Back

ⓘ Metod hidrauličke analogije




Metod hidrauličke analogije
                                     

ⓘ Metod hidrauličke analogije

Metod elektronične hidrauličke analogije je najšire korišćena analogija za elektronski fluid u metalnom provodniku. Pošto je električna struja nevidljiva i procesi u elektronici se teško demonstriraju različite elektronične komponente su prikazane hidrauličkim ekvivalentima. Elektricitet su u početku smatrani vrstom fluida a imena pojedinih električnih veličina kao što je struja, su izvedena iz hidrauličnih ekvivalenata kao i sve analogije i ova zahteva intuitivno i stručno poznavanje osnovnih paradigmi.

                                     

1. Osnovne ideje

Postoje dve osnovne ideje:

  • Verzija sa pritiskom izazvanim gravitacijom. Veliki bazen sa vodom se postavi visoko ili se puni do različitih nivoa vode i potencijalna energija glavnice vode je izvor pritiska. Ovo podseća na električne dijagrame sa podignutom strelicom koja pokazuje na +V, uzemljene pinove koji se inače ne pokazuju povezani sa bilo čim, itd.
  • Potpuno zatvorena verzija sa pumpama koje daju samo pritisak ali ne i gravitaciju. Ovo podseća na dijagram kola sa prikazanim izvorom napona a žice upotpunjuju kolo.

Primene: Promenjive proteka i pritiska mogu biti izračunate u mreži protoka fluida upotrebom metoda hidrauličke Omove analogije. Metod se može primeniti u situacijama stabilnog i promenjivog toka.

                                     

2. Ekvivalenti komponenti

Žice Relativno široka cev u potpunosti ispunjena vodom je ekvivalent komadu žice. Da bi se uporedila sa žicom cev treba da ima polutrajne zatvarače na krajevima. Spajanjem jednog kraja žice sa kolom je ekvivalentno nasilnom otvaranju jednog dela cevi i spajanju sa drugom cevi. Uz nekoliko izuzetaka kao što je visoko naponski izvor struje, žica sa samo jednim krajem pričvršćenim za kolo neće ništa uraditi; cev ostaje zatovorena na slobodnom kraju i prema tome ništa ne dodaje na kolo. Električni potencijal Uopšteno govoreći to je ekvivalent hidrauličnom udaru. U ovom tekstu uzeto je da voda teče horizontalno pa je sila gravitacije zanemarljiva, a električni potecijal je ekvivalentan pritisku. Napon Takode nazvan i pad napona ili razlika potencijala. Razlika u pritisku izmedu dve tačke. Najčešće se meri u voltima. Naelektrisanje Ekvivalent je količini vode. Struja Ekvivalent je hidrauličkom volumetrijskom protoku što je zapremina vode koja protiče po jedinici vremena. Najčešće se meri u amperima. Idealan izvor napona, ili idealna baterija Dinamička pumpa sa kontrolom povratne veze. Aparat za merenje pritiska na obe strane pokazuje da bez obzira na što se proizvodi struja ova vrsta pumpe proizvodi i konstantnu razliku u pritisku. Ako se jedan terminal drži fiksiran za zemlju, druga analogija je velika količina vode na velikoj visini, dovoljno velika količina vode da istekla voda ne utiče na nivo preostale vode. Idealan izvor struje A Pumpa sa stalnim dotokom. Aparat za merenje struje mali točak sa lopaticom pokazuje da kada se ova vrsta pumpe dovede do konstantne brzine, ona održava konstantnu brzinu točka sa lopaticom. Otpornik Suženje prolaza u cevi zahteva više pritiska da bi prošla ista količina vode. Sve cevi imaju neki otpor prema toku, baš kao što i sve žice imaju neki otpor na struju. Kondenzator Posuda sa jednom vezom sa svake strane i gumenom preprekom koja deli jednu posudu po dužini na dve a hidraulički akumulator. Kada se voda pusti u jednu cev, jednaka količina vode se istovremeno ispušta iz druge cevi ali voda ne prolazi kroz gumenu barijeru. Energija se čuva istezanjem gume. Što više struje teče" kroz" kondenzator povratni pritisak napon postaje veći, tako struja dovodi napon u kondenzator. Kako se povratni pritisak iz istegljene gume približava primenjenom pritisku struja se smanjuje. Na ovaj način kondenzatori filtriraju konstantne razlike pritiska i sporo promenjive, nisko frekventne razlike u pritisku dok istovremeno dozvoljavaju brze promene pritiska da produ. Treba obratiti pažnju da će uredaj o kojem je reč proći kroz sve promene pritiska podjednako dobro bez obzira na nivo promene baš kao električni kondenzator. Bilo koji uredaj u nizu mora da se pridržava električni prvog Kirhofovog zakona ili njegovog hidrauličkog ekvivalenta. U odnosu na filterski rad, bolja i preciznija analogija je hidraulički akumulator" posuda pod pritiskom" kako je opisano ali sa zatvorenim, vazdušnim mehurom pod pritiskom i samo jednom vezom sa vodom. Takvi akumulatori se često koriste u hidrauličkim energetskim sistemima u svrhu izbacivanja uspona i padova pritiska zbog otvaranja i zatvaranja ventila. Induktor Masivan točak sa lopaticama koji se postavlja u protok. Masa točka i veličina lopatica ograničavaju sposobnost vode da brzo menja nivo protoka struja kroz točak zbog efekta inercije ali posle nekog vremena konstantan tok će neometano proći u najvećem delu kroz točak pošto se on okreće istom brzinom kojom teče voda. Masa i površina oblasti točka i njegovih lopatica su analogne induktivnosti, a trenje izmedu osovine i nosača osovine odgovara otporu koji prati bilo koji induktor koji nije superprovodljiv.

