concentrație, care caracterizează energetic efectul directivității unui radiator. El se definește [4] ca factorul de directivitate corespunzător axei de simetrie z, luat ca origine a unghiurilor de înclinare . În aceste condiții presiunea nu depinde de unghiul , iar expresia factorului de concentrație conform (1.34) devine:

= (1.36)

sau înlocuind Pef(r,) = D·Pef(r,)Z din (3.35) și considerând r = const. se obține:

= (1.37)

Semnificația factorului de concentrare este următoarea: Dacă un radiator nedirectiv având puterea p crează la distanța r0 o presiune p0, înlocuindu-l cu un radiator direcțional, el va crea la aceeași distanță o aceeași presiune folosind o putere de ori mai mică.

Valorile determinate pentru D, QD și nu sunt valabile în general, ci numai pentru frecvența, poziția și presiunea eficace existentă în punctul pentru care s-a efectuat calculul.

1.4. Sfere pulsante

Cel mai simplu radiator acustic este sfera pulsantă [4] a cărei radiație se produce în mod uniform, în toate direcțiile, dând naștere în jurul ei la unde sferice. Sfera pulsantă constitue un caz ideal de suprafață de radiație care nu poate fi realizată în practică decât cu aproximație.

Ca orice emițător, sfera pulsantă este cuplată cu o anumită sarcină oferită de mediul suprafeței de radiație care influențează fenomenul de radiație, influență ce poate fi caracterizată cu ajutorul impedanței de radiație. În cazul sferei de rază a, ținând seama de expresia presiunii și vitezei complexe:

P = P·ej(t-kx) (1.38)

respectiv

V = (1.39)

impedanța de radiație a sferei pulsante are expresia:

ZR = (1.40)

De aici rezultă expresiile pentru rezistența de radiație :

Rr = (1.41)

reactanța de radiație:

Xr = (1.42)

și masa adițională

mr = (1.43)

Din analiza expresiilor de mai sus rezultă că:

-puterea radiată, care este proporțională cu rezistența de radiație crește cu densitatea mediului, cu suprafața de radiație și cu produsul k·a

-reactanța depinde de aceiași factori, dar influența produsului k·a este mai mică decât asupra rezistenței de radiație

-se observă că atunci când k·a < 1, este radiată o putere activă mai mică decât cea reactivă, deoarece X r > Rr, iar dacă k·a > 1 puterea activă este mai mare decât puterea reactivă, deoarece Rr > Xr.

Acest fapt evidențiază că radiația frecvențelor joase nu se face în bune condiții decât în cazul sferelor cu rază mare, adică de către radiatoare cu rază mult mai mare decât lungimea de undă, în caz contrar sfera pulsantă lucrează mai bine în domeniul frecvențelor înalte.

1.5. Pistonul vibrant

Pistonul vibrant este un radiator acustic la care toate punctele suprafeței plane vibrează în fază. În practică, majoritatea surselor de ultrasunete sunt alcătuite dintr-o suprafață plană rigidă de o anumită întindere. Se consideră la pistonul vibrant că suprafața plană circulară sau dreptunghiulară este constituită dintr-un număr foarte mare de surse elementare, de raze infinit mici situate foarte aproape una de alta. Forma frontului de undă se obține ca o rezultantă a interferenței tuturor undelor elementare.

În cazul unui piston vibrant rigid, având secțiunea un cerc de rază a, expresia funcției de directivitate este dată de relația:

(1.44)

unde J1 este funcția Besel de ordinul întâi, iar unghiul format de direcția pe care se găsește punctul considerat față de axa pistonului circular. Funcția Besel, respectiv funcția de directivitate, se anulează pentru k·a·sin = 3,83; 7,02; 10,15; 13,22; … etc.

De aici rezultă că primul punct în care presiunea acustică devine nulă se află pe direcția care face cu axa pistonului un unghi , ce se poate determina din relația:

= (1.45)

unde este lungimea de undă, în mediul de propagare, a ultrasunetelor. Din relația (1.25) se poate determina raza suprafeței radiante care să radieze ultrasunete cu o frecvență dată pentru a obține concentrarea energiei într-un con având deschiderea .

Fig.1.1 Piston vibrant [4]

Se consideră că valoarea unghiului este cu atât mai mică cu cât raportul /a este mai mic, adică concentrarea de energie acustică în vecinătatea axei pistonului va fi cu atât mai mare cu cât lungimea de undă a ultrasunetelor este mai mică în raport cu diametrul radiatorului, respectiv când frecvența este mai mare.

Pentru a completa imaginea structurii câmpului acustic creat de pistonul vibrant se evidențiază și variația presiunii, respectiv a intensității acustice de-a lungul axei centale a pistonolui.

Variația intensităii acustice în funcție dedistanța r măsurată pe axa principală

este dată de următoarea relație:

I = I0·sin2· (1.46)

unde I0 este valoarea maximă a intensității.

Distanțele pentru care intensitatea acustică este nulă sunt date de relația :

r = (1.47)

Distanțele pentru care intensitatea acustică este maximă ( I = I0 ) sunt date de relația :

r = (1.48)

Divergența fasciculului ultrasonic este caracterizată prin unghiul 2 determinat prin relația:

= arctg (1.49)

Unghiul se consideră între generatoarele conului fasciculului emis și axa de simetrie a conului, care coincide cu axa de referință a pistonului. Întinderea câmpului apropiat depinde de dimensiunile radiatorului a și de lungimea de undă a ultrasunetelor . Zona Fresnel capătă inportanță în cazul radiatorilor ultrasonici care generează unde cu lungimi de undă mici.

