Автоматическая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов

 

1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО .ТРЕНИЯ И .МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛОВ, содержащая -крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним из захватов исследуемого образца, датчгпс колебаний инерционного тела, два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к которой подключены электромагниты и датчики колебаний , и блок регистрации, отличающийся теь., что, с целью повьшения точности из.epeний за счет устранения влияния самопроизвольного закручивания образца, нагреве на результаты измерений и снижения трудоемкости измерений за счет исключения калибровки, она снабжена двумя подвижными в радиальном направлении опорами, на которых с возможностью взаимодействия с вторым захватом исследуемого образца размещены электромагниты , размещенным на одной из подвижных опор с возможностью взаимодействия с другой подвижной опорой датчиком перемещения, выход которого подключен к входу блока регистрации, и двумя серводвигателями, кинематически связанными с подвижными опорами , система управления колебаниями маятника содержит два блока управления , каждый из которых имеет два входа и два выхода, инвертор, выход которого подключен к первому входу второго блока управления, а вход - к первому входу первого блока управления , триггер, входы которого подключены к первым выходам блоков управления, а выходы подключены к соответствующим электромагнитам, блок управления содержит включенное на (Л первом входе устройство для определения середины интервала времени, выход которого является первым выходом блока управления, два одновибратора , вход первого из которых подключей к входу устройства для определения середины интервала времени, а вход второго - к выводу этого устройства , два ключа, выходы которых, являющиеся вторым выходом блока управления , соединены с входом одного из серводвигателей, а управляющий вход одного из ключей является вто-. рым входом блока управления, элемент НЕ-И, инвертирующий вход которого подключен к второму входу блока управления, а неинвертирующий - к выходу второго одновибратора, и триггер , один из входов которог-о подключен к выходу элемента НЕ-И, другой к выходу.первого одновибратора, а выход - к управляющему входу другого ключа, датчик колебаний включает три индикатора углового положения

СОЮЗ СООЕТСНИХ

СОЮАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3 (5D

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР .

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3626914/25-28 (22) 21.07.83 (46) 30.11.84.Вюл.N 44 (72) А.П. Платонов, В.Н. Трегубов, А.П. Горбачев и В.И. Кукушкин (71) Отделение Ордена Ленина института химической физики АН СССР (53) 620.178.311.62(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

1(> 590646, кл. G 01 N 11/16, 1975.

2. Постников В.С. и др. Высокотемпературная установка с непрерывной регистрацией внутреннего трения и модуля упругости (54) (57) 1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ И .МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛОВ, содержащая крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним иэ захватов исследуемого образца, датч пс колебаний инерционного тела, два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к которой подклю" чены электромагниты и датчики колебаний, и блок регистрации, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности иэь.ерений за счет устранения влияния самопроизвольного закручивания образца,при нагреве на результаты измерений и снижения трудоемкости измерений за счет исключения калибровки, она снабжена двумя подвижными в радиальном направлении опорами, на которых с возможностью взаимодействия с вторыи захватом исследуемого образца размещены электромагниты, раз)»ещенным на одной из подвижных опор с возможностью взаимодействия с другой подвижной опорой датчиком перемещения, выход которого подключен к входу блока регистрации, и двумя серводвигателями, кинематически связанными с подвижными опорами, система управления колебаниями маятника содержит два блока управления, каждый из которых имеет два входа и два выхода, инвертор, выход которого подключен к пе)вому входу второго блока управления, а вход — к первому входу первого блока управления, триггер, входы которого подключены к первым выходам блоков управления, а выходы подключены к соответствующим электромагнитам, блок ® управления содерял т включенное на первом входе устройство для определения середины интервала времени, у>ив выход которого является первым выходом блока управления, два одновибратора, вход первого иэ которых подключен к входу устройства для определения середины интервала времени, а вход второго — к выходу этого устройства, два ключа, выходы которых> являющиеся вторым выходом блока уп- Ю равления, соединены с входом одного иэ серводвигателей, а управляющий вход одного иэ ключей является вторым входом блока управления, элемент НЕ-И, инвертирующий вход которого подключен к второму входу блока управления, а неинвертирующий — к выходу второго одновибратора, и триггер, один из входов которого подключен к выходу элемента НЕ-И, другойK выходу первого одновибратора, а выход — к управляющему входу другого ключа, датчик колебаний включает три индикатора углового положения

112б837 инерционного тела, один из которых вого положения инерционного тена выустановлен в плоскости равновесия полнены в виде дифференциальных фоинерционного тела, а два других рас- тоэлементов, а на инерционном теле положены симметр етрично первому, при- выполнены оптически связанные с индичем первый индикатор соединен с вхо- катарами метки в виде дугообразных д инвертора, а другие индикаторы полос, расположенных va p положения соединены с вторыми входа- расстоянии от оси вращения инерми соответствующих блоков управления. ционного тела, причем начала меток 2,установка по п,1,о т л и ч а ю- на одятся на одной линии, лежащей в щ а я с я, тем, что индикаторы угло- плоскости равновесия.

