Устройство для определения твердости материала и способ определения твердости материала

 

Использование: определение твердости бумажных рулонов. Сущность изобретений: твердость определяют по пиковому торможению ударника при ударе по рулону. Измеренное пиковое торможение корректируют в зависимости от энергии удара (импульса силы). Устройство содержит ударник с установленным на нем средством формирования сигнала ускорения, зависящего от удара, два параллельно включенных канала, служащих для формирования первого и второго сигналов, зависящих соответственно от пикового торможения и энергии удара, и микропроцессор, осуществляющий обработку сигналов и коррекцию первого сигнала. Микропроцессор имеет общую входную шину для подключения упомянутых каналов и соединен обратными связями с входами "Сброс" пикового детектора и интегратора, включенных в соответствующие каналы формирования. На входах пикового детектора и интегратора включены пороговые элементы. Порог их срабатывания превышает сигнал ускорения при размахивании ударником в виде молотка, но ниже сигнала ускорения при ударе. Для определения профиля твердости бумажного рулона удары наносят во множестве точек, расположенных по его длине. В случае неприемлемости измеренных параметров удара в какой-либо точке для вычисления твердости в единицах измерения повторяют. При использовании изобретений обеспечивается оперативное получение достоверных значений твердости рулонов. 3 с. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к бумажному производству, в частности к устройству и способу для измерения твердости рулонов, способному давать воспроизводимые и количественные замеры твердости рулона.

В бумажном производстве очень важно, чтобы твердость готового бумажного рулона в осевом направлении выдерживалась постоянной, поскольку это служит признаком однородности всего производственного процесса. Намотанные бумажные рулоны на современном бумагоделательном оборудовании могут достигать в диаметре порядка 100 дюймов и даже более и по длине от 200 до 300 дюймов и более. Даже после разрезания и перематывания для печати рулоны могут быть в диаметре порядка 40 дюймов и более и по длине от 36 до 72 дюймов. Для определения однородности производственного процесса, а также для предсказания пригодности бумаги к печатанию весьма полезно испытывать такие бумажные рулоны на твердость и однородность твердости вдоль длины рулона.

Ручное устройство, давно используемое для такого испытания, описано в патенте США 3425267, выданном Пфейфферу, и ниже в описании это устройство иногда будет именоваться измерителем твердости Rho. Оно реализует способ определения твердости путем измерения пикового торможения ударника, имеющего известную массу, который падает в радиальном направлении на намотанный бумажный рулон с известной постоянной высоты под действием пружины, обладающей известной жесткостью. Поэтому устройство, соответствующее патенту США 3425267, обеспечивает считывание пикового торможения ударника, который ударяется в намотанный бумажный рулон с известной скоростью. Значение твердости выражают в единицах Rho (обозначение которых произошло от греческой буквы, которой принято обозначать плотность) и является условной масштабной оценкой, которая широко распространена в бумажной промышленности. Хотя это устройство дает воспроизводимые результаты, когда используется правильно, ему свойственны недостатки, особенно при использовании при поточном производстве.

Исключительно важно при использовании измерителя твердости Rho, описанного в патенте США 3425267, обеспечивать точность центрирования этого устройства с бумажным рулоном таким образом, чтобы направляющие, которыми устройство контактирует с бумажным рулоном, были строго тангенциальны к бумажному рулону по средней линии ударника. Если направляющие не будут тангенциальны к рулону или если касательная будет расположена не на средней линии ударника, то усилие ударника не будет направлено перпендикулярно к бумажному рулону и ожидаемая скорость удара не будет достигнута, в результате чего будут получаться ошибочные показания.

Другим недостатком устройства по патенту США 3425267 является то, что пружинного типа механизм управляет ударом ударника о рулон и сила, развиваемая этим механизмом, частично зависит от скорости, с которой воздействуют на спусковой механизм этого устройства. Поэтому пользователь должен тянуть спускатель медленно и с постоянной скоростью, чтобы получать воспроизводимые результаты от показания к показанию и день за днем.

Поскольку эта система использует пружину, приводящую в движение массу, она чувствительна к ориентации. В предпочтительном режиме устройство должно использоваться так, чтобы ударник перемещался строго вертикально, чтобы исключались вариации скорости, обусловленные гравитационным воздействием на вес. Поэтому способность эффективного использования этого устройства и в соответствии с предопределенным рабочим режимом предполагает, что оператор имеет доступ к самой верхней части бумажного рулона. Это может и не составлять трудности, если испытывать рулоны диаметром 40 дюймов, но, если бумажные рулоны имеют в диаметре шесть, восемь или более футов, снятие показаний при правильной ориентации устройства становится затруднительным.