Cunoașterea spațiului pe care se extind cele două zone are o mare importanță practică. De exemplu:

-în determinări de defectoscopie, detectarea unor defecte de dimensiuni reduse a căror poziție coincide cu punctele unde se anulează intensitatea; în zona Fresnel s-ar face cu multă greutate, adesea pot trece neobservate

-măsurarea coeficientului de absorbție al unui mediu ar fi însoțită de mari erori dacă s-ar efectua în zona Fraunhofer datorită divergenței fasciculului. În cazul unui piston rigid vibrant de formă dreptunghiulară, funcția de directivitate este dată de relația:

D = (1.50)

unde a este baza dreptunghiului, b – înălțimea dreptunghiului, și unghiurile dintre normala la suprafața unghiului și proiecția liniei care unește mijlocul acestuia cu punctul de observație pe planul normal și paralel cu a, respectiv proiecția liniei care unește mijlocul acesteia cu punctul de observație pe planul normal la suprafață și paralel cu b.

1.6. Sistem oscilant acustic

Sistemul oscilant acustic este [6] un sistem fizic în care fiecare particulă materială execută diferite mișcări sub acțiunea forțelor de natură acustică.

Prototipul unui sistem oscilant acustic este rezonatorul Helmholtz. Acest rezonator este constituit dintr-un tub de lungime l <

Fig. 1.2 Rezonator acustic [6]

care comunică cu o cavitate de volum V ale cărei dimensiuni satisfac relația : <

Oricare ar fi forma rezonatorului el se poate compara cu o sticlă de volum V prevăzută cu un gât de lungime l .

Când rezonatorul se îndreaptă cu gâtul spre o sursă de unde plane, în interiorul cavității iau naștere oscilații care se manifestă prin creșterea periodică a presiunii mediului din rezonator și a vitezei particulelor din gât. Creșterea acestor mărimi devine pronunțată numai pentru o anumită frecvență, determinată de dimensiunile rezonatorului, numită frecvență de rezonanță.

Sub acțiunea forței F determinată de presiunea undei exterioare, mediul din gâtul rezonatorului se mișcă întocmai ca un piston și constituie elementul sistemului acustic care înmagazinează energie cinetică. Pistonul de masă M comprimă mediul elastic din cavitate, care constituie elementul care înmagazinează energie cinetică. Pistonul de masă M comprimă mediul elastic din cavitate, care constitue elementul ce înmagazinează energie potențială. Datorită frecărilor pistonului cu pereții gâtului, are loc disiparea energiei acustice, iar forța corespunzătoare rezistenței de frecare este direct proporțională cu viteza.

Dacă pistonul de secțiune S comprimă mediul din cavitate cu lungimea y, ecuația sistemului oscilant acustic pus în mișcare de forța F(t) generată de unda plană are forma:

(1.51)

unde este densitatea mediului.

1.7. Producerea ultrasunetelor. Considerații generale

Pentru producerea ultrsunetelor într-un mediu [6] se impune executarea unei instalații de ultrasunete. În prezent există o gamă largă de producere a ultrasunetelor. În funcție de energia folosită pentru producerea vibrațiilor se disting două mari categorii de instalații:

-instalații mecanice, la care energia folosită pentru producerea vibrațiilor este energia mecanică

-instalații electroacustice, la care energia folosită pentru producerea vibrațiilor este energia electrică.

În cele ce urmează ne vom referi la instalațiile electroacustice având o mai mare utilizare în practică și o mai mare eficiență în special în medii lichide și solide. Principalele elemente componente ale unei instalații electoacustice de producere a ultrasunetelor sunt:

-Sursa de energie. Sunt constituite din generatoarele electronice de frecvență, numite generatoare electronice de ultrasunete.

-Emițătoare ultrasonore sau traductoare ultrasonore [1]. Aceste elemente transformă, cu un anumit randament, energia electrică primită de la o sursă, în energie acustică.

-Concentratoare și amplificatoare de energie acustică. Aceste elemente permit ca energia acustică să fie concentrată într-un volum mic și să se obțină unde ultrasonice de intensități ridicate.

-Elemente de transfer a energiei acustice și transformatori de unde. Aceste elemente fac legătura dintre concentratori și obiectul asupra căruia se exercită acțiunea ultrasunetelor respective; transformă un tip de undă în alt tip de undă.

-Elemente de adaptare și cuplaj acustic. Au rolul de a realiza o legătură eficientă mecano-acustică în vederea realizării unui transfer optim de energie între elementele instalației.

-Sisteme de fixare mecanică și izolare acustică. Se referă la modalitățile de fixare a diferitelor elemente ale instalației acustice și fixarea acesteia în structura de rezistență.

1.8. Generatoare electronice de ultrasunete

Generatoarele electronice de ultrasunete sunt dispozitive care transformă curentul electric de frecvență industrială în curent de înaltă frecvență, în scopul alimentării traductoarelor ultrasonice.

Caracteristicile generatoarelor de ultrasunete sunt [5,6] determinate de o serie de parametri electrici și neelectrici. Din categoria parametrilor electrici fac parte: frecvența de lucru sau gama de frecvențe, puterea de ieșire, randamentul, stabilitatea și precizia de reglare a frecvenței, stabilitatea amplitudinii oscilațiilor. Din categoria parametrilor neelectrici fac parte: mediul în care va lucra generatorul de ultrasunete, gabaritul și masa generatorului, modul de realizare a răcirii elementelor electrice (răcire forțată sau naturală), durata maximă de funcționare continuă, fiabilitate, costul.

Frecvența generatorului se stabilește în funcție de destinația instalației ultrasonice. De exemplu, pentru prelucrarea mecanică a materialelor solide, curățirea pieselor, sudarea și lipirea aluminiului se folosesc ultrasunete cu frecvențe de 20 40 kHz; pentu defectoscopia betoanelor se folosesc frecvențe între 30 100 kHz; pentru formarea emulsiilor se folosesc frecvențe între 400 800 kHz; pentru defectoscopia metalelor se utilizează frecvențe de 1,5 6 Mhz. Frecvența generatorului este acordată pe frecvența fundamentală sau a primei armonici a traductorului, numită frecvența de rezonanță a traductorului.

