Устройство для определения физико-механических свойств кожи

 

Использование: легкая промышленность. Сущность изобретения: устройство для определения физико-химических свойств кожи и других вязко-упругих материалов в резонансном режиме на сжатие без их разрушения содержит подвижной элемент, к верхней части которогоприкреплена силовая катушка, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. Подвижный элемент размещен по центру цилиндрического корпуса в направляющих втулках. Подвеска подвижного элемента осуществляется за счет взаимодействия противоположнонаправленных магнитных полей трех кольцевых постоянных магнитов, расположенных вдоль подвижного элемента. Причем два крайних магнита прикреплены к корпусу устройства, а средний установлен неподвижно в средней части подвижного элемента. Новым в устройстве является использование среднего кольцевого магнита в качестве магнитного маятника измерительной катушки. Измерительная катушка, содержащая сердечник, прикреплена к корпусу устройства так, что плоскость ее витков совпадает с направлением движения магнитного маятника и подключена к входу усилителя низкой частоты, выход которого соединен с силовой катушкой. В усилителе низкой частоты устанавливается режим автогенерации электрических колебаний с частотой, равной собственной резонансной частоте механических колебаний подвижного штока. При установке устройства на исследуемый материал величина резонансной частоты системы увеличивается в зависимости от механических свойств исследуемого материала. 1 ил.

Изобретение относится к легкой промышленности для определения физико-механических показателей кожи и других вязко-упругих материалов без их разрушения.

Известны устройства неразрушающего контроля для определения динамических модулей сжатия (см. Palm W.E. et. al. Nondestructive dynamic compression measurementson full si des of leather. Am. Leather chemists ass, 1966, v. LXI, N 5, p. 222-234), содержащие измерительную головку, которая включает в себя силовую катушку, размещенную на подвижной части вибродатчика, помещенную в магнитное поле постоянного магнита и приводимую в колебательное движение с помощью электрического сигнала, поступающего от генератора синусоидального напряжения. Для балансировки моста устройство содержит эквивалент вибродатчика, включающий в себя переменный резистор, переменную индуктивность, два согласующих резистора и для регистрации выходного сигнала осциллограф.

Для определения динамических показателей исследуемого материала подвижной элемент приводится в соприкосновение с исследуемым образцом, который размещается на стационарной металлической плите. Подвижной элемент вибродатчика в динамическом режиме соприкасается с образцом и деформирует его. По отклику со стороны исследуемого материала на силовое воздействие подвижного элемента фиксируется значение частоты, электрическое сопротивление, индуктивность и с помощью соответствующих формул рассчитывается величина динамических модулей сжатия. Недостатком известных устройств является ограниченное число определяемых показателей исследуемого материала, сложность в эксплуатации из-за наличия пневматических элементов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для определения физико-механических свойств кожи (авт. св. СССР N 1499230, кл. G 01 N 33/36, 1989), содержащее подвижной элемент, упругая подвеска которого осуществляется с помощью трех кольцевых постоянных магнитов. Причем средний магнит закреплен на подвижном элементе вибродатчика и расположен между двумя соосно расположенными кольцевыми магнитами, прикрепленными к корпусу вибродатчика так, что плоскости всех магнитов параллельны. Магнитные поля крайних магнитов относительно среднего магнита, закрепленного на подвижном элементе, имеют противоположные направления. Таким образом подвижной элемент 1 вместе со средним кольцевым магнитом находится во взвешенном состоянии за счет взаимодействия магнитных полей кольцевых магнитов.

Указанная компоновка магнитов позволила использовать средний кольцевой магнит, который крепится к подвижному элементу, в качестве сердечника измерительной катушки, закрепленной в средней части корпуса вибродатчика.

Для создания гармонических колебаний подвижного элемента в его верхней части расположена силовая катушка, которая размещена в магнитном поле постоянного магнита. Подвижной элемент расположен в центре цилиндрического корпуса в направляющих втулках. Корпус вибродатчика размещен в основании с отверстием по центру, которое служит для выхода нижней части подвижного элемента.

