УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ Российский патент 1995 года по МПК G09B23/18 H01J41/08 

Изобретение относится к средствам создания статических электрических зарядов и может быть использовано в учебных опытах, а также в устройствах для нейтрализации поверхностных электрических зарядов и различного рода запальных устройствах.

Устройства подобного рода известны. Так, например, в системе школьного оборудования и средств обучения имеется аналог-преобразователь высоковольтный школьный "Разряд-1" (ТУ25-05, 1445-78, рег. номер во всесоюзном фонде стандартов (ВИФСе) N 1832478 от 25.06.78). Данное устройство представляет собой электронный преобразователь низкого напряжения 220 В переменного тока от внешнего источника электропитания в высокое напряжение постоянного тока. К недостаткам данного аналога относятся:
сложность и громоздкость конструкции, создающие неудобства в обращении и ограниченную область использования;
устройство опасно из-за связи с внешним источником тока, опасным в обращении;
низкая надежность из-за сложной электронной схемы и зависимости от внешнего источника напряжения.

Более близким аналогом предложенного устройства является "Устройство для создания электрического разряда" (см. а. с. N 1449993, кл. G 09 B 23/18, 1986), которое предназначено для учебных опытов. Данное устройство содержит автономный пьезоэлектрический преобразователь механического усилия сжатия в электрическое высокое напряжение. Преобразователь выполнен в виде механизма сжатия с рычажным манипулятором, включающем жесткий каркас-ярмо, внутри которого совместно с приводным элементом рычажного манипулятора зафиксирован пьезогенератор в виде блока пьезоэлементов. Выводы блока пьезоэлементов соединены с выходными контактными электродами, которые непосредственно взаимодействуют с внешними приспособлениями для учебных опытов. К недостаткам данного устройства относятся:
электрические потенциалы обоих знаков распределены по металлическим элементам конструкции, ярму и выходным контактным электродам, на которых имеются острые кромки;
при высоком напряжении с острых кромок происходит спонтанное стекание зарядов, т.е. имеют место потери энергии и снижение КПД устройства в целом;
данное устройство ориентировано на применение только совместно с конкретными внешними приспособлениями для опытов, т.е. ограничено в использовании.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является выбранное в качестве прототипа устройство по патенту США N 3912953, кл. Н 01 Z 41/08, 1975. Известное устройство приспособление для источников пьезоэлектрического зажигания содержит пьезогенератор, включающий обойму трубчатой формы из изолирующего материала с парой цилиндрических пьезоэлементов и с опорными вкладышами на торцах. Обойма с пьезоэлементами размещена в механизме сжатия, включающем жесткий каркас и манипулятор с приводным валиком. Одним из торцов пьезогенератор поджат к регулируемому упору внутри каркаса, а другим торцом, через поперечно расположенный приводной валик с зубцом, связан с удлиненным водилом, при этом водило другим концом поджато к противоположному упору внутри жесткого каркаса. На приводном валике по краям закреплены скобы рычага, образующие манипулятор механизма сжатия при ручном воздействии.

Пьезоэлементы в обойме соединены параллельно, за счет того, что сориентированы одноименными полюсами навстречу друг другу и между их торцами внутри обоймы установлен токосъемник, соединенный с изолированным выводом. Противоположные торцы пьезоэлементов, одноименные по знаку полярности через опорные вкладыши, соединены с конструкцией жесткого каркаса, т.е. замкнуты между собой. Таким образом, жесткий каркас является вторым полярным выводом. Воздействие на манипулятор поворачивает приводной валик, за счет чего пьезогенератор подвергается сжатию и возбуждению, а на полярных выводах наводятся заряды при высоком напряжении.

Однако и данное устройство имеет свои недостатки:
жесткий каркас механизма сжатия, являясь полярным выводом устройства, содержит много острых кромок, на которых концентрируются заряды с большей плотностью, чем на остальной поверхности, что ведет при возбуждении высокого напряжения к спонтанному стеканию зарядов, т.е. к потерям энергии и снижению КПД;
утечка зарядов преимущественно только на одном из полюсов, как это имеет место в известном устройстве, создает асимметрию абсолютных величин полярных потенциалов на выводах устройства. Отмеченная асимметрия потенциалов не позволяет использовать известное устройство, например, в учебных опытах, предусматривающих применение равных по величине зарядов обоих знаков одновременно, т.е. сужается область его использования.