Randamentul generatorului reprezintă raportul dintre puterea utilă (puterea de ieșire) și puterea absorbită (puterea de intrare) = Pu / Pc. Randamentul depinde de puterea generatorului, de calitatea pieselor utilizate, de regimul de lucru și în general este cuprins între 30 70 %.

Prin stabilitatea și precizia de reglare a frecvenței se urmăreste ca frecvența generatorului și frecvența de rezonanță a traductorului 0 să fie cât mai apropiate, încât a = | – 0 | să nu scoată din rezonanță sistemul generator – traductor. Acest parametru depinde calitatea elementelor constructive ale generatorului.

Stabilitatea amplitudinii oscilațiilor este caracterizată prin raportul dintre amplitudinea oscilațiilor traductorului la frecvența de rezonanță AS și valoarea admisibilă a amplitudinii A0:

K = (1.52)

unde a este diferența admisibilă între frecvența generatorului și frecvența de rezonanță a traductorului, iar Q este factorul de calitate. Se consideră o bună stabilitate a amplitudinilor oscilațiilor pentru K = 0,6 0,8.

Stabilitatea amplitudinilor oscilațiilor mecanice în regim staionar se realizează prin utilizarea sistemelor de autoreglare a frecvenței.

În timpul funcționării instalațiilor de ultrasunete, datorită încălzirii traductoarelor, a modificării sarcinii exterioare a traductorului (uzarea sculelor de prelucrare, modificarea nivelului lichidului de lucru respectiv, a numărului pieselor de prelucrat), apare o modificare a frecvenței de rezonanță a traductoarelor. Modificarea frecvenței traductorului de la valoarea frecvenței furnizate de generator, conduce la reducerea amplitudinii oscilațiilor, respectiv a puterii utile transmise sarcinii exterioare.

Asigurarea mențineri valorii maxime a amplitudinii oscilațiilor traductorului se realizează prin folosirea sistemelor de acordare automată a frecvenței generatorului la frecvențe de rezonanță folosind montaje cu reacție. În raport de caracteristicile procesului tehnologic și de valorile necesare ale intensității ultrasunetelor, se folosesc mai multe regimuri de funcționare a generatoarelor și anume funcționarea în regim continuu, în impulsuri și de modulație în amplitudine.

La funcționarea în regim continuu se furnizează energie ultrasonică sub forma unei unde continuue . Acest regim este cel mai des înâlnit în practică.

În cazul regimului în impulsuri se provoacă oscilații cu caracter aperiodic. Undele ultrasonice produse într-un astfel de regim de funcționare pot avea intensități ridicate (până la 30 40 W/cm2). În ultimul timp pentru intensificarea diferitelor procese tehnologice se folosește regimul de modulație în amplitudine. Pentru producerea ultrasunetelor se pot folosi cu succes instalații electronice pentru încălzire prin inducție și amplificatoare de radioficare, adaptate să funcționeze în gama de frecvențe ultrasonore.

1.9. Traductoare ultrasonore

În general dispozitivul cu ajutorul căruia [4] se realizează conversia enargiei dintr-un domeniu în altul se numește traductor. În particular, dispozitivul care realizează trecerea energiei electrice în energie acustică sau invers se numește traductor electroacustic.

După principiul fizic de realizare a conversiei, distingem o mare varietate de traductoare dintre care amintim traductoare piezoelectrice și magnetostrictive având o mai largă utilizae în practică.

În afara proprietății de conversie a energiei, traductorul electroacustic [1] are și proprietatea unui element de cuplaj între două circuite de natură diferită și anume dintre circuitul electric sau magnetic și circuitul mecanic. Eficacitatea unui traductor ca element de cuplaj se exprimă prin factorul de cuplaj electro sau magneto – mecanic k, definit ca rădăcina pătrată a raportului dintre energia mecanică (Em) produsă de traductor și energia electrică sau magnetică primită (Ep):

k = (1.53)

O altă caracteristică a unui traductor o reprezintă randamentul, care se definește ca raportul dintre energia debitată de traductor și energia primită de traductor:

= Em / Ep (1.54)

Dacă energia primită este de natură electrică, Ep se exprimă prin relația:

Ep = 0,5·C·U2 (1.55)

iar dacă este de natură magnetică se exprimă prin relația:

Ep = 0,5·Li2 (1.56)

unde C este capacitatea electrică între electozii traductorului, U tensiunea aplicată, L inductanța bobinei de excitație și i intensitatea curentului electricce trece prin bobină.

1.10. Concentratori și amplificatori de energie acustică

În vederea obținerii unor unde ultrasonore cu intensitate acustică ridicată se impune utilizarea [5] unor dispozitive cu ajutorul cărora să se poată concentra energia acustică produsă de traductoarele ultrasonore. Principiul de funcționare al unor asemenea dispozitive se bazează pe focalizarea undelor ultrasonore respectiv obținerea unui fascicul paralel de unde și pe amplificarea vitezei de oscilație a particulelor mediului.

Focalizarea energiei acustice se realizează folosind traductori acustici, traductoare curbe, lentile acustice și plăci zonate.

Lungimile de undă ale ultrasunetelor fiind, în general, mai mici decât dimensiunile sistemelor de focalizare, se pot aplica metode optice de calcul.

Deosebirea esențială dintre sistemele de focalizare din optică și acustică o constituie apariția mai pronunțată a fenomenuluiu de difracție acustică decât în optică datorită diferenței dintre valorile lungimilor de undă a celor două radiații.

Dacă admitem că fasciculul incident de unde plane, de formă circulară, cu raza R și lungimea de undă , se propagă dealungul axei principale a sistemului optic (oglindă sau lentilă), atunci raza r0 a petei focale (limitată la circumferința primului minim al intensității acustice), are expresia:

r0 = (1.57)

unde f este distanța focală a sistemului de focalizare.