Alternativni model induktora je jednostavno duga cev koja se može uviti u spiralu radi lakše upotrebe. Uredaj za inerciju fluida se koristi u praksi kao osnovna komponenta hidrauličnog ovna. Inercija protoka vode kroz cev proizvodi efekat indukcije. Induktori filtriraju brze promene toka ali dozvoljavaju protok spore varijacije struje. Prepreka koju predstavljaju zidovi cevi je delimično analogna parazitskom otporu.

U oba modela razlika u pritisku napon u celom aparatu mora da bude prisutna pre nego što struja počne da teče, prema tome induktori napona "vode" struju. Kako se struja povećava približavajući se granici postavljenoj od strane njenog sopstvenog unutrašnjeg trenja i granici struje koju može da dā ostatak kola pritisak pada svuda u aparatu.

Dioda Ekvivalent je jednosmernom ventilu sa blago propustljivom osnovom. Kao i kod diode male razlike u pritisku su potrebne pre nego što se ventil otvori. I nalik diodi previše obrnuto polarizovan može da ošteti ili uništi ventil. Tranzistor Ventil u kojem prepreka koju kontroliše nisko naponski signal ili konstantna struja za BJT ili konstantni pritisak za FET pokreće klip koji utiče na struju koja prolazi kroz drugi deo cevi. CMOS A combination of two MOSFET transistors. As the input pressure changes, the pistons allow the output to connect to either zero or positive pressure. Pompornik Ventil u obliku igle kojim upravlja merač protoka. Kako voda prode u smeru ka napred, ventil u obliku igle više ograničava protoke, kako voda protiče u suprotnom smeru, ventil u obliku igle se više otvara stvarajući manji otpor.
                                     

3. Glavni ekvivalenti

EM brzina talasa brzina širenja Brzina zvuka u vodi kada se podigne prekidač za svetlo električni talasi putuju veoma brzo kroz žice. Brzina protoka naelektrisanja brzina kretanja Brzina čestica vode. Pokretno naelektrisanje se kreće poprilično sporo. DC Stalni protok vode u kolu cevi Nisko frekventna AC Voda oscilira napred-nazad u cevi Visoko frekventni AC i transmisione linijes Zvuk se prenosi kroz cevi sa vodom. Treba biti svestan da ovo ne oslikava u potpunosti ciklični obrt naizmenične električne struje.

Kako je opisano protok fluida prenosi fluktuacije pritiska ali fluidi se ne obrću u hidrauličnim sistemima, što gore pomenuta niskofrekventnost ne opisuje precizno.

Bolji koncept ako su fenomen zvučni talasi je direktna struja sa nadogradenim niskofrekventnim "talasom".

Pobudna varnica Koristi se u induktivnim kalemovima, slična je vodenom udaru izaziva je inercija vode.

Pogledati takode Bond graph.

                                     

4. Granice analogije

Ako se predaleko odvede vodena analogija može da dovede do pogrešnih zaključaka. Da bi bila korisna moramo da budemo svesni oblasti gde se elektricitet i voda ponašaju veoma različito.

