Харкевич А.А. - Автоколебания (1107605), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Следовательно, при очень большой скорости автоколебания уже невозможны. Однако здесь есть еще одна тонкость. Наблюдая все описанные явления экспериментально, Рис. 104. мы отмечаем одно обстоятельство, резко бросающееся в глаза, а именно: пока колебания имеют пилообразный характер, с увеличением скорости вращения частота колебанвй растет, а амплитуда остается неизменной (см. рнс. 103, а и б). Когда же колебания приобрели уже синусоидальный характер, то при увеличении скорости вращения частота остается неизменной— ведь она равна собственной частоте системы, — зато амплитуда растет до поры до времени, пока колебания не сорвутся вовсе.
Но если амплитуда растет, то растет и колебательная скорость (при неизменной частоте). Следовательно, возможность сцепления сохраняется до больших значений скорости, чем зто следовало бы из рнс. 104 в предположении постоянства амплитуды. Наблюдается следующее явление: колебания прекращаются во время увеличения скорости при гораздо большем значении скорости, чем то, прн котором онн возникают, если постепенно уменьшать скорость. Описанные явления легко объясняются при помощи элементарных энергетических соображений.
При увеличении скорости возрастает развиваемая двигателем мощность. Естественно предположить, что при этом возрастает и мощность колеба- 93 19. тегмопгегызлталь ний. Но мощность колебаний растет с колебательной скоростью, которая равна пропзвелепию частоты колебаний на их амплитуду, следовательно, при постоянной амплитуде мощность может возрастать аа счет увеличения частоты, а при постоянной частоте — за счет увеличения амплитуды. Этн закономерности мы и наблюдаем в вышеописанном опыте. Итак, во фрикционной автоколебательной системе возможен плавный переход от релаксацнонных колебаний к почти гармоническим.
Такого рода переход может наблюдаться и в других релаксационных системах цо мере того, как начинает играть все более заметную роль второй накопитель энергии, влиянием которого в чисто релаксационной системе пренебрегают. Таким образом, становятся ясным, что релаксационная система есть вырожденный предельный случай системы более общего вида.
9 19. ТЕРМОПРЕРЫВАТЕЛЬ Биметаллическая пластинка, изгибающаяся при нагреве и размыкающая электрический контакт, составляет основу целого ряда устройств, применяемых в различных отраслях техники. Укажем прежде всего на терморегулятор — устройство для поддержания постоянства температуры, применяемое в термостатах, в которых не требуется высокой степени постоянства температуры '). Действие регулятора состоит в том, что биметаллическая пластинка управляет цепью электрического нагревателя непосредственно или при помощи реле. Когда температура дойдет до установленного верхнего предела, пластинка изогнется и разомкнет контакт.
Когда же температура в термостате понизится и пластинка охладится, она выпрямится и снова замкнет контакт. Температура начнет повышаться, и так далее. Процесс регулирования имеет, таким образом, колебательный характер; описанный терморегулятор является автоколебательной системой. Ее составные части: источник энергни— 9 Для точных термостатов применяются более алелнкатные» регуляторы типа газовых термометров с контактом. Впрочем, меланизм автонолебаияй системы термостат — регулятор не зависит от конструкции регулятора; все существенные черты явлений остаются неизмениымн. в 19. теРмопРеРыихтель источник тока, питающего нагреватель, колебательная система— нагреватель с термостатом.
Колебания имеют тепловую природу; они состоят в периодическом изменении температуры под влиянием периодического подвода и отвода тепла. Клапаном служит биметаллическая пластинка, включающая и выключающая нагреватель. Обратная связь состоит в том, что окружающая среда нагревает или охлаждает биметаллическую пластинку, заставляя ее соответственным образом деформироваться. Сходным образом устроены многие системы передачи показаний, например электрические дистанционные термометры, применяемые в автомобилях для передачи на приборный щиток сведений о температуре воды и масла. В втой последней системе как датчик, так и приемник представляют собою биметаллические пластинки, снабженные нагревательной обмоткой.
В датчике имеется контакт, так что пластинка датчика совершает автоколебания. Но кроме нагрева током, протекающим по нагревательной обмотке, пластинка датчика получает еще дополнительный нагрев от окружающей среды. Повышение температуры среды изменяет среднее положение пластинки; режим датчика изменяется в том смысле, что общее время, в течение которого контакт разомкнут, возрастает. Это вызывает уменьшение среднего тока, проходящего через приемник. Последний представляет собою по существу тепловой амперметр с большой постоянной времени.
Его шкала проградуирована непосредственно на температуру. Если в терморегуляторе автоколебания представляются хотя неизбежным, но, в общем, нежелательным явлением, то в целом ряде устройств создание автоколебаний является основным их назначением. Таковы, например, всевозможные «мигалки»вЂ” устройства для периодического (с большим периодом) включения и выключения огней — рекламных и сигнальных (например, освещение пожарных сигналов, автомобильных указателей поворота и т. п.). Схема такого термопрерывателя крайне проста; она показана на рис.
