CC BY
76МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЯ ТЕЧЕНИЙ В БЫСТРО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ КЮВЕТЕ
С.В. Субботин, М.Т. Шаров
Пермский государственный педагогический университет, 614990, Пермь, Сибирская, 24
Описана стробоскопическая методика регистрации структур течений в кювете, которая вращается относительно горизонтальной оси. Наблюдение и фотографирование структур проводятся при импульсном освещении. Синхронизация вспышек света с требуемым положением кюветы обеспечивается фото датчиком и специальной электронной схемой.
Ключевые слова', вращение, фотодатчик, фотовспышка, стробоскопическое освещение.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
При экспериментальном изучении движения жидкости во вращающейся прозрачной кювете необходимо визуально контролировать характер течения и фотографировать его типичные структуры. Ниже предлагается методика проведения экспериментов с использованием непрерывного стробоскопического освещения кюветы при визуальном наблюдении течения. Для фотографирования течения используется импульсная осветительная лампа с повышенной энергией вспышки. Однократная вспышка лампы происходит при необходимом положении кюветы после открытия затвора фотоаппарата. Данная методика может использоваться для проведения исследований с любыми периодически движущимися объектами, если имеется возможность фиксировать их определенное положение с помощью датчика, формирующего электрический импульс синхронизации. Представленная методика была успешно опробована в исследованиях, описанных в работе [1].
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Кювета 1 в виде параллелепипеда закреплена на валу 2, который приводится во вращение. На валу установлен диск 3 с узкой щелью.
© Субботин С.В., Шаров М.Т., 2011
Стрелка у диска указывает направление вращения. Когда щель находится в положении В, через неё проходит излучение полупроводникового светодиода 4 на фотодиод 5. Диоды вместе с диском 3 образуют датчик определенного положения кюветы, в котором необходимо контролировать и фотографировать исследуемое течение. Для выбора другого положения кюветы диск 3 нужно повернуть относительно вала 2 и закрепить в новом требуемом положении.
Свето- и фотодиод подключены к электронному блоку 6, в котором по сигналу с фотодиода формируются импульсы синхронизации, соответствующие положению В щели диска 3. Электронный блок имеет два режима работы: визуальное наблюдение и фотографирование. В первом режиме импульсы синхронизации непрерывно поступают на стробоскоп 7, что обеспечивает видимое статическое положение кюветы. Во втором режиме стробоскоп отключается, и блок 6 переводится в режим ожидания импульса запуска от диодного фотодатчика 8. Этот датчик срабатывает от вспышки фотоаппарата 9, которая происходит после открытия фотозатвора.
На рис. 1 вспышка фотоаппарата 9 обозначена стрелкой А, когда щель диска 3 находится в положении А, предшествующем положению В. Импульс от датчика 8 переключает блок 6 из режима ожидания в рабочее состояние. При этом очередной синхроимпульс, который поступает от фотодиода 5, посылается на блок освети-
тельной лампы 10, и она генерирует яркую вспышку света в момент, соответствующий наблюдаемому положению кюветы.
115 Зк
С1 ЮмкФ, 16В
п±
УП1 КС156А
Выход
- 9В
УТ1 КТ361Д
УТ2-УТ4 КТ315Б
Рис. 2. Схема оптоэлектронного датчика
На рис. 1 блок лампы ориентирован для бокового освещения кюветы. Вспышка лампы обозначена стрелкой В. Использование осветительной лампы с собственным источником питания позволяет осуществлять регулировку энергии вспышки в широких пределах, что необходимо для выбора оптимальных условий фотографирования при разных ракурсах освещения кюветы.
2. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК
Принципиальная схема оптоэлектронного датчика представлена на рис. 2. Оптопару с открытым каналом составляют светодиод Н1Л и фотодиод ВЫ. Сила тока светодиода, т.е. интенсивность его светового потока, определяется сопротивлением резистора Ш. Резистор Я2 необходим для формирования сигнала, снимаемого с фотодиода. Этот сигнал усиливается транзистором УТ1 и подается на триггер Шмидта, собранный на транзисторах УТ2 и УТЗ. Триггер является пороговым элементом, позволяющим формировать импульсы синхронизации практически прямоугольной формы.
На выходе датчика собран эмиттерный повторитель на транзисторе УТ4. Он предназначен для ослабления электромагнитных помех, которые могут возбуждаться в проводниках, соединяющих
датчик с электронным блоком. Соединяющие проводники в виде шнура подключаются к вилке выходного разъема XI. Выходной синхронизирующий импульс снимается с контактов XI.2, XI.3. Через контакты XI. 1, Х1.3 на датчик подается постоянное напряжение питания 9 В. Стабилитрон УЭ1 и резистор ЮЗ обеспечивают напряжение питания схемы, приблизительно равное 5.5 В.
Схема датчика собирается на небольшой печатной плате, которая располагается непосредственно возле диска 3 (рис. 1). Поскольку полупроводниковые приборы имеют значительные разбросы параметров, то при настройке схемы может возникнуть необходимость подбора сопротивлений резисторов 112-115 и Ю1.