Polja Maksvelove jednačine, indukcija Elektroni mogu da poguraju ili privuku druge udaljene elektrone putem njihovih polja dok molekuli vode trpe sile samo uz direktni kontakt sa drugim molekulima. Zbog ovoga talasi u vodi putuju brzinom zvuka ali talasi u moru elektriciteta će putovati mnogo brže pošto sile jednog elektrona utiču na mnoge udaljene elektrone a ne samo na susedne sa kojima su u direktnom kontaktu. U hidrauličkoj transmisionoj liniji energija teče kao mehanički talasi kroz vodu, ali u električnoj transmisionoj liniji energija teče kao polja u prostoru koji okružuje žice i ne teče u metalu. Takode, ubrzanje elektrona povućiće njegove susede dok ih privlači i to zbog magnetskih sila. Naelektrisanje Za razliku od vode, pokretni nosioci naelektrisanja mogu biti pozitivni ili negativni. Pokretni nosioci u električnim strujama su najčešće elektroni ali ponekad su oni pozitivno naelektrisani kao što su H+ joni u protonskim provodnicima ili rupama u poluprovodnicima ρ- tipa i nekim veoma retko provodnicima. Protočne cevi Električno naelektrisanje električnog kola i njegovih elemenata je najčešće, skoro uvek nula, prema tome ono je skoro konstantno. Ovo je formalizovano u prvom Kirhofovom zakonu koji nema analogiju u hidrauličnim sistemima gde količina vode najčešće nije konstantna. Čak i uz stišljivu tečnost sistem može da sadrži takve elemente kao što su pokretni klipovi i otvoreni bazeni tako da zapremina tečnosti koja se nalazi u delu sistema može da se menja. Zbog ovoga kontinualne električne struje zahtevaju zatvorene petlje a ne hidrauličke otvorene izvore/rezervoare koje liče na slavine i kofe.

Džejms Tarber govorio je o svojoj baki sa majčine strane na ovaj način:

Prirodno je došla do svojih zbunjujućih i neutemeljenih strahova jer je njena majka proživela poslednje godine svog života u užasnoj sumnji da je struja nevidljivo kapala svuda po kući. - Moj život i teška vremena 1933.

Brzina fluida i otpor metala Kao i kod creva za vodu, brzina kretanja nosioca u provodnicima je direktno proporcionalna struji. Medutim voda je izložena povlačenju samo kroz unutrašnju površinu cevi, dok je naelektrisanje usporeno u svim tačkama unutar metala. Takode tipična brzina nosioca naelektrisanja u okviru provodnika je manje od santimetra po minutu i" električno trenje" je izuzetno visoko. Ako bi naelektriasanje ikada proticalo ovako brzo koliko voda može da teče kroz cevi, električna struja bi postala ogromna i provodnici bi postali užareni do tačke paljenja i možda bi isparili. Da bi se napravio model otpora i brzine naelektrisanja u metalima možda bi cev ispunjena sunderom ili slamčica ispunjena sirupom bile bolja analogija od cevi za vodu velikog prečnika. Otpor u većini električnih provodnika je linearna funkcija: kako se struja povećava pad napona se povećava proporcionalno Omov zakon. Otpor tečnosti u cevima nije linearan sa zapreminom već varira kao kvadrat volumetrijskog protoka videti Darsi-Vajbahovu jednačinu. Kvantna mehanika Provodnici i izolatori sadrže naelektrisanje na više od jednog celog nivoa orbitalne energije atoma dok voda u jednom delu cevi može da ima samo jednu vrednost pritiska. Zbog toga nema hidrauličkog objašnjenja za stvari kao što je sposobnost baterije da pumpa naelektrisanje, pad napona diode, funkcije solarnih ćelija, Peltijerov efekat, itd, medutim, mogu se napraviti ekvivalentni uredaji koji daju slične odgovore, mada neki od mehanizama bi samo služili za regulaciju krivih protoka pre nego što bi doprineli primarnoj funkciji komponente.

Da bi postojala korist čitalac ili student mora da ima primetno znanje o modelu hidraulici sistemskih principa. Takode je potrebno da postoji mogućnost da se ti principi transformišu u ciljni električni sistem. Hidraulički sistemi su varljivo jednostavni: fenomen kavitacije pumpe je poznat složen problem koji, malo ljudi van industrije prerade fluida i irigacije mogu da razumeju. Za one koji razumeju, analogija je zanimljiva, pošto ne postoji ekvivalent kavitacije u električnom inžinjeringu. Hidraulička analogija može oda pogrešan utisak jasnoće koja će biti otkrivena kad se dobije deteljan opis teorije električnih kola.

Moraju se uzeti u obzir teškoće u pokušajima da analogija uspe. Gore pomenuto" električno trenje" u primeru gde je hidraulični analog cev napunjena sunderom ilustruje problem. Model mora biti složeniji izvan svakog realnog scenarija.



                                     

5. Spoljašnje veze

Dobra analogija

  • Newsgroup thread with lots of good analogies and a few bad ones
  • Hyperphysics
  • Capacitor analogy
  • With animations! - The paddle behaves like a resistor if the paddle itself is massless and has friction, and like an inductor if it is frictionless and has mass. Also has equivalent equations.
  • Hyperphysics 2 - Doesnt have the reservoir.
  • Ohms law

Prihvatljiva analogija

  • Measuring electricity
  • Water analogy to transistors Slightly better version would be something like an exhaust gas recirculation EGR valve
  • Animation
  • Plumbing analogy
  • Basic circuit theory
  • Understanding Electricity - an analogy with water