105. Биметаллическая пластинка состоит из двух слоев с различными коэффициентами теплового расширения. На рис. 105 предполагается, что левый слой имеет больший коэффициент расширения. Если так, то при нагревании пластинка изогнется вправо, как намечено на рисунке пунктиром. 19. теРмопРеРывдтель Рассмотрим действие термопрерывателя, заметив, что ток есть однозначная функция положения пластинки'). Когда по нагревателю начинает проходить ток, то выделяется тепло, иагревающее пластинку. Скорость нагревания зависит от теплоемкости пластинки. Чем теплоемкость больше, тем медленнее повышается температура.
Пренебрегая потерями тепла, можно полагать, что температура пластинки нарастает со временем линейно (если не меняется ток, питающий нагреватель). Когда же ток прекратился, пластинка начинает отдавать тепло более холодной окружающей среде и сама остывает. Скорость остывания зависит от условий теплоотдачи, т. е. Рис 1бб от внешней теплопроводности пластинки. Однако такое описание явлений никак не объясняет возникновения автоколебаиий.
Действительно, стоит только контакту замкнуться, как дополнительное количество тепла, выделившееся в нагревателе, выгнет пластинку и ослабит контакт. А так как характеристика реального контакта может и не иметь разрыва, то возможно равновесное положение без всяких колебаний. Это равновесие характеризуется тем, что выделяется ровно столько тепла, сколько отдается окружающей среде (при неизменном токе).
Следовательно, в нашем описании пропущена какая-то существенная деталь. И действительно, мы упустили нз вида теплоемкость самого нагревателя, а главное — условия тепло- обмена между нагревателем и пластинкой. В действительности благодаря конечной теплопроводностн между нагревателем и пластинкой рост температуры пластинки отстает по отношению к нагревателю. Поэтому, когда контакт уже разомкнулся и выделение тепла прекратилось, дальнейший нагрев пластинки еще продолжается за счет передачи тепла от более т) Фазный сдвиг, игравший решающую роль в случае электромагнитного прерывателя, здесь не принимается во внимание, во-первых, потому, что колебания термопрерывателя происходят с малой частотой (порядка десятых долей герца), а во-вторых, потому, что в цепи принципиально может не быть иидуктивиости — нагревательная обмотка вовсе не обязана ею обладать; например, она может быть бифилярной.
96 й 19. теРмопРеРыяхтель ! ! ! ! ! ! ! га ! ! та горячего нагревателя; пластинка далеко отойдет от контакта, прежде чем ее температура сравняется с температурой нагревателя, после чего она начнет вместе с ним охлаждаться. Когда же в результате охлаждения контакт снова замкнется, пластинка булет еще в течение некоторого времени охлаждаться, пока вследствие повышающейся температуры Г нагревателя не образуется возрастающий поток тепла в пластинку, Этот поток сперва только скомпенсирует теряемое пластинх ! кой тепло — в этот мо- иент прекрзтится ее ох! лаждение — и лишь после этого онз начнет нагреваться. ! ! а Все эти явления пока! ! ! яаны на осциллограммах рис.
106, на котором: ! ! 1 а — изменение тока в це! ! ! пи нагревателя, б — отклонение пластинки, з— температура нагреватеРис. !Об. ля, г — температура пла- стинки. Интересно заметить, что мы не встретились бы с затруднением, если бы начали с рассмотрения автоколебаний терморегулятора: в этом случае ясно видно, что температуры нагревателя и пластинки различны, Однако именно благодаря очевидности этого обстоятельсзва (в случае регулятора) мы рисковали бы не оценить должным образом его решающее значение. Данная системз довольно сложна в том отношении, что мы имеем, в сущности, колебания двоякой природы — механические и тепловые.
Мы можем по нашему желанию рассматривать колебательную систему как механическую, а все тепловые явления отнести к механизму обратной связи. Можем поступить и иначе — рассматривать тепловые колебании, а механические явления отнести к механизму управления. Мы не будем развивать эти соображения. 97 20. АитоколеБАния В тРуБАх В ззключенпе отметим еще интересные тепловые автоколебания, наблюдаемые иногда в угольных микрофонах, Конструкция такого микрофона показана на рис, 107.
Между угольной диафрагмой! и угольной колодкой 2 засыпан угольный же порошок, удерживаемый войлочным кольцом 3, не препятствующим колебаниям диафрагмы. Диафрагма завальцована по краю в корпус 4. При включении постоянного тока диафрагма может совершать медленные (с периодом порядка минут) автоколебания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