3. БЛОК СИНХРОНИЗАЦИИ
Принципиальная схема блока синхронизации включает оптопару с закрытым каналом ЭА1 (рис. 3), излучающий диод которой через ограничительный резистор Я2 подключен к вилке входного разъема XI. Оптопара используется для ослабления возможных электромагнитных помех, возникающих в проводниках соединительного шнура между оптоэлектронным датчиком и блоком синхронизации. Синхроимпульсы вспышек света формирует усилитель, собранный на фототранзисторе оптопары и транзисторе УТЗ. На выходе усилителя включен эмиттерный повторитель на транзисторе УТ5 для согласования усилителя с входом логического элемента И ЭЭ 1.1.
В режиме визуальных наблюдений синхроимпульсы с оптоэлектронного датчика непрерывно поступают на входной разъем XI, после усиления через замкнутые контакты 8А1.2 переключателя режимов работы они поступают на розетку выходного разъема ХЗ, к которой подключается вход стробоскопа.
На рис. 3 также представлена схема фотодатчика вспышки фотоаппарата, которая аналогична схеме оптоэлектронного датчика (рис. 2). Она включает фотодиод ВЫ с усилителем на транзисторе УТ1, триггер Шмидта на транзисторах УТ2, УТ4. Датчик вспышки отличается от оптоэлектронного датчика наличием в выходной цепи инвертора на транзисторе УТ6. Инвертор преобразует импульс с высоким уровнем напряжения, сформированный триггером Шмидта, в импульс с низким уровнем напряжения, который требуется для управления триггером на логических элементах ЭЭ1.3. 001.4.
Блок синхронизации переводится в режим формирования одиночного импульса синхронизации переключателем в А1. При этом
199
Я6 180к
XI.1 И2 200
Вход
С1 0.39мкФ, 16В
001.4
ОБІ К155ЛАЗ
УТ1, УТЗ КТ361Д УТ2, УТ4-УТ7 КТЗ15Б
Рис. 3. Схема блока синхронизации
Конвективные течения... ,2011
контакты Ь А1.2 размыкаются, и стробоскопическое освещение отключается. Замыкание контактов Ь А1.2 обеспечивает возможность подачи одного синхроимпульса на блок осветительной лампы 10 (рис. 1), который подключается к выходной розетке Х2.
Выбор одного синхроимпульса для запуска осветительной лампы осуществляется с помощью 118-трштера на логических элементах ЭЭ1.3 и ЭЭ1.4. реализующих логическую функцию конъюнкцию. При включении питания блока синхронизации цепочка резисторов Ш9, 1121 вместе с конденсатором С1 обеспечивает на некоторое время низкое напряжение на входе Я триггера. В результате он устанавливается в исходное нулевое состояние. При этом на его прямом выходе начинает действовать низкое напряжение. Оно поступает на вход логического элемента 001.1 и блокирует прохождение через этот элемент непрерывно поступающих на его второй вход импульсов синхронизации с эмиттера транзистора УТ5. При этом на выходной розетке Х2 устанавливается низкий уровень напряжения. Триггер может находиться в исходном состоянии сколь угодно долго, пока на него подается напряжение питания.
В режиме однократной вспышки лампы 10, когда переключатель 8А1 переведен во второе по схеме рис. 3 положение, блок синхронизации работает в следующем порядке. Сначала схема находится в режиме ожидания вспышки света от фотоаппарата. После открытия затвора фотоаппарат генерирует световой импульс, отмеченный стрелкой А на рис. 1. В этот момент кювета и вместе с ней щель диска 3 находятся в некотором положении А. Световой импульс возбуждает в диоде ВЫ (рис. 3) фототок, что приводит к срабатыванию триггера Шмидта, который формирует импульс управления Я8-триггером. В результате на входе в триггера напряжение резко падает, и он переключается в единичное состояние. На его выходе () устанавливается высокий уровень напряжения, открывающий элемент 001.1 для пропускания синхроимпульса. Этот импульс появляется позже, когда щель диска 3 переместится в положение В (рис. 1). Импульс проходит через элементы 001.1 и 001.2 и с розетки Х2 поступает на блок осветительной лампы, инициируя её синхронную вспышку, которая на рис. 1 отмечена стрелкой В.
Синхроимпульс с контакта Х2.2 выходной розетки поступает также на транзистор УТ7, который до этого находился в запертом состоянии. Импульс открывает транзистор, напряжение на его
XI. 1 ІІ1 200
>н=і-
С1 0.1 мкФ,
Вход
XI .2
С4 47мкФ, 160В
УТ1 КТ361Д
СЗ О.змкФ, 16В
Рис. 4. Схема блока осветительной лампы
коллекторе резко падает, и, соответственно, падает напряжение на входе Я триггера. В результате триггер возвращается в исходное нулевое состояние и низким уровнем напряжения с выхода () блокирует прохождение синхроимпульсов на блок осветительной лампы.
Схема блока синхронизации собрана на печатной плате, которая размещена в отдельном корпусе. При настройке схемы блока может возникнуть необходимость подбора значений сопротивлений резисторов 113-115 и Ш1.
