Fluidics - Fluidics

En modul med to inngangsstrømmer øverst, en AND- utgangsbøtte i midten og en XOR- utgangsstrøm nederst.

Fluidics , eller fluidisk logikk , er bruken av et fluid for å utføre analoge eller digitale operasjoner som ligner på de som utføres med elektronikk .

Det fysiske grunnlaget for fluidikk er pneumatikk og hydraulikk , basert på det teoretiske fundamentet for væskedynamikk . Uttrykket fluidics brukes vanligvis når enheter ikke har noen bevegelige deler , så vanlige hydrauliske komponenter som hydrauliske sylindere og spoleventiler blir ikke betraktet eller referert til som fluidiske enheter.

En væskestråle kan avbøyes av en svakere stråle som treffer den på siden. Dette gir ikke-lineær forsterkning , i likhet med transistoren som brukes i elektronisk digital logikk. Den brukes hovedsakelig i miljøer der elektronisk digital logikk ville være upålitelig, som i systemer som er utsatt for høye nivåer av elektromagnetisk interferens eller ioniserende stråling .

Nanoteknologi anser fluidics som et av instrumentene. I dette domenet er effekter som væske – solid og væske – væske grensesnittkrefter ofte svært signifikante. Fluidics har også blitt brukt til militære applikasjoner.

Historie

I 1920 patenterte Nikola Tesla en ventilventil eller Tesla-ventil som fungerer som en fluiddiode. Det er en utett diode, dvs. omvendt strøm er ikke null for enhver påført trykkdifferanse. Tesla-ventil har også ikke-lineær respons, ettersom diodisitet har frekvensavhengighet. Den kan brukes i væskekretser, for eksempel en fullbølge-likeretter, for å konvertere AC til DC. I 1957 kom Billy M. Horton fra Harry Diamond Laboratories (som senere ble en del av Army Research Laboratory ) først med ideen til fluidforsterkeren da han innså at han kunne omdirigere retningen på røykgasser ved hjelp av en liten belg. . Han foreslo en teori om strøminteraksjon, om at man kan oppnå forsterkning ved å avbøye en strøm av væske med en annen strøm av væske. I 1959 konstruerte Horton og hans medarbeidere, Dr. RE Bowles og Ray Warren, en familie av fungerende vortexforsterkere av såpe, linoleum og tre. Deres publiserte resultat fanget oppmerksomheten til flere store næringer og skapte en bølge av interesse for å anvende fluidikk (da kalt fluidforsterkning) på sofistikerte kontrollsystemer, som varte gjennom hele 1960-tallet. Horton er kreditert for å ha utviklet den første fluidforsterkerkontrollenheten og lansert feltet fluidics. I 1961 var Horton, Warren og Bowles blant de 27 mottakerne som mottok den første Army Research and Development Achievement Award for utvikling av fluidforsterkerkontrollenheten.

Logiske elementer

Det kan bygges logiske porter som bruker vann i stedet for elektrisitet for å drive portfunksjonen. Disse er avhengige av å være plassert i en retning for å utføre riktig. En ELLER-port er ganske enkelt to rør som slås sammen, og en IKKE-port (inverter) består av "A" som avbøyer en forsyningsstrøm for å produsere Ā. AND- og XOR-portene er skissert i diagrammet. En inverter kan også implementeres med XOR-porten, som A XOR 1 = Ā.

En annen type flytende logikk er boblelogikk . Bubble logic porter sparer antall biter som kommer inn og ut av enheten, fordi bobler verken blir produsert eller ødelagt i logikkoperasjonen, analogt med dataporter til biljardkule .

Komponenter

En video som simulerer den interne strømmen til en fluidisk tilbakemeldingsoscillator.

Forsterkere

Fluidisk forsterker, som viser flyt i begge stater, fra US patent 4.000.757 .

I en fluidforsterker kommer en væsketilførsel, som kan være luft, vann eller hydraulisk væske , inn i bunnen. Trykk påført styreportene C- 1 eller C- 2 avbøyer strømmen, slik at den strømmer ut via enten port O 1 eller O 2 . Strømmen som kommer inn i kontrollportene kan være mye svakere enn strømmen som blir avbøyd, så enheten har gevinst .