Eficacitatea unui sistem concentrator se exprimă prin coeficientul de amplificare al intensității (g), definit ca raportul dintre intensitatea acustică în focar If și intensitatea acustică în fasciculul incident I0:

g = (1.58)

Se observă că pata focală este cu atât mai mică cu cât lungimea de undă este mai mică.

Cu ajutorul sistemelor concentratoare se pot obține în petele focale intensități acustice de câteva ori mai mari decât cele generate de traductoarele simple.

Sistemele concentratoare de energie mai au avantajul că pot realiza concentrația de energie într-un volum mic aflat în interiorul unui mediu, fără a afecta părțile învecinate ale acestuia.

1.11. Elemente de adaptare și cuplaj acustic

Pentru ca energia ultrasonoră produsă de un traductor să fie transmisă într-o cantitate cât mai mare mediului de lucru, este necesar să se realizeze o cât mai bună adaptare între emițător și mediu. Dacă între traductor și mediu se interpun alte elemente [4,5] (transformatori, amplificatori) și acestea nu pot îndeplini și rolul de adaptare, atunci se impune realizarea unei adaptări atât între traductor și elementul respectiv cât și între element și mediu. Elementele de adaptare se aleg astfel încât la suprafața de contact dintre cele două medii coeficientul de transmisie acustică să fie maxim.

Datorită diferenței dintre valorile impedanțelor specifice ale acestora și valoarea impedanței specifice a aerului, traductoarele piezoelectrice și magnetostrictive nu sunt folosite pentru a emite sunete în aer. Astfel de traductoare sunt folosite pentru a produce ultrasunete cu precădere în lichide și solide.

Pentru adaptarea traductoarelor la diferite medii lichide se folosesc dispozitive de adaptare sub forma unor plăci.

Pentru evaluarea aproximativă a parametrilor constructivi ai elementelor de adaptare se poate folosi următorul raționament.

În primă aproximație, o placă de adaptare poate fi considerată că funcționază ca un piston, adică radiază unde longitudinale. În consecință, dacă placa este prinsă direct de traductor (considerând că placa lucrează numai pe o parte), aria suprafeței plăcii se determină folosind relația :

Sp = St (1.59)

unde Sp este aria plăcii, St este aria traductorului, 1·C1 impedanța specifică a traductorului, 2·C2 impedanța specifică a lichidului. Trebuie, de asemenea, să avem în vedere ca dimensiunea maximă a plăcii să fie mai mică sau cel mult egală cu jumătate din lungimea de undă a ultrasunetelor. Dacă nu se respectă această condiție apar în placă oscilații complexe, care diminuează posibilitatea de adaptare.

Condiții mai avantajoase se obțin când se folosesc plăci cu secțiunea circulară:

Sp = (1.60)

Deoarece aria traductorului depinde la rândul ei de aria plăcii, rezultă că în cazul utilizării plăcilor de adaptare dimensiunile optime ale traductorului sunt și ele limitate.

Cu mult succes se practică aplicarea plăcilor de adaptare la capătul (vârful) amplificatorului sau traductorului de unde. Dimensiunea minimă a plăcilor nu trebuie să fie sub valoarea /2.

În cazul transmiterii ultrasunetelor de la traductor sau de la amplificator la un corp solid, stratul de aer ce se interpune între cele două medii solide, [2,3] chiar dacă grosimea acestuia ar fi foarte mică, de ordinul micronilor, împiedică transferul de energie. În astfel de situații se pune problema realizării unui cuplaj acustic optim între traductor, respectiv amplificator (concentrator) și corpul solid care trebuie iradiat. Acest lucru se poate realiza prin următoarele procedee:

-cufundarea elementului de radiație ultrasonică și a corpului solid într-un lichid care să permită propagarea eficientă a undelor ultrasonice

-folosirea unor traductoare speciale cu pernițe umplute cu lichid

-interpunerea între elementul de radiație ultrasonică și corpul solid a unui strat subțire de lichid sau pastă

Referitor la primele două procedee trebuie menționat faptul că trebuie luate măsuri de a împiedica formarea de unde staționare, care, împreună cu absorbția undelor ce are loc în lichid, ar conduce la o atenuare puternică a ultrasunetelor. În cazul al treilea, foarte mult utilizat în practică, cuplajul depinde de grosimea stratului de cuplaj, de impedanțele acustice specifice ale mediilor solide cât și al stratului de cuplaj, de gradul de stabilitate în timp a parametrilor fizici ai stratului de cuplaj supus acțiunii ultrasunetelor.

Dacă se utilizează straturi de cuplaj având grosimea egală cu un număr impar de /4, atunci transferul de energie este cu atât mai bun cu cât impedanța acustică specifică a stratului de cuplaj este mai mare în comparație cu impedanțele acustice specifice ale celor două corpuri solide, adică stratul de cuplaj trebuie să fie cât mai vâscos.

Stratul de cuplaj trebuie să adere bine la suprafața corpurilor solide și să nu aibă acțiune corozivă.

În mod obișnuit pentru stratul de cuplaj se folosesc diferite uleiuri, valvolina, glicerina, vaseline, plastilina, sirop de zahăr și miere de albine.

Uleiul este folosit în cazul suprafețelor cu rugozitate mică, vaselina se recomandă ca mediu de cuplare pentru suprafețe cu rugozitate mărită. Amestecul de glicerină cu apă (o parte glicerină și două părți apă) prezintă bune calități de cuplare, având în plus avantajul de a fi inhibitor pentru coroziune. Siropul de zahăr și miere în proporții egale prezintă calități de cuplare superioare în special pentru unde transversale având frecvența cuprinsă în intervalul 2 MHz – 4 Mhz.