Целью предлагаемого изобретения является повышение общего КПД устройства за счет увеличения выходного напряжения, снижения потерь энергии и обеспечение симметрии величин полярных потенциалов и зарядов на выходе.

Поставленная цель достигается тем, что предложенное устройство дополнительно содержит второй пьезогенератор, причем оба пьезогенератора собраны в обоймах из идентичных пьезоэлементов и при этом пьезоэлементы внутри каждого из пьезогенераторов соединены электрически параллельно, а пьезогенераторы между собой последовательно и размещены в одном общем механизме сжатия. Указанное последовательное соединение пьезогенераторов выполнено за счет установки пьезоэлементов, примыкающих положительными полюсами к токосъемнику изолированного вывода в одном из пьезогенераторов и отрицательными полюсами к токосъемнику изолированного вывода в другом пьезогенераторе, а противоположные по отношению к токосъемникам полюса пьезоэлементов в обоих пьезогенераторах соединены все накоротко через конструкцию механизма сжатия. В таком соединении жесткий каркас механизма оказывается практически под нулевым потенциалом, вследствие чего стекание зарядов с острых кромок не происходит и потери энергии устраняются, повышается КПД устройства.

Кроме того, возникает дополнительный положительный эффект: последовательное соединение двух пьезогенераторов в предложенном устройстве обеспечивает удвоение выходного напряжения, способствуя еще большему повышению КПД.

Симметричность абсолютных величин полярных потенциалов и зарядов в предложенном устройстве обеспечивается за счет того, что заряды обоих знаков снимаются с идентичных токосъемников, а усилие сжатия прикладывается к обоим пьезогенераторам одним общим приводным элементом, который собран из группы роликов, включающей опорный ролик, и примыкающих к нему диаметрально противоположно поворотных роликов, к каждому из которых поджат соответствующий пьезогенератор.

На фиг.1 показано предложенное устройство, вид спереди; на фиг.2 то же, в разрезе; на фиг.3 механизм сжатия устройства в невозбужденном состоянии; на фиг. 4 механизм сжатия в момент максимального возбуждения пьезогенераторов; на фиг.5 применение устройства в демонстрационном опыте с приспособлением "султан".

Предложенное устройство включает в себя собранные в пластмассовом корпусе 1 механизм сжатия 2, в котором размещены два идентичных пьезогенератора 3 и 4, изолированные выводы 5 и 6 которых соединены винтами 7 с выходными полярными электродами 8 и 9, закрепленными в боковых втулках 10 и 11 корпуса 1. Пьезогенераторы 3 и 4 выполнены в виде цилиндрических обойм 12 и 13 из электроизоляционного материала, с размещенными внутри каждой двумя идентичными пьезоэлементами 14, при этом в пьезогенераторе 3 пьезоэлементы сориентированы положительными полюсами к токосъемнику 15, а в пьезогенераторе 4 отрицательными полюсами к токосъемнику 16. На своих торцах обоймы 12 и 13 снабжены твердыми металлическими вкладышами 17 и 18 для взаимодействия с опорными и приводными элементами механизма сжатия 2. Оба пьезогенератора размещены симметрично относительно приводного элемента 19 в жестком каркасе 20, составляющем основное звено механизма сжатия, с возможностью предварительного поджатия регулируемыми опорными винтами 21 и 22. Приводной элемент 19 состоит из основного опорного ролика 23 большого диаметра, зафиксированного шарнирно в гнезде, образованного перемычками 24 и 25 в центральной части каркаса 20. На диаметрально противоположных позициях к боковой поверхности ролика 23 примыкают поворотные ролики 26 и 27 меньшего диаметра, к которым поджаты торцами пьезогенераторы 3 и 4. На торцах роликов 23, 26 и 27 закреплены скобы 28 рычага-манипулятора с клавишей управления 29.

