Fluidics

En modul med två ingångsströmmar överst, en OCH- utgångshink i mitten och en XOR- utgångsström längst ner.

Fluidik , eller fluidisk logik , är användningen av en vätska för att utföra analoga eller digitala operationer liknande de som utförs med elektronik .

Den fysiska grunden för fluidik är pneumatik och hydraulik , baserat på den teoretiska grunden för fluiddynamik . Termen fluidics används normalt när enheter inte har några rörliga delar , så vanliga hydrauliska komponenter såsom hydraulcylindrar och spolventiler anses inte eller kallas fluidiska enheter.

En vätskestråle kan avledas genom att en svagare stråle träffar den på sidan. Detta ger olinjär förstärkning , liknande transistorn som används i elektronisk digital logik. Det används mestadels i miljöer där elektronisk digital logik skulle vara opålitlig, som i system som utsätts för höga nivåer av elektromagnetisk störning eller joniserande strålning .

Nanoteknik betraktar fluidik som ett av sina instrument. Inom denna domän är effekter som vätske-fast och vätske-vätskegränssnittskrafter ofta mycket betydande. Fluidics har också använts för militära tillämpningar.

Historia

1920 patenterade Nikola Tesla en valvulär ledning eller Tesla-ventil som fungerar som en fluidisk diod. Det är en läckande diod, dvs det omvända flödet är likt noll för varje applicerad tryckskillnad. Tesla-ventilen har också icke-linjär respons, eftersom den diodicitet har frekvensberoende. Den skulle kunna användas i vätskekretsar, såsom en helvågslikriktare, för att omvandla AC till DC. 1957 kom Billy M. Horton från Harry Diamond Laboratories (som senare blev en del av Army Research Laboratory ) första idén till fluidförstärkaren när han insåg att han kunde styra om riktningen för rökgaserna med en liten bälg . Han föreslog en teori om ströminteraktion, som säger att man kan uppnå förstärkning genom att avleda en ström av vätska med en annan ström av vätska. 1959 byggde Horton och hans medarbetare, Dr. RE Bowles och Ray Warren, en familj av fungerande virvelförstärkare av tvål, linoleum och trä. Deras publicerade resultat fångade flera stora industriers uppmärksamhet och skapade ett stort intresse för att applicera fluidics (som då kallades vätskeförstärkning) på sofistikerade styrsystem, som varade under hela 1960-talet. Horton är krediterad för att ha utvecklat den första vätskeförstärkarens styrenhet och lanserat området för fluidik. 1961 var Horton, Warren och Bowles bland de 27 mottagarna som fick det första Army Research and Development Achievement Award för att utveckla vätskeförstärkarens kontrollenhet.

Logiska element

Logiska grindar kan byggas som använder vatten istället för elektricitet för att driva grindfunktionen. Dessa är beroende av att de är placerade i en riktning för att fungera korrekt. En ELLER-grind är helt enkelt två rör som slås samman, och en NOT-grind (växelriktare) består av "A" som avleder en tillförselström för att producera Â. OCH- och XOR-grindarna är skissade i diagrammet. En växelriktare skulle också kunna implementeras med XOR-grinden, eftersom A XOR 1 = Ā.

En annan typ av flytande logik är bubbellogik . Bubbellogikgrindar bevarar antalet bitar som kommer in i och ut ur anordningen, eftersom bubblor varken produceras eller förstörs i logikoperationen, analogt med datorgrindar med biljardbollar .

Komponenter

En video som simulerar det interna flödet av en fluidisk återkopplingsoscillator.

Förstärkare

Fluidförstärkare, som visar flöde i båda staterna, från US patent 4,000,757 .

I en fluidförstärkare kommer en vätsketillförsel, som kan vara luft, vatten eller hydraulisk vätska , in i botten. Tryck som appliceras på styrportarna C1 eller C2 avleder strömmen så att den kommer ut via antingen port Oi eller O2 . Strömmen som kommer in i kontrollportarna kan vara mycket svagare än strömmen som avleds, så enheten har förstärkning .

Denna grundläggande enhet kan användas för att konstruera andra fluidiska logiska element, såväl som fluidiska oscillatorer som kan användas på analogt sätt som flip-flops . Enkla system av digital logik kan alltså byggas.

Fluidiska förstärkare har vanligtvis bandbredder i det låga kilohertz- området, så system som byggs från dem är ganska långsamma jämfört med elektroniska enheter.

Trioder

Den fluidiska trioden , en förstärkningsanordning som använder en vätska för att förmedla signalen , har uppfunnits, liksom vätskedioder, en vätskeoscillator och en mängd olika hydrauliska "kretsar", inklusive en som inte har någon elektronisk motsvarighet.

Används

MONIAC -datorn byggd 1949 var en vätskebaserad analog dator som användes för att lära ut ekonomiska principer eftersom den kunde återskapa komplexa simuleringar som digitala datorer inte kunde vid den tiden. Tolv till fjorton byggdes och förvärvades av företag och läroanstalter.

FLODAC-datorn byggdes 1964 som en proof of concept flytande digital dator.

Fluidiska komponenter förekommer i vissa hydrauliska och pneumatiska system, inklusive vissa automatiska växellådor för bilar . I takt med att digital logik har blivit mer accepterad inom industriell styrning, har fluidikens roll i industriell styrning minskat.

På konsumentmarknaden ökar vätskestyrda produkter i både popularitet och närvaro, installerade i allt från leksakssprutpistoler till duschmunstycken och bubbelbadstrålar; alla ger oscillerande eller pulserande strömmar av luft eller vatten. Logikaktiverade textilier för applikationer inom bärbar teknologi har också undersökts.

Vätskelogik kan användas för att skapa en ventil utan rörliga delar som i vissa anestesimaskiner .

Vätskeoscillatorer användes vid utformningen av tryckutlösta, 3D-utskrivbara nödventilatorer för covid-19-pandemin .

Fluidiska förstärkare används för att generera ultraljud för oförstörande testning genom att snabbt byta tryckluft från ett utlopp till ett annat.

Vätskeinjektion forskas för användning i flygplan för att styra riktning, på två sätt: cirkulationskontroll och dragkraftsvektoring . I båda är större och mer komplexa mekaniska delar ersatta av vätskesystem, där större krafter i vätskor avleds av mindre strålar eller vätskeflöden intermittent, för att ändra fordonens riktning. Vid cirkulationsstyrning, nära vingarnas bakkanter, ersätts flygplansflygkontrollsystem såsom skevroder , hissar , elevoner , klaffar och klaffar med slitsar som avger vätskeflöden. Vid dragkraftsvektorering , i jetmotormunstycken , ersätts svängbara delar av slitsar som sprutar in vätskeflöden i strålarna. Sådana system avleder dragkraften via vätskeeffekter. Tester visar att luft som tvingas in i en jetmotors avgasström kan avleda dragkraften upp till 15 grader. Vid sådana användningar är fluidics önskvärt för lägre: massa, kostnad (upp till 50 % mindre), motstånd (upp till 15 % mindre under användning), tröghet (för snabbare, starkare kontrollsvar), komplexitet (mekaniskt enklare, färre eller ingen rörliga delar eller ytor, mindre underhåll) och radartvärsnitt för smygande . Detta kommer sannolikt att användas i många obemannade flygfarkoster (UAV), sjätte generationens stridsflygplan och fartyg .

BAE Systems har testat två vätskestyrda obemannade flygplan, ett från 2010 med namnet Demon och ett annat från 2017 vid namn MAGMA, med University of Manchester .

Octobot , en 2016 proof of concept mjukkroppad autonom robot som innehåller en mikrofluidisk logikkrets , har utvecklats av forskare vid Harvard Universitys Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering .

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fluidics&oldid=1136436925 "