Un foarte bun mediu de cuplare este mercurul, însă nu este recomandat datorită gradului ridicat de toxicitate și a prețului ridicat.

Când prin stratul de cuplaj trebuie să fie transmise unde transversale, acesta, pe lângă proprietățile menționate, trebuie să fie rezistent și la efectul de forfecare. În astfel de situații se recomandă utilizarea ca lichid de cuplaj a unor substanțe adezive, care pot fi îndepărtate ușor de pe suprafețele celor două corpuri solide ca de exemplu balsamul de Canada, cleiul de piele sau cleiul de oase. În toate cazurile stratul de cuplaj trebuie să fie sub forma unui film subțire pentru a asigura un cuplaj uniform. Dacă stratul este gros se produc pierderi de energie prin atenuare și interferență.

Capitolul II: Breviar de calcul

2.1. Considerații teoretice privind generatoarele de tensiune sinusoidală

Generatoarele de tensiune sinusoidală, [7,11] denumite și oscilatoare sinusoidale, se utilizează frecvent în aparatura electronică de măsură, în radiocomunicații, în telefonie și în electronica industrială. Aceste generatoare se obțin prin aplicarea unei reacții potrivite la amplificatoare.

Amplificarea cu reacție este în general:

A’ = (2.1)

unde A reprezintă amplificarea fără reacție, iar factorul de reacție.

Dacă 1 – ·A = 0, amplificarea A’ devine infinită. În această situație un semnal foarte mic existent la intrarea amplificatorului face să apară la ieșire un semnal puternic, eventual cu amplitudine limitată. Relația:

1 – ·A = 0 sau ·A = 1 (2.2)

reprezintă condiția de oscilație. Deoarece mărimile și A sunt în general complexe, condiția de oscilație se mai poate scrie:

||·|A|· = 1 (2.3)

Produsul fiind o mărime reală, rezultă de aici două condiții de oscilație separate:

+ A = 0 sau + A = 3600 (2.4)

numită condiție de fază și

||·|A| = 1 sau = |A| (2.5)

numită condiție de amplitudine (sau de amplificare).

Prima condiție indică un defazaj total în buclă deschisă egal cu 00 sau 3600. Când circuitul de reacție nu introduce defazaj, această condiție impune folosirea unei intrări neinversoare a amplificatorului.

Condiția a doua impune o amplificare în buclă deschisă unitară sau o amplificare egală cu atenuarea circuitului de reacție (1/ ||). În general, pentru ca amplificatorul să prezinte o mărime |A| stabilă el are prevăzută și o reacție negativă.

Pentru ca oscilațiile să fie sinusoidale trebuie ca cel puțin una din cele două condiții să fie îndeplinită la frecvența dorită. De obicei, această sarcină revine circuitului de reacție la care sau || depinde de frecvență (sau ambele), dar există și oscilatoare la care selectivitatea în frecvență este asigurată de către circuitul de reacție negativă al amplificatorului.

Prin ajustarea fină a amplificării |A| se poate ajusta amplitudinea tensiunii de ieșire sinusoidală la valoarea necesară. De obicei, aceasta este mult mai mică decât excursia maximă de tensiune în regim dinamic a etajului de ieșire al amplificatorului pentru a reduce distorsiunile neliniare ale tensiunii de ieșire.

Când se impune o amplitudine stabilă și distorsiuni neliniare reduse se utilizează în circuitul de reacție negativă al amplificatorului unul sau două dispozitive de limitare sau reglare a amplitudinii. În cazul reglării amplitudini, dispozitivul este comandat printr-o tensiune continuă proporțională cu amplitudinea tensiunii de ieșire, realizându-se o reglare automată. Limitarea sau reglarea amplitudinii va provoca în general creșterea distorsiunilor neliniare față de cazul când se realizează aceeași amplitudine fără intervenții.

Ca amplificatoare pentru generaroarele sinusoidale se utilizează în prezent, în special, amplificatoare integrate (operaționale) care îndeplinesc o serie de condiții:

-au o intrare neinversoare permițând realizarea reacției pozitive (care produce oscilația)

-au o intrare inversoare permițând realizarea reacției negative și a unei amplificări stabile

-rezistență de intrare foarte mare la intrarea neinversoare unde se conectează de obicei circuitul selectiv (care determină frecvența de oscilație și care pretinde în multe cazuri rezistență de intrare mare)

-bandă de frecvență largă care poate acoperi în cele mai multe cazuri gama de frecvență a generatorului

-posibilitatea de a lucra pe o rezistență de sarcină de valoare redusă (de câțiva k sau chiar mai mică)

-rezistența de ieșire redusă

-lipsa componentei continue de tensiune la ieșire, ceea ce conduce la simplificarea schemei generatorului

-stabilitate termică bună

În funcție de componența circuitului de reacție ce impune frecvența de oscilație se deosebesc generatoare de tip RC și generatoare de tip LC. Generatoarele de tip RC cu amplificatoare operaționale pot asigura mai ușor frecvențe joase (n 10Hz…100Hz) și modificarea continuă a frecvenței într-o gamă largă, în timp ce generatoarele de tip LC cu amplificatoare operaționale pot asigura mai ușor frecvențe înalte (10kHZ…n 10kHz). Generatoarele de tip LC asigură o stabilitate mai bună a frecvenței, amplitudinii și distorsiuni neliniare mai reduse.

2.2. Generatoare sinusoidale RC cu circuit Wien

Dintre generatoarele de tip RC se utilizează mai ales cele cu circuit Wien, în special când este necesară modificarea frecvenței într-o gamă largă. Totuși, cea mai bună stabilitate a frecvenței este asigurată de generatorul Wien cu circuit dublu T.

Circuitul Wien (prezentat în fig. 5.1) permite realizarea unei reacții pozitive selective.

Astfel având factorul de reacție:

= (2.6)

Fig. 2.1 Circuitul Wien [7]

faza acestuia, depinde de frecvență ca în figura 2.2. Se constată că numai la frecvența :

f0 = (2.7)

=0 și se poate îndeplini condiția de oscilație referitoare la fază: + A = 0

dacă se folosește o intrare neinversoare a amplificatorului, f0 fiind frecvența de oscilație.

La această frecvență, atenuarea circuitului Wien este reală și are valoarea:

(2.8)

Îndeplinirea condiției de oscilație referitoare la amplitudine impune o amplificare pentru intrarea neinversoare

A+ = (2.9)

Pentru cazul particular când R1 = R2 = R și C1 = C2 = C , relațiile (2.7), (2.8) și (2.9) devin

f0 = ; = 3 ; A+ = 3 (2.10)

Fig. 2.2 Caracteristica de fază a circuitului Wien [7]

În cazul realizării unei frecvențe fixe apare în general situația în care R1 >> R2 (atenuarea trebuie să fie mare, pentru ca semnalul de la intrarea amplificatorului să fie redus). Dacă atunci se îndeplinește condiția:

R1·C1 = R2·C2 (2.11)

unghiul de fază va prezenta în jurul frecvenței f0 o viteză de variație maximă, ceea ce înseamnă asigurarea unei stabilități maxime a frecvenței de oscilație.

Amplificatorul utilizat trebuie să prezinte o rezistență de intrare Ri (care apare în paralel cu R2) de valoare foarte mare față de R2, pentru ca ea să nu intervină în relațiile (2.7) și (2.8). De asemenea, rezistența de ieșire a amplificatorului Re trebuie să fie neglijabilă față de R1 pentru a nu conta în serie cu acesta. Cele două condiții privind rezistențele R1 și Re sunt foarte bine îndeplinite de amplificatorul cu reacție negativă de tip paralel – serie (Fig. 2.3).

Fig. 2.3 Schema de principiu a generatorului cu circuit Wien [11]

Din figură se poate observa că se formează o punte cu brațele R3, R4, Z1 și Z2, de aceea generatorul mai este numit și “cu punte Wien“.

Amplificarea de tensiune cu reacție negativă a amplificatorului din Fig. 4.3, pentru intrarea neinversoare (unde se aplică tensiunea de reacție pozitivă Ui) este:

Au+ = 1 + (2.12)

iar în cazul când circuitul Wien are componente egale rezultă condiția R3 = 2·R4.

O problemă importantă a circuitului Wien [11] o constitue modificarea frecvenței într-o anumită gamă. Așa cum se vede din relația frecvenței de oscilație (2.7) și din relația atenuării (2.8), frecvența poate fi modificată, fără afectarea atenuării, numai prin intermediul modificării simultane a rezistențelor R1 și R2 sau a condensatoarelor C1 și C2. Cea mai simplă soluție o constitue utilizarea unei rezistențe variabile duble (potențiometru dublu sau tandem) și a unor capacități inegale (Fig. 4.4). Frecvențele limită ale gamei vor fi:

fmin = ; fmax = (2.13)

Când capacitățile C1 și C2 sunt egale, fiind adoptată rezistența R’’ potențiometrului tandem, din relațiile (2.13) se determină necunoscutele R’ și C. Când capacitățile nu sunt egale, atunci una dintre ele se adoptă,de obicei C1 (pentru ca să nu rezulte prea mic, C1 > 100…200 pF), iar din ecuațiile (2.13) se determină R’ și cealaltă capacitate.

Întrucât atenuarea circuitului Wien depinde [11] de raportul rezistențelor, este foarte important ca aceasta să rămână constant în permanență, în scopul obținerii unei amplitudini constante cu frecvența a tensiunii la ieșirea generatorului. De aceea rezistența variabilă dublă ar trebui să includă secțiuni identice ca valoare și mod de variație. Cu toate măsurile constructive, raportul celor două rezistențe variabile nu se poate menține suficient de stabil la deplasarea cursorului și din acest motiv amplitudinea tensiunii de ieșire a generatorului, în lipsa unor măsuri de reglare, variază mult la modificare frecvenței, astfel încât generatorul este practic inutilizabil.

Fig. 2.4 Circuit Wien pentru generator cu frecvență ajustabilă [11]

Măsura de reglare a amplitudinii este necesară oricum, chiar și la generatoarele cu frecvență fixă, deoarece la modificarea temperaturii elementele R și C ale circuitului Wien se modifică, schimbând valoarea și faza atenuării și deci a amplitudinii tensiunii de ieșire. De asemenea la variația temperaturii se modifică și amplificarea Au+ (a amplificatorului operațional), conducând la acelaș effect. Se impune o reglare sau limitare a amplitudinii tensiunii de ieșire a generatorului în scopul înbunătățirii stabilității frecvenței.

Metodele utilizate pentru reglarea sau limitarea automată a amplitudinii se bazează pe:

-modificarea rezistenței dinamice dintre sursă – drenă a unui tranzistor TEC J printr-o tensiune continuă UGS proporțională cu amplitudinea tensiunii de ieșire

-modificarea rezistenței unui termistor autoîncălzit printr-un curent alternativ cu frecența de oscilație din circuitul generatorului, având amplitudinea proporțională cu cea a tensiunii de ieșire

-modificarea rezistenței unui bec cu filament autoîncălzit printr-un curent alternativ cu frecența de oscilație din circuitul generatorului, având amplitudinea proporțională cu cea a tensiunii de ieșire

-modificarea rezistenței dinamice a unor diode de reglaj interconectate în antiparalel, în funcție de amplitudinea tensiunii de ieșire

În aceste cazuri, elementul de reglare sau limitare se plasează în circuitul de reacție negativă pentru a putea acționa asupra amplificării cu reacție Au+.

Dintre acestea se utilizează în general prima variantă, fiind cea mai simplă și cu performanțe acceptabile, deși variația temperaturii mediului are un efect important asupra rezistenței dinamice a tranzistorului TEC J.

În cazul realizării unei frecvențe variabile pentru a se obține o legătură aproximativ liniară între frecvență și unghiul de rotație al potențiometrului tandem este necesar ca potențiometrul să fie logaritmic.

2.3. Calculul generatorului de înaltă frecvență

Pentru a avea o cât mai largă utilizare voi adopta o schemă de generator de înaltă frecvență cu frecvența de ieșire reglabilă.

Ca amplificator operațional, [11,12] pentru generatorul de înaltă frecvență, am ales circuitul A 381 cu următoarele caracteristici (date de catalog):

Fig. 2.5 Conexiunile la capsula circuitului integrat A 381

-alimentare de la o singură sursă, cu 9 V < E < 40 V

-amplificare în buclă deschisă:160 000 (104 dB)

-curent consumat de la alimentare în gol: 10 mA

-banda de frecvență la o amplificare de câteva zeci: cca 1 MHz

-excursia maximă tensiune la ieșire E/2 – 1V ;

-curent de polarizare la intrarea inversoare: 0,5 A

-rezistență de intrare la intrarea neinversoare: 100 k

-amplitudinea maximă a tensiunii de intrare pentru funcționare în regim stabil: 300 mV

-factorul de distorsiuni neliniare la o amplificare de 40 dB în domeniul audio: < 0,2 %

-puterea disipată maximă la t = 250C: 500 mW

-rezistența termică Rja: 2000C / W

-temperatura maximă a joncțiunii: 1250C

Se va dimensiona un generator sinusoidal RC cu punte Wien cu frecvența de ieșire variabilă cuprinsă între 25 și 250 kHz.

Am adoptat schema unui generator sinusoidal RC cu circuit Wien (figura 2.6) care are la bază integratul A 381.

Fig. 2.6 Generator RC cu circuit Wien realizat cu circuit integrat M 381 [11]

Tranzistorul cu efect de câmp este cu canal n de tipul BFW 11 ale cărui caracteristici tipice sunt prezentate în figura 5.3.

Valorile extreme ale pantei tranzistorului vor fi:

(2.14)

(2.15)

Se impune tensiunea de grilă a tranzistorului cât mai mare dar cuprinsă între limitele:

Fig. 2.7 Caracteristicile tranzistorului BFW 11 la tensiuni mici

(2.16)

considerând dioda de siliciu . Se admite Ugs = 1 V . Rezultă:

(2.17)

Se va folosi o tensiune de alimentare E = 12 V și se determimă rezistențele R1 și R2 din sistemul următor, considerând P1 = 2,5 k. Prima ecuație reprezintă condiția de polarizare a intrării inversoare, iar a doua ecuație impune amplificarea necesară (Au+ -1) în cazul valorilor extreme ale rezistenței rds.

(2.18)

Din rezolvare rezultă: R1 = 2,42 k și R2 = 5,48 k, care se normalizează la valorile

R1 = 2,43 k 2,5%; R2 = 5,36 k 2,5%

Se determină rezistența medie:

(2.19)

Cu aceasta amplificarea pentru intrarea neinversoare va fi:

Au+ = (2.20)

Pentru aceasta rezultă o amplitudine de tensiune:

(2.21)

care este cuprinsă în domeniul admis deoarece

udsm UPmin -UGS =1,5 – 1 = 0,5 V (2.22)

Fiind vorba de un generator cu frecvența variabilă, elementele circuitului Wien vor rezulta din ecuațiile următoare, admițând potențiometrul tandem R” = 10 K:

(2.23)

Pentru o rezolvare rapidă a sistemului se împarte prima ecuație cu a doua și rezultă o ecuație cu o singură necunoscută :

sau R’=1,11 k (2.24)

Aceasta se normalizează la 1,1 k 1% pentru a se realiza mai exact limitele gamei de frecvență. Prin rezolvarea celorlalte ecuații rezultă C1 =185 pF și C2 = 2,83 nF, care se normalizează la valorile 187 pF 2,5% și 2,87 nF 2,5%. Se observă că C1 > 100 pF, deci este suficient de mare față de unele capacități parazite ale montajului și circuitului integrat și, de asemenea, că R’ > 500 , astfel încât îcărcarea ieșirii amplificatorului nu este exagerată.

Se admite R4 =56 k 2,5% și se dimensionează rezistențele R5, R6 și P2 din condițiile:

(2.25 )

Rezultă P2 + 28 k și se normalizează la 25 k.

Cu aceasta se obțin:

R5 = 11,6 k și R6 = R4 – 0,5·P2 = 56 – 0,5·25 = 43,5 K

Se normalizează R5 = 11,5 k 2,5% și R6 = 43 k 2,5 %.

Se impune R3 = R7 = 47 k 2,5 % și deoarece sarcinile de la cele două ieșiri nu închid circuit de curent continuu la masă, se vor utiliza rezistențele de descărcare Rd1 =Rd2 = 47 k 5%.

Folosind diode de detecție de siliciu de tip BA 243 și construind dreapta de sarcină pentru rezistența R3 = 47 k (Fig. 2.8) și tangenta la caracteristica diodei în punctul de intersecție V rezultă tensiunea de deschidere UD0 = 0,57 V și rezistența dinamică:

(2.26)

sin =0,61 și = 0,658 radiani (2.27)

Fig. 2.8 Caracteristica diodei BA 243 [12]

Curentul mediu redresat cu ajutorul celor două diode va fi:

(2.28)

Cu acesta rezistența de balast va fi:

(2.29)

Se adoptă o rezistență ajustabilă de 500 k.

Condensatorul de filtraj trebuie să aibă capacitatea:

CF (2.30)

Se alege un condensator ceramic de 2 nF 2,5 % .