Устройство работает следующим образом: в невозбужденном состоянии механизма сжатия пьезогенераторы 3 и 4 занимают положение под некоторым углом к продольной оси каркаса 20 за счет предварительного поджатия винтами 21 и 22. Для приведения устройства в действие необходимо воздействовать небольшим усилием на клавишу управления 29 в направлении стрелки F, в результате чего осуществляется поворот рычага-манипулятора с приводным элементом 19 и перемещение пьезогенераторов в соосное положение с продольной осью каркаса 20. При этом происходит сжатие в продольном направлении обоих пьезогенераторов, их возбуждение и наведение зарядов обоих знаков на выходных полярных электродах 8 и 9. Приведенное таким образом в возбужденное состояние устройство готово для использования в учебных опытах. Так например, в программном демонстрационном опыте с приспособлением "султан" достаточно прикоснуться одним из выходных полярных электродов 8 или 9 к электропроводной стойке 30 "султана", как его лепестки 31, зарядившись одноименными зарядами разойдутся во всех направлениях, демонстрируя картину электрического поля точечного заряда.

На основе предлагаемого изобретения создан опытный образец источника электрических статических зарядов для учебных опытов по электростатике в соответствии с программами средней и высшей школ.

В опытном образце обеспечивается, при воздействии на клавишу механизма, возбуждение высокого напряжения до 20-30 кВ и зарядов на выходных полярных электродах до величин 10 мкКл, которые сохраняются при удержании сжатой клавиши в течение нескольких минут.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность проведения всех демонстрационных опытов, предусмотренных программами по физике, в т.ч. опыты с "султанами", сеткой Kольбе, с бумажными гильзами, с электрометрами и т.п.

Сущность изобретения: устройство содержит собранные в корпусе механизм сжатия двух пьезогенераторов и выходные полярные электроды. Каждый пьезогенератор выполнен в виде цилиндрической обоймы с парой уложенных вдоль оси пьезоэлементов и с твердыми вкладышами на торцах. Пьезоэлементы в каждом из пьезогенераторов соединены электрически параллельно, так как сориентированы одноименными полюсами к токосъемникам изолированных выводов, а пьезогенераторы между собой соединены последовательно через конструкцию механизма, с которой накоротко соединены положительный полюс одного из пьезогенераторов и отрицательный полюс другого. Возбуждение электрических зарядов обоих знаков обеспечивается путем ручного нажатия на клавишу управления, в результате чего поворачивается приводной узел и сжимает оба пьезогенератора одним и тем же усилием одновременно. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ, содержащее первый пьезогенератор в виде цилиндрической обоймы с размещенными в ней пьезоэлементами, опорными вкладышами в торцах, токосъемником, расположенным между пьезоэлементами внутри обоймы и соединенным с ним изолированным выводом, и механизм сжатия в виде жесткого каркаса с рычагом-манипулятором, приводной элемент которого закреплен шарнирно с поджатым к нему первым пьезогенератором, отличающееся тем, что оно содержит второй пьезогенератор, при этом оба пьезогенератора собраны в обоймах из идентичных по параметрам пьезоэлементов, пьезоэлементы внутри каждого пьезогенератора соединены электрически параллельно, а пьезогенераторы между собой последовательно и размещены в одном механизме сжатия совместно с общим приводным элементом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пьезоэлементы примыкающими положительными полюсами обращены к токосъемнику с изолированным выводом в одном из пьезогенераторов и примыкающими отрицательными полюсами к токосъемнику с изолированным выводом в другом пьезогенераторе, а противоположные по отношению к токосъемникам полюса пьезоэлементов в обоих пьезогенераторах соединены накоротко через опорные вкладыши и элементы конструкции механизма сжатия. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что приводной элемент рычага-манипулятора состоит из группы роликов, включающей зафиксированный неподвижно в центре жесткого каркаса опорный ролик и примыкающие к нему диаметрально противоположно поворотные ролики, к каждому из которых поджат торцом соответствующий пьезогенератор.