Denne grunnleggende innretningen kan brukes til å konstruere andre fluidiske logiske elementer, så vel som fluidoscillatorer som kan brukes på analog måte som flip flops . Enkle systemer med digital logikk kan dermed bygges.

Fluidiske forsterkere har vanligvis båndbredder i det lave kilohertz- området, så systemene som er bygget fra dem er ganske sakte sammenlignet med elektroniske enheter.

Trioder

Den fluidic triode er en forsterkningsanordning som bruker et fluid for å formidle signalet . Den fluidiske trioden ble oppfunnet i 1962 av Murray O. Meetze, Jr., en videregående elev i Heath Springs, SC, som også bygde en væskediode, en væskeoscillator og en rekke hydrauliske "kretser", inkludert en som ikke har noen elektronisk motstykke. Fluidic trioder ble brukt som den siste etappen i hovedhøyttaleranlegget på 1964 New York Verdensutstillingen .

Selv om mye studert i laboratoriet, har de få praktiske anvendelser. Mange forventer at de skal være nøkkelelementer i nanoteknologi .

Bruker

Den MONIAC Computer bygget i 1949 var en væskebasert analog datamaskin som brukes til undervisning økonomiske prinsipper som det kunne gjenskape komplekse simuleringer at digitale datamaskiner ikke kunne på det tidspunktet. Tolv til fjorten ble bygget og ervervet av bedrifter og læresteder.

FLODAC Computer ble bygget i 1964 som et bevis på konsept fluid digital datamaskin.

Fluidiske komponenter vises i noen hydrauliske og pneumatiske systemer, inkludert noen automatiske girkasser til biler . Etter hvert som digital logikk har blitt mer akseptert i industriell kontroll, har rollen til fluidikk i industriell kontroll avtatt.

På forbrukermarkedet øker fluidstyrte produkter både i popularitet og tilstedeværelse, installert i gjenstander som spenner fra lekesprøytepistoler gjennom dusjhoder og boblebadstråler; alle gir oscillerende eller pulserende strømmer av luft eller vann.

Væskelogikk kan brukes til å lage en ventil uten bevegelige deler som i noen bedøvelsesmaskiner .

Fluidiske oscillatorer ble brukt i utformingen av trykkutløste, 3D-utskrivbare , nødventilatorer for COVID-19-pandemien .

Fluidiske forsterkere brukes til å generere ultralyd for ikke-destruktiv testing ved raskt å bytte trykkluft fra ett utløp til et annet.

Væskeinjeksjon blir undersøkt for bruk i fly for å kontrollere retning, på to måter: sirkulasjonskontroll og trykkvektorering . I begge erstattes større og mer komplekse mekaniske deler av fluidiske systemer, der større krefter i væsker blir avledet av mindre stråler eller strømmer av væske med jevne mellomrom, for å endre kjøretøyets retning. I sirkulasjonskontroll, nær de bakre kantene av vingene, erstattes flyets flykontrollsystemer som rulleskinner , heiser , høyder , klaffer og flaperoner med spor som avgir væskestrøm. I retningsstyrt kraftpådrag , i jetmotor munnstykker, er svingbare komponenter erstattes av slisser som injiserer fluid strømmer inn stråler. Slike systemer avleder kraft gjennom væskeeffekter. Tester viser at luft tvunget inn i en jetmotors eksosstrøm kan avbøye skyvet opp til 15 grader. I slike bruksområder er fluidics ønskelig for lavere: masse, kostnad (opptil 50% mindre), dra (opptil 15% mindre under bruk), treghet (for raskere, sterkere kontrollrespons), kompleksitet (mekanisk enklere, færre eller ingen bevegelige deler eller overflater, mindre vedlikehold) og radartverrsnitt for skjult . Dette vil sannsynligvis bli brukt i mange ubemannede fly (UAV), sjette generasjons jagerfly og skip .

BAE Systems har testet to fluidstyrte ubemannede fly, ett som startet i 2010 med navnet Demon , og et annet som startet i 2017 med navnet MAGMA , med University of Manchester .

Octobot , et bevis på konseptet soft-bodied selvstyrt robot som inneholder en mikrofluidteknisk logisk krets , er utviklet av forskere ved Harvard University 's Wyss Institute for Biologisk inspirert Engineering .

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker