RU177659U1

RU177659U1 - STAND FOR MEASURING THE OPERATION OF ELECTRON OUTPUT FROM THE SURFACE OF METAL BODIES

Info

Publication number: RU177659U1
Application number: RU2017139300U
Authority: RU
Inventors: Александр Гургенович Сукиязов; Владимир Борисович Зеленцов; Сергей Михайлович Айзикович; Борис Игоревич Митрин
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2018-03-05

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована как для контроля технологического процесса поверхностной отделочно-упрочняющей обработки, а также при проведении лабораторных работ в учебном процессе. Сущность полезной модели заключается в том, что стенд измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел содержит магнитный вибратор выполнен виде стального П-образного упругого элемента жестко связанного с нижней параллельной стороной на основании из немагнитного материала, внутри упомянутого упругого элемента со стороны основания укреплен один полюс электромагнита возбуждения с обмоткой соединенной с генератором прямоугольных импульсов и сердечником параллельным перекладине П-образного упругого элемента, а его другой полюс образует зазор с верхней параллельной стороной упругого элемента, кроме того, снаружи верхней параллельной стороны упругого элемента в ее продолжении укреплен один конец легкой пластиковой балки с ребрами жесткости, на другом конце которого укреплен измерительный зонд, при этом частота генератора прямоугольных импульсов кратна собственной частоте колебания пластиковой балки с измерительным зондом. Технический результат - упрощение процесса изготовления и упрощение конструкции устройства. 3 ил.The utility model relates to measuring technique and can be used both to control the technological process of surface finishing and hardening processing, as well as during laboratory work in the educational process. The essence of the utility model is that the stand for measuring the electron work function from the surface of metal bodies contains a magnetic vibrator made in the form of a steel U-shaped elastic element rigidly connected to the lower parallel side on the base of non-magnetic material, inside the mentioned elastic element from the base one pole is strengthened an excitation electromagnet with a winding connected to a rectangular pulse generator and a core parallel to the crossbar of a U-shaped elastic element, and its the angular pole forms a gap with the upper parallel side of the elastic element, in addition, on the outside of the upper parallel side of the elastic element, one end of the lightweight plastic beam with stiffeners is reinforced in its extension, the measuring probe is fixed at the other end, while the frequency of the rectangular pulse generator is a multiple of the natural frequency vibrations of a plastic beam with a measuring probe. The technical result is a simplification of the manufacturing process and a simplification of the design of the device. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована как для контроля технологического процесса поверхностной отделочно-упрочняющей обработки, а также при проведении лабораторных работ в учебном процессе.The utility model relates to measuring technique and can be used both to control the technological process of surface finishing and hardening processing, as well as during laboratory work in the educational process.

Предлагаемый стенд реализует измерение работы выхода электрона методом Кельвина-Зисмана (метод вибрирующего электрода: Илюкович A.M. Техника электрометрии. М.:» Энергия» 1976. с. 400, стр. 336-339), в основе которого лежит динамический конденсатор, обкладки которого выполнены из различных металлов. Один электрод (неподвижный) - представляет собой исследуемый материал, а другой (вибрирующий) - является эталонным металлом, работа выхода электронов из которого известна. Вне зазора металлы гальванически соединены. Суть метода состоит в том, что в зазоре между указанными металлами, образующими плоский конденсатор, возникает электрическое поле, определяемое различием поверхностных потенциалов электродов. Периодическое изменение зазора конденсатора приводит к тому, что напряженность поля в зазоре также изменяется. Это приводит к появлению переменного тока во внешнем проводнике, соединяющем электроды. Частота переменного тока равна частоте колебания вибрирующего электрода. Включив в разрыв цепи конденсатора источник напряжения и, регулируя его, добиваются исчезновения тока при перемещении одного из электродов. Искомую величину контактной разности потенциалов определяют, измеряя напряжение на источнике при нулевом токе конденсатора.The proposed stand implements the measurement of the electron work function by the Kelvin-Zisman method (vibrating electrode method: Ilyukovich AM Electrometry Technique. M .: "Energy" 1976. p. 400, p. 336-339), which is based on a dynamic capacitor, the plates of which are made from various metals. One electrode (fixed) - represents the material under study, and the other (vibrating) - is the reference metal, the work function of the electrons from which is known. Outside the gap, the metals are galvanically connected. The essence of the method is that an electric field arises in the gap between the indicated metals forming a flat capacitor, which is determined by the difference in the surface potentials of the electrodes. Periodic change in the gap of the capacitor leads to the fact that the field strength in the gap also changes. This leads to the appearance of alternating current in an external conductor connecting the electrodes. The frequency of the alternating current is equal to the oscillation frequency of the vibrating electrode. By including a voltage source in the open circuit of the capacitor and regulating it, the current disappears when one of the electrodes is moved. The desired value of the contact potential difference is determined by measuring the voltage at the source at zero capacitor current.

Одной из проблем реализации измерителей контактной разности потенциалов (КРП), основанных на методе Кельвина-Зисмана является конструкция вибрационного привода (вибратора), обеспечивающего колебание эталонного электрода в динамическом конденсаторе. Известна конструкция вибрационного привода с электростатическим возбуждением динамического конденсатора (Weissman Е., Petersen С., Tarina D. - « J. Physics. Ser. E.»,1968, v. 1, p. 426-428). Подвижная обкладка, выполненная виде пластинки слюды, позолоченной с обеих сторон, расположена между двумя неподвижными обкладками. Одна из неподвижных пластин образует с подвижной слюдяной пластинкой исследуемый воздушный зазор. Между второй неподвижной пластины и подвижной слюдяной пластинкой приложено переменное напряжение с собственной частотой свободных колебаний подвижного электрода. Эта конструкция обладает рядом существенных недостатков. Так как колебание эталонного электрода возникает вследствие электростатического взаимодействия, то для этого требуется достаточно большое напряжение. Кроме того, частота возбуждающего напряжения равна частоте полезного сигнала. Это усложняет конструкцию выделения полезного сигнала. Достаточно сложно и дорого изготовить описанную выше слюдяную пластинку и ее крепление.One of the problems with the implementation of contact potential difference meters (KPIs) based on the Kelvin-Zisman method is the design of a vibratory drive (vibrator), which ensures the oscillation of the reference electrode in a dynamic capacitor. A known design of a vibratory drive with electrostatic excitation of a dynamic capacitor (Weissman E., Petersen C., Tarina D. - "J. Physics. Ser. E.", 1968, v. 1, p. 426-428). A movable plate made in the form of a mica plate, gilded on both sides, is located between two fixed plates. One of the fixed plates forms the studied air gap with the movable mica plate. Between the second fixed plate and the moving mica plate, an alternating voltage is applied with the natural frequency of free vibrations of the moving electrode. This design has a number of significant drawbacks. Since the oscillation of the reference electrode occurs due to electrostatic interaction, this requires a sufficiently large voltage. In addition, the frequency of the exciting voltage is equal to the frequency of the useful signal. This complicates the design of the selection of the useful signal. It is rather difficult and expensive to make the mica plate described above and its fastening.

Другим примером устройства возбуждения динамического конденсатора может служить устройство, основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта (Пантелеев К.В. Методы и средства измерения контактной разности потенциалов на основе анализа компенсационной зависимости зонда Кельвина. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Минск, 2016. С. 11 рис. 4). В данном устройстве вибрационный привод эталонного электрода выполнен на биморфной пьезоэлектрической пластине. Недостатком этого привода является высокая цена и сложность изготовления биморфной пьезоэлектрической пластины, а также и необходимость достаточно мощного источника возбуждающего напряжения. Кроме того, пьезоэлемент является хрупким элементом, что снижает надежность общей конструкции.Another example of a dynamic capacitor excitation device can be a device based on the use of the piezoelectric effect (Panteleev K.V. Methods and means of measuring the contact potential difference based on the analysis of the compensation dependence of the Kelvin probe. Abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Minsk, 2016. S. 11 Fig. 4). In this device, the vibration drive of the reference electrode is made on a bimorph piezoelectric plate. The disadvantage of this drive is the high price and complexity of manufacturing a bimorph piezoelectric plate, as well as the need for a sufficiently powerful source of exciting voltage. In addition, the piezoelectric element is a fragile element, which reduces the reliability of the overall design.

Наиболее близким аналогом является вибрационный привод (см. SU 1494732 А1, МКИ G01R 29/12, опубл. 07.01.1991), устройство для измерения контактной разности потенциалов содержит электромагнитный вибратор с катушкой индуктивности и подвижным элементом (мембраной) на котором жестко укреплен измерительный зонд, расположенный над поверхностью исследуемого материала. Гармонические колебания зонда возбуждаются в катушке индуктивности посредством сигнала управления, вырабатываемого формирователем. Динамический конденсатор образуется измерительным зондом и измеряемой пластиной.The closest analogue is a vibration drive (see SU 1494732 A1, MKI G01R 29/12, publ. 01/07/1991), a device for measuring the contact potential difference contains an electromagnetic vibrator with an inductor and a movable element (membrane) on which the measuring probe is rigidly mounted located above the surface of the test material. Harmonic oscillations of the probe are excited in the inductor by means of a control signal generated by the driver. A dynamic capacitor is formed by a measuring probe and a measuring plate.

Недостатками данного устройства является сложность практической реализации конструкции, неудобство в сборке и настройке, а также необходимость оптическим способом контролировать параметры вибрации измерительного зонда, что в совокупности приводит к высокой стоимости прибора. Кроме того, электромагнитный привод динамического конденсатора, характеризуется достаточно высоким потреблением энергии.The disadvantages of this device are the complexity of the practical implementation of the design, the inconvenience of assembly and configuration, as well as the need to optically control the vibration parameters of the measuring probe, which together leads to a high cost of the device. In addition, the electromagnetic drive of a dynamic capacitor is characterized by a fairly high energy consumption.

Задачей полезной модели явилось упрощение изготовления и снижение стоимости вибрационного привода динамического конденсатора в стенде для измерения работы выхода электрона с поверхности проводящих тел.The objective of the utility model was to simplify the manufacture and reduce the cost of the vibratory drive of a dynamic capacitor in the stand to measure the electron work function from the surface of conductive bodies.

Сущность полезной модели заключается в том, что стенд измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел, содержащий магнитный вибратор с катушкой индуктивности, подвижный элемент с измерительным зондом, генератор возбуждения, металлический стол для размещения измеряемой пластины, электрически связанный с электронным блоком выделения измеряемой величины при этом магнитный вибратор выполнен в виде стального П-образного упругого элемента жестко связанного с нижней параллельной стороной на основании из немагнитного материала, внутри упомянутого упругого элемента со стороны основания укреплен один полюс электромагнита возбуждения с обмоткой соединенной с генератором прямоугольных импульсов и сердечником параллельным перекладине П-образного упругого элемента, а его другой полюс образует зазор с верхней параллельной стороной упругого элемента, кроме того, снаружи верхней параллельной стороны упругого элемента в ее продолжении укреплен один конец легкой пластиковой балки с ребрами жесткости, на другом конце которого укреплен измерительный зонд, при этом частота генератора прямоугольных импульсов кратна собственной частоте колебания пластиковой балки с измерительным зондом.The essence of the utility model lies in the fact that the stand for measuring the electron work function from the surface of metal bodies, containing a magnetic vibrator with an inductor, a movable element with a measuring probe, an excitation generator, a metal table for placing the plate to be measured, is electrically connected to the electronic unit for measuring the measured value this magnetic vibrator is made in the form of a steel U-shaped elastic element rigidly connected with the lower parallel side on the basis of non-magnetic ma In the series, inside the said elastic element, on the base side, one pole of the excitation electromagnet is fixed with a winding connected to the rectangular pulse generator and the core parallel to the crossbar of the U-shaped elastic element, and its other pole forms a gap with the upper parallel side of the elastic element, in addition, outside the upper parallel on the side of the elastic element in its continuation, one end of the light plastic beam with stiffening ribs is strengthened, at the other end of which a measuring probe is fixed, In this case, the frequency of the rectangular pulse generator is a multiple of the natural frequency of oscillation of a plastic beam with a measuring probe.

Техническим результатом полезной модели явилось упрощение процесса изготовления и снижение стоимости вибрационного привода динамического конденсатора в стенде для измерения работы выхода электрона с поверхности проводящих тел, достигаемое простотой конструкции и отсутствием сложных технологических приемов при изготовлении, а также повышение экономичности, которое достигается за счет использования резонансного режима возбуждения колебаний измерительного зонда.The technical result of the utility model was to simplify the manufacturing process and reduce the cost of the vibratory drive of a dynamic capacitor in the stand for measuring the electron work function from the surface of conductive bodies, achieved by the simplicity of the design and the absence of complex manufacturing techniques, as well as the increase in efficiency achieved by using the resonant mode excitation of oscillations of the measuring probe.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на:The invention is illustrated in the drawing, where:

фиг. 1 - представлена конструкция стенда для измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел;FIG. 1 - shows the design of the stand for measuring the electron work function from the surface of metal bodies;

фиг. 2 - представлен чертеж, поясняющий мультипликацию амплитуды колебания измерительного зонда;FIG. 2 is a drawing illustrating a multiplication of the amplitude of the oscillation of the measuring probe;

фиг. 3 - внешний вид макета стенда.FIG. 3 - appearance of the layout of the stand.