Изобретение относ. тся к исследо— ванию вязкоупругих свойств материалов, а именно к устройствам для определения внутреннего трения и модуля упругости материалов. 5

Известна установка для измерения внутреннего трения и модуля упругос"ти материалов, содержащая крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним из захватов исследуемого образца, датчик колебаний инерционного тела, электромагнит для возбуждения крутильных колебаний маятника, установленный с воэможностью взаимодействия с вторым 15 захватом исследуемого образца, И блок регистрации Ц

Известное устройство предназначено для измерения внутреннего трения при свободнозатухающих колебаниях 2О образца, что требует длительного времени при исследованиях высокодобротных образцов материалов.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является ав-.- 25 томатическая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов, содержащая крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним из 30 захватов исследуемого образца, датчик колебаний инерционного тела, два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к З5 которому подключены электромагниты и датчик колебаний, и блок регистрации I2j

Данная установка характеризуется недостаточной точностью из-за влия" qg ния самопроизвольного закручивания образца на результаты измерений в процессе температурных испытаний и высокой трудоемкостью испытаний иэза необходимости калибровки установки на образце с известным внутренним трением.

Цель изобретения — повьш ение точности измерения за счет устранения влияния самопроизвольного закручивания образца при нагреве на результаты измерений и снижение трудоемкости измерений за счет исключения калибровки.

Поставленная цель достигается тем, что автоматическая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов, содержащая крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним из захватов исследуемого образца, датчик колебаний инерционного тела., два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к которой подключены электромагниты и датчики колебаний, и блок регистрации, снабжена двумя подвижными в радиальном направлении опорами, на которых с возможное.ью взаимодействия с вторым захватом исследуемого образца размещены электромагниты, размещенным на одной из подвыкных опор с воэможностью взаимодействия с другой подвижной опорой датчиком перемещения, выход которого подключен к входу блока регистрации, и двумя серводвигателями, кпнемати3 I I 26837 4 чески связанными с подвижными опорами, система управления колебаниями маятника содержит два блока управления, каждый из которых имеет два входа и два выхода, инвертор, выход которого подключен к первому входу второго блока управления, а вход — к первому входу первого блока управления, триггер, входы которого подключены к перв;,ч выходам блоков управления, а выходы подключены к соответствующим электромагнитам, блок управления содержит включенное на первом входе устройство для определения середины интервала времени, выход которого является первым выходом блока управления, два одновибратора, вход первого из которых подключен к входу устройства для опреде-. ления середины интервала времени, а вход второго — к выходу этого устройства, два ключа, выходы которых, являющиеся вторым выходом блока управления, соединены .с входом одного иэ серводвигателей, а управляющий вход одного из ключей является вторым входом блока управления, элемент

НЕ-И, инвертирующий вход которого подключен к второму входу блока уп- равления, а неинвертирующий — к выхо30 ду второго одновибратора, и триггер, один из входов которого подключен к выходу элемента НЕ-И, другой — к выходу первого одновибратора, а выход— к управляющему входу другого ключа, датчик колебаний включает три индикатора углового положения инерционного тела, один из которых установлен в плоскости равновесия инерционного тела, а два других расположены сим40 метрично первому, причем первый индикатор соединен с входом инвертора, а другие индикаторы положения соединены с вторыми входами соответствующих блоков управления.

45

При этом индикаторы углового положения инерционного тела выполнены в виде дифференциальных фотоэлементов,а на инерционном теле выполнены оптически связанные с индикаторами метки в виде дугообразных полос, расположенных на различном расстоянии от оси вращения инерционного тела, причем начала меток находятся на одной линии, лежащей в плоскости 55 равновесия.

Снабжение установки подвижными опорами с размещенными на них электромагнитами возбуждения, двумя серводвигателями, кинематически связанными с подвижными опорами, и указанной системой управления колебаниями маятника позволяет автоматически отслеживать сдвиг положения равновесия инерционного тела при самопроизвольном закручивании образца при нагреве и повысить точность путем устранения этого влияния на результаты измерений, а размещение на одной из подвижных опор с возможностью взаимодействия с другой подвижной опорой датчика. перемещения и реализация способа измерения внутреннего трения, заключающегося в измерении размаха колебаний захвата образца, взаимодействующего с электромагнитами возбуждения при фиксированном значении размаха колебаний инерционного тела, позволяет исключить калибровку на образце с известным внутренним трением и, тем самым, снизить трудоемкость измерений.