Недостатком устройства, взятого в качестве прототипа, является сложность определения значения резонансной частоты, которая может быть выявлена только при снятии амплитудно-частотной характеристики исследуемого материала. Это достигается путем графического построения зависимости амплитудного значения напряжения на измерительной катушке от частоты сигнала задающего генератора. Кроме того, для задания частоты сигнала задающего генератора с определенной дискретностью необходимо использовать труд оператора, либо дорогостоящие генераторы качающейся частоты или анализаторы спектра сигналов. Указанные недостатки определяют сложность и длительность процесса измерения резонансной частоты, приводят к погрешности измерений. Громоздкость вспомогательных приборов и длительность испытаний обуславливают низкие эксплуатационные показатели устройства.

Целью изобретения является повышение точности измерений и автоматизация процесса определения физико-механических свойств кожи.

Для этого предлагаемого устройство (см. чертеж) содержит подвижной элемент 1, к верхней части которого прикреплена силовая катушка 2, помещенная в магнитное поле кольцевого постоянного магнита 3. Подвижной элемент 1, расположенный в направляющих втулках 4 и 5, изготовленных из бронзы, имеет систему подвеса, образованную за счет взаимодействия магнитных полей трех кольцевых магнитов 6-8, расположенных вдоль подвижного элемента 1. Причем два магнита 6 и 8 неподвижно прикреплены к корпусу 9 вибродатчика по концам подвижного элемента 1 с возможностью перемещения подвижного элемента 1 относительно этих магнитов. Кольцевой магнит 7 неподвижно закреплен в средней части подвижного элемента 1 и служит магнитным маятником измерительной катушки 10. Измерительная катушка 10, которая содержит цилиндрический сердечник 11, выполненный из ферромагнитного материала, прикреплена к корпусу вибродатчика 9 так, что плоскость ее витков параллельна направлению движения кольцевого магнита 7, закрепленного на подвижном элементе 1. Причем сердечник 11 измерительной катушки 10 размещен по центру высоты кольцевого магнита 7. Между внешним диаметром кольцевого магнита 7, выполняющего функцию магнитного маятника, и торцовой частью сердечника 11 измерительной катушки 10 установлен зазор величиной 1-1,5 мм. Измерительная катушка 10 подключена с помощью разъема Р₁ к входу усилителя низкой частоты 12, выход которого через разъем Р₂ подключен к силовой катушке 2.

Устройство работает следующим образом.

При подключении усилителя низкой частоты 12 к источнику питания по силовой катушке 2 течет ток, который вызывает изменение положения подвижного элемента 1 и закрепленного на нем кольцевого магнита маятника 7. Из-за изменения положения подвижного элемента 1 и кольцевого магнита маятника 7 происходит изменение магнитного потока, пронизывающего измерительную катушку 10, вследствие чего на ее концах наводится напряжение, которое в свою очередь передается на вход усилителя низкой частоты 12. Это напряжение усиливается и поступает с выхода усилителя низкой частоты 12 на силовую катушку 2, создавая в ней еще больший ток. Скорость перемещения подвижного элемента 1 по мере удаления его от положения равновесия убывает из-за возрастания магнитной силы отталкивания между магнитами 6 и 7 (или 8 и 7), при этом убывает напряжение на входе усилителя низкой частоты 12. Это приводит к уменьшению тока в силовой катушке 2. В какой-то момент времени подвижной элемент 1 остановится и затем под действием силы отталкивания магнитных полей кольцевых магнитов 6 и 7 (или 8 и 7) будет с увеличением скорости перемещаться в противоположном направлении. При этом полярность напряжения на измерительной катушке 10 изменит свое направление. Потенциал напряжения на входе усилителя низкой частоты 12 и направление тока в силовой катушке 2 так же изменяется. Процесс движения подвижного элемента 1 повторится, но в противоположном направлении.

Таким образом, с помощью подвижного элемента 1 и расположенных на нем силовой катушки 2 и кольцевого магнита маятника 7 осуществляется положительная обратная связь в усилителе низкой частоты 12. При этом в усилителе низкой частоты 12 устанавливается режим автогенерации электрических колебаний с частотой, равной собственной частоте механических колебаний подвижного элемента 1, которая для данной конструкции устройства равна 20 Гц.

При установке устройства на исследуемый материал, предварительно размещенный на недеформируемом основании, величина собственной резонансной частоты теперь уже системы, состоящей из подвижного элемента и деформируемой части исследуемого материала, будет меняться в большую сторону в зависимости от упругих свойств исследуемого материала.

Поскольку резонансный режим наступает практически мгновенно, а используемый метод определения физико-механических свойств материала является неразрушающим с помощью предлагаемого устройства можно осуществить экспресс-анализ упругих свойств исследуемого материала без построения амплитудно-частотной характеристики.

Иное расположение измерительной катушки 10 (например, как в прототипе) не дает положительного эффекта из-за возникающей в этом случае связи магнитных полей между измерительной и силовой катушками, вследствие чего проявляется самовозбуждение устройства на произвольной частоте. В случае поворота плоскости измерительной катушки относительно силовой катушки на угол 180^о возбуждения колебаний подвижного элемента устройства не возникает. В предлагаемом устройстве измерительная катушка 10 и силовая катушка 2 расположены таким образом, что их магнитные поля взаимно перпендикулярны и не влияют друг на друга.

Отличие предлагаемого устройства от прототипа заключается в изменении местоположения и конструкции измерительной катушки 10, использовании кольцевого магнита 7 в качестве магнитного маятника, введении усилителя низкой частоты. Причем измерительная катушка 10, усилитель низкой частоты 12 и силовая катушка 2 взаимосвязаны, т.е. между входом и выходом усилителя низкой частоты 12 через подвижной элемент 1 при работе устройства осуществляется положительная обратная связь. Введение положительной обратной связи через подвижной элемент 1 позволяет использовать предлагаемое устройство в режиме автогенерации электрических сигналов в усилителе низкой частоты 12 с частотой, равной собственной частоте механических колебаний подвижного элемента 1. Следовательно, предлагаемое устройство для определения физико-механических свойств кожи и других вязко-упругих материалов соответствует критериям "существенное различие" и "новизна".

Значения модулей упругости E_c [МПа] для нескольких образцов кож, определяемых в статическом режиме по формуле Е_с E_c= , где σ величина сжимающей нагрузки (напряжение, соответствующее статическому давлению на исследуемую кожу, МПа); ε деформация материала, возникающая под действием напряжения, и соответствующие значения резонансной частоты ν [Гц] приведены в таблице.

Использование предлагаемого устройства значительно сокращает время испытаний материала по сравнению с прототипом. Точность определения физико-механических свойств материала увеличивается в 2 раза. Кроме того, использование предлагаемого устройства создает благоприятные условия для автоматизации контроля качественных показателей материалов, подбора различных кож и деталей с одинаковыми деформационными свойствами. Предлагаемое устройство может быть использовано для контроля отклонений величины жесткости искусственных полимерных материалов, плотности намотки полотна на приемный барабан, непосредственно в технологических линиях. Внедрение предлагаемого устройства на предприятиях легкой промышленности позволит получить положительный эффект.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЖИ, содержащее подвижный элемент, верхняя часть которого несет силовую катушку, помещенную в магнитное поле постоянного магнита, систему подвеса подвижного элемента, выполненную в виде трех кольцевых магнитов, расположенных вдоль подвижного элемента и средний из которых закреплен на последнем, а два других магнита установлены на корпусе, и измерительную катушку, отличающееся тем, что силовая и измерительная катушки имеют усилитель низкой частоты, выход которого подключен к обмотке силовой катушки, а вход подключен к обмотке измерительной катушки, при этом измерительная катушка установлена так, что плоскость ее витков параллельна направлению перемещения подвижного элемента и содержит цилиндрический ферромагнитный сердечник, расположенный напротив и с зазором относительно среднего кольцевого магнита системы подвеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2