4. БЛОК ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ ЛАМПЬТ
На рис. 4 приведена схема блока осветительной лампы, в качестве которой использовалась импульсная фотоосветительная лампа УЬ1 типа ИФК-120 с энергией вспышки до 120 Дж. Управление поджигом лампы осуществляется по входу XI, который подключается к выходу Х2 блока синхронизации (рис. 3). На входе установлена оптоэлектронная пара ЭА1 для ослабления возможных электромагнитных помех со стороны длинных соединительных проводников входной цепи. Оптопара и транзисторы УТ1 и УТ2 собраны аналогично входной цепи блока синхронизации.
Поджиг импульсной лампы обеспечивается повышающим трансформатором Тр1, в цепь первичной обмотки которого включен конденсатор поджига С1. Выводы от обмотки и от конденсатора подсоединены соответственно к аноду и катоду тиристора У31. В режиме ожидания тиристор находится в непроводящем состоянии, а конденсатор заряжен до напряжения примерно 90 В. При этом разрядный конденсатор С2 большой емкости также заряжен почти до напряжения 300 В.
Поступающий от блока синхронизации импульс преобразуется и подается на управляющий электрод тиристора У31 и переключает его в проводящее состояние. Конденсатор С1 подключается параллельно первичной обмотке трансформатора поджига. Происходит разряд конденсатора. С вторичной повышающей обмотки трансформатора высокое напряжение поступает на поджигающий электрод импульсной лампы УЪ1 и возбуждает в ней газовый разряд. Конденсатор С1 создает через лампу кратковременный импульс тока значительной силы. Протекание тока сопровождается интенсивной вспышкой лампы. После разряда конденсаторов свечение лампы прекращается, восстанавливается высокое сопротивление газа меяеду её электродами, и оба конденсатора снова заряжаются от своих выпрямителей. В данной схеме использовался трансфор-
матор поджига для лампы ИФК-120 от переносной фотовспышки промышленного изготовления.
Для зарядки конденсаторов С1 и С2 используются однополупе-риодные выпрямители, непосредственно на которые подается сетевое напряжение с номинальным действующим значением 220 В и частотой 50 Гц. Конденсатор С2 заряжается через мощный диод VD2 и резистор R9 с сопротивлением 180 Ом, рассчитанным на мощность тепловыделения 20 Вт. Этот резистор необходим для ограничения начального значения силы тока заряда. Через резистор R7 происходит разряд конденсатора С2 после отключения блока от питающей сети.
В данном варианте блока не предусмотрена регулировка энергии вспышки импульсной лампы. При необходимости её можно регулировать посредством изменения переменного напряжения, подаваемого на диод VD2. Также вместо одного конденсатора С2 можно применить несколько конденсаторов различной емкости.
Зарядку конденсатора С1 и питание входного усилителя обеспечивает выпрямитель на диоде VD3. Последовательно с диодом включены резисторы R8, R10, R11 и стабилитрон VD1. Параллельно стабилитрону подключен конденсатор СЗ. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживает конденсатор С4. Стабилитрон обеспечивает напряжение питания входного усилителя порядка 8 В. Конденсатор СЗ поддерживает рабочее напряжение питания во время усиления синхронизирующего импульса.
Сопротивления резисторов и емкости конденсаторов этого выпрямителя подбираются экспериментально, исходя из следующих обстоятельств. Во-первых, выпрямитель должен обеспечивать напряжение зарядки конденсатора С1, достаточное для стабильного поджига импульсной лампы. Как видно из схемы блока, напряжение зарядки равно сумме напряжений на резисторе R8 и стабилитроне VD1. Во-вторых, в режиме ожидания рабочий ток через резисторы и стабилитрон должен быть небольшим, чтобы тиристор после поджига надежно переходил в непроводящее состояние.
Силовые цепи выпрямителей защищены от случайных перегрузок плавким предохранителем F1. Оптопара DA1 обеспечивает гальваническую развязку цепи входа XI блока от его силовой части, проводники которой имеют непосредственное соединение с силовой сетью напряжением 220 В. Применение оптопары повышает безопасность работы с данным блоком.
Все компоненты блока собраны в отдельном металлическом корпусе вместе с импульсной лампой. Поскольку блок непосредст-
венно подключается к силовой сети напряжением 220 В, то во время использования блока его корпус должен быть надежно заземлен.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 09-01-00665а).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Козлов Н.В., Субботин С.В. Осредненная динамика легкой сферы во вращающейся вокруг горизонтальной оси полости //Конвективные течения... Вып. 5 / Пермь: Перм. гос. пед. ун-т, 2011. С. 101-117.
TECHNIQUE OF FLOW OBSERVATION IN RAPIDLY ROTATIG CAVITY
S.V. Subbotin, M.T. Sharov
Abstract. The stroboscopic technique of recording of flow patterns in the cavity, which rotates about a horizontal axis, is described. The observation and photo registration of structures is performed using the pulsed illumination. Synchronization of flashes of light with a required position of the cavity is provided with photosensor and a special electronic circuit.
Key words', rotation, the photogauge, flashlight, stroboscopic illumination.