На чертеже представлена схема автоматической установки для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов. ) Установка содержит крутильный маятник, инерционное тело 1 которого жестко соединено с одним из захватов 2 исследуемого образца 3, датчик колебаний инерционного тела 1, включающий три индикатора 4, 5 и, 6 углового положения инерционного тела 1, причем индикатор 4 установлен в плоскости равновесия инерционного тела 1, а индикаторы 5 и 6 расположены симметрично индикатору 4, два электромагнита 7 и 8 для возбуждения крутильных колебаний инерционого тела 1, блок 9 регистрации, две подвижные в радиальном направлении опоры 10 и 11, на которых с возможностью взаимодействия с вторым захватом 12 исследуемого образца 3 размещены электромагниты 7 и 8 для возбуждения

Ф кру тиль ных к ол еб ан ий м ая тн ик а, ч то осуществляется, например, с помощью жесткогc поводка 13, закрепленного на втором захвате 12 образца 3 и находящегося между полосами электромагнитов 7 и 8. Установка содержит также размещенный на одной иэ подвижных опор 10 с возможностью взаимсдействия с другой подвижной опорой 11 (например, с помощью измерительного щупа !4) датчик. 15 персме1126837 6

I5

3S

50 о

S5 щения, выход которого подключен к входу блока 9 регистрации, два серводвигателя 16 и 17, кинематически свя" занные с подвижыими опорами 10 и 11, систему управления колебаниями маят- 5 ника, к которой подключены электромагниты 7 и 8 и датчик колебаний.

Система управления содержит два блока 18 и 19 управления, каждый из которых имеет два входа и два выхода, и включенное на первом входе устройство 20 (21) для определения середины интервала времени, ввгход которого являегся первым входом блока 18 (19) управления, два одновибратора 22 и 23 (24 и 25), причем вход первого одновибратора 22(24) подключен к входу устройства 20(21) для определения середины интервала времени, а вход второго одновибратора 23(25)— к выходу этого устройства, два ключа 26 и .27 (28 и 29), выходы которых, являющиеся вторым выходом блока 18 (19) управления, соединены с входом одного из серводвигателей Iб(17), а управляющий вход одного из ключей 26 (28) является вторым входом блока 18 (19) управления, элемент FIE-И 30(31), инвертирующий вход которого подключен к второму входу блока 18(I9) управления, неинвертирующий — к.выходу второго одновибратора 23(25), TpHI гер 32(33), один из входов которого подключен к выходу элемента FIH-И 30 (31), другой — к выходу первого одновибратора 22(24); а выход - к управляющему входу другого ключа 27(29), инвертор 34, выход которого подключен к первому входу второго блока 19 управления,а вход вЂ, к первому входу первого блока 18 управления, триггер 35, входы которого подключены к первым выходам блоков 18 и 19 управления, а выходы подключены к со= ответствующим электромагнитам 7 и 8, Первый индикатор 4 соединен с входом инвертора 34, а другие индикаторы 5 и 6 соединены с вторыми входами соответствующих блоков 18 и 19 управления. Индикаторы 4, 5 и 6 углового положения инерционного тела 1 выполнены в виде дифференциальных фотоэлементов, которые в случае недостаточности уровня сигнала, возникающег в них при колебаниях инерционного тела 1, могут быть набжены поцклю":, ченными к их выходу усилителями 36, 37 и 38, а на инерционном теле 1 вы! полнены оптически связанные с индикаторами 4, 5 и 6 метки 39 и 40 в виде дугообразных полос, расположенных на различном расстоянии от оси вращения инерционного тела 1„ причем начала меток 39 и 40 находятся на одной линии, лежащей в плоскости равновесия крутильного маятника. При проведении температурных испытаний образец 3 помещают в печь (не показана) .

Установка работает следующим образом.

Исследуемый образец 3 закрепляют в захватах 2 и 12 таким образом, чтобы начала меток 39 и 40 инерционного тела I находились в зоне индика;.ора 4 положения равновесия крутильного маятника. Затем .возбуждают колебания инерционного тела 1 с небольшой амп.": литудой, например, ручным переключением электромагнитов 7 и 8. Через 23 периода колебаний электромагниты 7 и 8 подключают к выходам триггера 35.