Стенд для измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел содержит П-образный упругий элемент 1 жестко связанный с нижней параллельной стороной на основании из немагнитного материала 2, внутри упомянутого упругого элемента 1 со стороны основания 2 укреплен один полюс электромагнита возбуждения 3 с обмоткой, соединенной с генератором прямоугольных импульсов 4 и сердечником параллельным перекладине П-образного упругого элемента 1. Другой полюс электромагнита возбуждения 3 образует зазор 5 с верхней параллельной стороной упругого элемента 1, а на верхней параллельной стороне упругого элемента 1 в ее продолжении укреплен один конец легкой пластиковой балки 6 с ребрами жесткости, на другом конце, которой укреплен измерительный зонд 7, при этом частота генератора прямоугольных импульсов 4 кратна собственной частоте колебания пластиковой балки 6 с измерительным зондом 7. Исследуемая пластина 8 расположена на металлическом столе 9, электрически связанном с основанием 2 и электронным блоком выделения измеряемой величины 10.The stand for measuring the electron work function from the surface of metal bodies contains a U-shaped elastic element 1 rigidly connected to the lower parallel side on the base of non-magnetic material 2, inside the mentioned elastic element 1 from the base 2 side one pole of the excitation electromagnet 3 with a winding connected to a rectangular pulse generator 4 and a core parallel to the crossbar of a U-shaped elastic element 1. The other pole of the excitation electromagnet 3 forms a gap 5 with the upper parallel side elastic element 1, and on the upper parallel side of the elastic element 1, in its continuation, one end of the light plastic beam 6 with stiffeners is fixed, the other end, which is fixed to the measuring probe 7, while the frequency of the rectangular pulse generator 4 is a multiple of the natural frequency of vibration of the plastic beam 6 with a measuring probe 7. The test plate 8 is located on a metal table 9, electrically connected to the base 2 and the electronic unit for the allocation of the measured value 10.

Предлагаемая конструкция вибрирующего упругого элемента электрода позволяет реализовать два положительных эффекта:The proposed design of the vibrating elastic element of the electrode allows you to implement two positive effects:

значительно ослабить помеху, создаваемую обмоткой электромагнита, и, одновременноsignificantly reduce the interference caused by the winding of the electromagnet, and at the same time

увеличить амплитуду колебаний измерительного зонда по сравнению с колебаниями упругого П-образного элемента. Второй положительный эффект позволяет повысить экономичность вибратора, за счет уменьшения потребляемого тока.increase the amplitude of the oscillations of the measuring probe in comparison with the oscillations of the elastic U-shaped element. The second positive effect allows you to increase the efficiency of the vibrator, by reducing the current consumption.

Стенд работает следующим образом исследуемая металлическая пластина 8 (на фиг. 3 не показана) помещается на металлический стол 9, электрически связанный с основанием 2 и электронным блоком выделения измеряемой величины 10, а измерительный зонд 7 предварительно выставлен таким образом, что его колебание, возбуждаемое электромагнитом 3, П-образным упругим элементом 1 и легкой пластиковой балкой 6, с указанным измерительным зондом 7, не приводит к его касанию исследуемой металлической пластины 8. Благодаря наличию контактной разности потенциалов между материалом металлической пластины 8 и измерительным зондом 7 на последнем возникает переменное напряжение с частотой вибрации. С помощью электронного блока 10 на измерительный зонд 7 подается компенсирующее напряжение уменьшающее амплитуду сигнала до нуля. Измеренное в этот момент значение компенсирующего напряжения равно искомой контактной разности потенциалов.The stand operates as follows: the studied metal plate 8 (not shown in Fig. 3) is placed on a metal table 9, electrically connected to the base 2 and the electronic block for measuring the measured value 10, and the measuring probe 7 is preliminarily set so that its oscillation excited by the electromagnet 3, a U-shaped elastic element 1 and a light plastic beam 6, with the indicated measuring probe 7, does not lead to its contact with the metal plate under study 8. Due to the presence of the contact potential difference between the metal plate material 8 and the measuring probe 7 on the latter an alternating voltage with a frequency of vibration. Using the electronic unit 10, a compensating voltage is applied to the measuring probe 7, which reduces the signal amplitude to zero. The value of the compensating voltage measured at this moment is equal to the desired contact potential difference.