Se determină condensatoarele de cuplaj:

C3 (2.31)

Se adoptă un condensator cu poliester de 0,35 F 2,5 %.

(2.32)

Se alege un condensator ceramic de 3 nF 2,5 %.

(2.33)

Se aleg condensatori ceramici de 6 nF 2,5 %.

(2.34)

Se alege un condensator ceramic de 6 nF 2,5 %.

2.4. Partea practică

Camera climatica este pe structura de metal, cu pereți dublii. Între pereți este izolată cu azbest.

Dimensiunile interioare ale camerei climatice sunt:

– lungime = 55 cm

– lățime = 50 cm

– înălțime = 50 cm

În prima etapă am început să modific camera climatică dupa trebuințele mele. Am tăiat loc la un geam (fig. 2.9) pentru a avea vizibilitate înăuntru din exterior. Deoarece în camera climatica poate fi și umiditate și temperatură ridicata și temperatura scazută am ales un geam termorezistent prezentat în fig. 2.10, iar între pereții ușii am izolat cu vata minerală.

Fig. 2.9 Camera climatică

Fig. 2.10 Camera climatică

După proiectarea și calcularea generatorului de inaltă frecvență am hotarât din motive economice să optez pentru o altă variantă. Această variant este un umidificator cu ultrasunete ca în fig. 2.11. Am ales această variantă deoarece îndeplineste nevoile mele adică se ajunge in interiorul camerei la o umiditate ridicată destul de repede.

Acest umidificator are urmatoarele date de catalog:

– 2 viteze

– Frecvență ultrasunete: 2,5 MHz

– timp de umidificare: 0,77 ml/min la prima viteză, 0,38 ml/min la a 2-a viteză

– capacitate rezervor: 10 ml

Fig. 2.11 Umidificator cu ultrasunete

Deoarece nu am avut unde sa montez umidificatorul a trebuit să construiesc o incintă pentru el. Am construit o structură metalică din corniere sudate și o ușă. Apoi peste structură am prins tabla zincată. În interiorul acestei incinte am pus umidificatorul și am facut o gaură pentru a putea introduce aburul în interiorul camerei.

Fig. 2.12

Fig. 2.12

Fig 2.13

Fig 2.14

Fig 2.15

Urmatoarea etapă am construit panoul de comandă și am montat cabluri de alimentare si de comandă din incita umidificatorului pana la panoul de comandă. Deoarece umidificatorul avea butonul de comanda pe carcasa lui a trebuit modoficat și montat un buton în panoul de comandă. Alimentarea umidificatorului se face prin două siguranțe automate de 10A și comanda printr-un buton cu 3 poziții, 1 – oprit, 2 – viteza I, 3 – viteza II. Pentru a vedea pe ce viteza este umidificatorul am pus pe butonul de comandă un led cu doua culori. Culoarea albastră a ledului este prima viteză iar culoarea verde a ledului este a doua viteză.

Fig. 2.16

Fig. 2.17 Panoul de comandă

Fig. 2.18 Alimentarea și comanda umidificatorului

Pentru a masuna umiditatea în interiorul camerei climatice am montat o sonda de măsurare si in panoul de comandă un afișaj digital cu valoarea umidității.

Fig. 2.19 Umidometru

Fig. 2.20 Modificarea comenzii umidificatorului

Fig 2.21 Funcționarea umidificatorului

Fig. 2.22

Dupa terminarea camerei climatice am făcut experimente și am obținut următoarele date din tabel:

Graficul 1 arată evoluția umiditații în funcție de timp

Fig. 2.23

Fig. 2.24 Schema electrica

Concluzii

În această camera climatică se poate testa comportamentul echimpamentelor electrice la umiditate și fiabilitatea lor. Aici mai putem testa și materiale electrotehnice, deoarece ele își schimbă comportamentul când umiditatea este mare.

De exemplu dacă introducem un contactor la o umiditate de 99% timp de câteva minute parametrii lui, curent, tensiune se schimbă.

În urma experimentelor realizate am constatat reacții diferite ale echipamentelor electrice testate la umiditate deoarece ele sunt proiectate sa funcționeze în condiții normale.

Deci echipamentele electrice folosite în condiții de umiditate mare își schimbă parametrii de funcționare și își scurtează perioada lor de funcționare.

Pentru viitor această cameră climatică pe parte de umiditate ar putea fi îmbunătățită cu un controler de umiditate pentru a putea pornii și oprii automat procesul de umidificare.

Bibliografie

1. D. Hoble – Echipamente electrice, Ed. Universității din Oradea 2013

2. D. Hoble, G. Chereji – Instalații electrice, Ed. Universității din Oradea 2004

3. T.Maghiar, D. Hoble, L. Bandici – Instalații și utilizarea energiei electrice, Ed. Universității din Oradea 2000

4. P. Constantinescu A. Nemeș – Controlul prin ultrasunete al metalelor și înbinărilor sudate, Editura tehnică, București, 1967

5. I. Făcăuau, C. Negoiță – Măsurări și control cu ultrasunete, Editura tehnică, București, 1965

6. M. Scheffel, P. Știucă – Dispozitive cu ultrasunete , Editura tehnică, București, 1989

7. M. Ciucudean, T. Mureșan, H. Cârstea ,M. Tănase – Electronică aplicată cu circuite integrate analogice, Editura de vest, Timișoara, 1991

8.http://biblioteca.regielive.ro/proiecte/organe-de-masini/generalitati-privind-echipamentele-de-sudura-cu-ultrasunete-mecanica-271639.html

9. http://documents.tips/documents/cursuri-geodezie-a-2-an-iii-semi.html

10. http://documents.mx/documents/manual-de-curs-biofizica-2013-2014.html

11. http://www.rasfoiesc.com/inginerie/electronica/Generator-sinusoidal-cu-retea-79.php

12. http://www.proiecte.ro/electronica/proiectarea-unui-oscilator-16189