Далее управление переключением электромагнитов 7 и 8 происходит автоматически. При колебаниях инерционного тела метки 39 и 40 воздействуют на индикатор 4 положения, сигналы которого через усилитель 36 и инвертор 34 подаются на первые входы блоков 18 и 19 управления, при этом устройство 20 определения середины интервала времени в течение одного полупериода, когда индикатор 4 положения взаимодействует с меткой 39, измеряет длительность этого полупериода, например, с помощью счетчика и генератора импульсов (не показаны), а с началом следующего полупериода, когда индикатор 4 положения взаимодействует с меткой 40, информация, записанная в счетчике, сбрасывается с частотой, в два раза большей, чем при заполнении его, и при появлении на выходе счетчика нулей во всех разрядах, что соответствует середине полупериода, с выхода устройства 20 для определения середины интервала времени сигнал поступает на вход триггера 35, который перебрасывается и переключает электромагниты 7 и 8, поводок 13 захвата 12 отводит от электромагнита 7 и притягивается к электромагниту 8, цри этом происходит дополнительное закручивание образца 3 и таким образом вводится энергия в колебательмежду подвижными опорами 10 и 11. В этом случае серводвигатель 16 включен до тех пор, пока начала меток 39 и 40 не пройдут индикатор 5 положения в сторону индикатора 4 положения, срабатывание триггера 32 при этом блокируется сигналом с.усилителя 37 на инвертирующий вход элемента

HE-И 30. Работа второго блока 19 управления и серводвигателя 17 про- исходит аналогично, только сигналы на второй вход второго блока 19 управления поступают с усилителя 38, а серводвигатель 17 производит перемещение подвижной опоры II с электромагнитом 8. Таким образом, бло-. ки 18 н 19 управления с помощью сер— водвигателей 16 и 17 устанавливают размах колебаний поводка 13, ре-. гистрируемый с помощью датчика 15 перемещений и блока 9 регистрации так, что размах R колебаний инерционного тела 1 становится равным заданному углу между индикаторами 5 и 6 положения.

Логарифмический декремент колебаний определяется по соотношению

S = 4 —, а динамический модуль 7 сдвига — С

Р где Т вЂ” момент инерции колебательной системы; k — форм-фактор,определяемый формой образца; fp — резонансная частота колебаний.

Предлагаемая система управления позволяет автоматически отслеживать изменение положения инерционного тела 1 в результате самопроизвольного закручивания образца 3 при его нагреве и одновременпым поворотом на один и тот же угол подвижных опор 10 и 11 устранить влияние этого закручивания на регистрируемую величину, при этом регистрируемое расстояние между подвижными опорами 10 и 11 является мерой внутреннего трения образца, поэтому при данной регистрации внутреннего трения путем измерения размаха колебаний поводка 13 отпадает необходимость производить калибровочные испытания образца с известным уровнем внутреннего трения.

7 1126837 ную систему (образец 3 — инерционное тело 1) крутильного маятника, что приводит к нарастанию размаха колебаний инерционного тела 1. Во втором блоке 19 управления устройство 21 для определения серединыинтервала времени работает аналогично,но сигналы на него поступают с инвертора 34 в момейты времени, сдвинутые на величину полупериода колебаний инерционного те- 1О ла 1. Таким образом, включение электромагнитов 7 и 8 происходит поочередно в разные полупериоды колебаний инерционного тела 1, а моменты времени переключения электромагнитов приходятся на середины полупериодов колебаний, что соответствует условию возникновения автоколебаний крутильного маятника 1 на частоте резонанса, определяемой упругостью образца 3 и моментом инерции инерционного тела !.

При этом, если при колебаниях инерционного тела начала меток 39 и 40 не доходят до индикатора 5 положения, то на неинвертирующий вход элемента НЕ-И блока 18 управления через одновибратор 23 поступает сигнал с выхода устройства 20 для определения середины интервала времени, а на инвертирующий вход этого же эле- 30 мента НЕ-И 30 поступает сигнал с усилителя 37, соединенного с индикатором 5 положения, поэтому на вход триггера 32 поступает сигнал с выхода элемента НЕ-И 30. Триггер 32 вклю-д чает ключ 27 и серводвигатель 16 перемещает подвижную опору 10 электро. магнита 7, увеличивая расстояние между подвижными опорами 10 и l1, а значит и размах колебаний. Серводви — 40 гатель 16 будет включен до тех пор, пока начала меток 39 и 40 инерционного тела не пройдут индикатор 4 положения, при этом через одновибратор 22 триггер 32 перебрасывается в исходное положение, сигнал с управляющего входа ключа 27 снимается и серводвигатель 16 останавливается.

Если же при колебаниях инерционного тела 1 начала меток 39 и 40 переходят индикатор 5 положения, то сигнал с усилителя 37 через второй вход первого блока 18 управления поступает на управляющий вход ключа 26 и серводвигатель !6 уменьшает расстояние

И 26837

Редактор Л.Алексеенко Техред А,Бабинец Корректор Г.Огар

Заказ 8683/32 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

il3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4