На фиг. 2 представлен расчет мультипликации амплитуды колебаний эталонного электрода. Пусть

длина легкой пластиковой балки 6 с ребрами жесткости, b - размер параллельной стороны П-образного упругого элемента 1. Если в результате возбуждения амплитуда колебаний свободного конца вибрирующей стороны упругого элемента 1 в зазоре 5 равна а/2, то амплитуду колебаний вибрирующего электрода можно найти из подобия треугольников:In FIG. Figure 2 presents the calculation of the multiplication of the amplitude of oscillations of the reference electrode. Let be

the length of the light plastic beam 6 with stiffeners, b is the size of the parallel side of the U-shaped elastic element 1. If, as a result of the excitation, the amplitude of vibrations of the free end of the vibrating side of the elastic element 1 in the gap 5 is equal to a / 2, then the vibration amplitude of the vibrating electrode can be found from similarity of triangles:

В реальном лабораторном макете стенда

=70 мм, b=20 мм. Соотношение между амплитудой колебаний эталонного электрода и П-образного упругого элемента 1 составитIn a real lab mockup

= 70 mm, b = 20 mm. The ratio between the amplitude of the oscillations of the reference electrode and the U-shaped elastic element 1 will be

.

Опыт показал, что амплитуда измерительного зонда 7 равная 0,1 мм вполне достаточна для измерения КРП. Соответствующая амплитуда колебаний П-образного упругого элемента 1 составит всего 0,04 мм. Такое соотношение амплитуд позволяет увеличивать жесткость упругого элемента 1 и, тем самым, повышать частоту колебаний электрода. В опытных образцах стенда было возможным использовать частоту до 350 Гц при указанных выше геометрических размерах.Experience has shown that the amplitude of the measuring probe 7 equal to 0.1 mm is quite sufficient for measuring the CRP. The corresponding oscillation amplitude of the U-shaped elastic element 1 will be only 0.04 mm. This ratio of amplitudes allows you to increase the stiffness of the elastic element 1 and, thereby, increase the frequency of oscillation of the electrode. It was possible to use a frequency of up to 350 Hz in the experimental samples of the bench at the above geometric dimensions.

Заявляемый стенд для измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел легок в изготовлении и тиражировании. Простота тиражирования имеет большое значение в случае использования стенда в учебном процессе, где необходимо создание нескольких рабочих мест. Частота колебания измерительного зонда определяется резонансной частотой колебания пластиковой балки с измерительным зондом и не зависит от дрейфа частоты генератора прямоугольных импульсов, что повышает стабильность работы стенда, особенно в заявленных областях применения, тем более, что в последнее время растет число печатных работ, в которых работа выхода электрона используется для исследования параметров технологических процессов поверхностной обработки изделий.The inventive stand for measuring the work function of the electron from the surface of metal bodies is easy to manufacture and duplicate. The simplicity of replication is of great importance in the case of using the stand in the educational process, where it is necessary to create several jobs. The oscillation frequency of the measuring probe is determined by the resonant frequency of oscillation of the plastic beam with the measuring probe and does not depend on the frequency drift of the rectangular pulse generator, which increases the stability of the stand, especially in the stated fields of application, especially since the number of publications in which work has been growing lately electron output is used to study the parameters of technological processes of surface treatment of products.

Работоспособность стенда и его положительные качества проверены на изготовленном лабораторном макете.The performance of the stand and its positive qualities are checked on the manufactured laboratory model.

Claims

A stand for measuring the work function of the electron from the surface of metal bodies, comprising a magnetic vibrator with an inductor, a movable element with a measuring probe, an excitation generator, a metal table for accommodating the measured plate, electrically connected to the electronic unit for measuring the measured value, characterized in that the magnetic vibrator is made in in the form of a steel U-shaped elastic element rigidly connected to the lower parallel side on the basis of non-magnetic material, inside the aforementioned of the element on the base side, one pole of the excitation electromagnet is strengthened with a winding connected to the rectangular pulse generator and the core parallel to the crossbar of the U-shaped elastic element, and its other pole forms a gap with the upper parallel side of the elastic element, in addition, outside the upper parallel side of the elastic element in in its continuation, one end of a lightweight plastic beam with stiffeners is strengthened, at the other end of which a measuring probe is fixed, while the generator frequency is straight nyh pulses multiple of the natural frequency of the beam with a plastic measuring probe.