Наконец, устройство по патенту США 3425267, способно фиксировать показание последнего испытания на аналоговом измерителе, который является составной частью этого устройства. Коммерческий вариант прибора имеет аналоговый ввод для подключения самописца с рулонной диаграммой или чего-то подобного, чтобы оператор мог снять несколько показаний и создать профиль твердости рулона на ленточной диаграмме без необходимости ручного записывания чисел Rho. Хотя оно предоставляет определенные удобства, оператору приходится уделять внимание при выполнении шагов, описанных выше, чтобы производить удары с постоянной силой. Запись на ленточной диаграмме существенно менее удобна, чем полный набор показаний, который можно изобразить графически или проанализировать статистически.

Устройством испытания твердости рулона, которое не подвержено множеству ограничений на его использование, как устройство по патенту США 3425267, является простая трость оператора накатной части (бумагоделательной машины). Это устройство представляет собой трость из прочной древесины, которой оператор у накатного конца бумагоделательной машины ударяет по рулону бумаги и определяет (обычно на слух и осязательно) частоту и амплитуду результирующих вибраций. Оператор старается производить удары с предопределенным усилием, и звук, производимый ударом трости о рулон (а также вибрация рулона, которую оператор ощущает рукой), интерпретируется оператором в субъективную оценку твердости рулона. Этой процедуре присущи со всей очевидностью неточности, вносимые от оператора к оператору и даже одним оператором в течение дня. Этот способ нельзя назвать количественным, если вкладывать в это слово какой-либо смысл.

Известно также устройство для определения твердости материала по авт. св. СССР 932370, содержащее ударник для нанесения удара по материалу с силой, которая может изменяться в заданном диапазоне, установленное на нем средство для формирования сигнала ускорения, зависящего от удара, два параллельно включенных канала, первый из которых, служащий для формирования первого сигнала, зависящего от пикового торможения ударника, включает пиковый детектор, а второй, служащий для формирования второго сигнала, зависящего от энергии удара, включает интегратор, средство для обработки первого и второго сигналов, использующее информацию, извлекаемую из второго сигнала, для коррекции первого сигнала, и стрелочный индикатор.

В этом устройстве коррекция первого сигнала осуществляется управляемым аттенюатором, коэффициент передачи которого изменяется под действием второго сигнала, поступающего на управляющий вход аттенюатора.

Упомянутая выше коррекция пикового торможения в зависимости от скорости (энергии) удара позволяет учесть влияние скорости (энергии) удара на результат определения твердости. Однако известное устройство не обеспечивает оперативное определение твердости во множестве точек и запись полученных результатов, что ограничивает возможности его использования для производственного контроля однородности твердости рулонов, в особенности бумажных рулонов больших размеров.

Цели изобретения создание устройства и способа для определения твердости материалов, смотанных в рулон, в особенности бумажных рулонов, которые обеспечивали бы получение воспроизводимой величины твердости рулона в заданных единицах твердости и автоматический сбор и обработку информации, необходимой для определения профиля твердости рулона. Кроме того, целью изобретения является создание простого в использовании устройства для определения твердости, которое сигнализировало бы оператору является ли удар приемлемым для определения твердости. Другие преимущества изобретения станут ясными из последующего подробного описания.

Цели изобретения достигаются благодаря тому, что устройство для определения твердости материала содержит ударник для нанесения удара по материалу с силой, которая может изменяться в заданном диапазоне, установленное на нем средство для формирования сигнала ускорения, зависящего от удара, два параллельно включенных канала, первый из которых, служащий для формирования первого сигнала, зависящего от пикового торможения ударника, включает пиковый детектор, а второй, служащий для формирования второго сигнала, зависящего от энергии удара, включает интегратор, средство для обработки первого и второго сигнала, использующее информацию, извлекаемую из второго сигнала, для коррекции первого сигнала, и индикатор, причем средство для обработки первого и второго сигналов выполнено в виде микропроцессора, имеющего общую шину для подключения упомянутых каналов и соединенного обратными связями с входами "Сброс" интегратора и пикового детектора.

Кроме того, микропроцессор, может содержать средство для корректирования выходного сигнала с единицами заданной шкалы твердости, которыми в предпочтительном случае использования изобретения являются единицы Rho. В предпочтительном варианте выполнения в устройстве по изобретению используется ударник, содержащий ударную головку, закрепленную на ручке и образующую с ней ручной молоток, при этом средство для формирования сигнала ускорения выполнено в виде акселерометра.

При выполнении устройства по этому варианту на входах пикового детектора и интегратора включены пороговые элементы, порог срабатывания которых превышает сигнал ускорения при размахивании молотком, но ниже сигнала ускорения при ударе.

По другому варианту выполнения устройство содержит корпус, установленный с возможностью перемещения относительно испытуемого материала, средства для крепления ударника внутри корпуса и средства, обеспечивающие нанесение ударов ударником по материалу во время перемещения корпуса.

Согласно изобретению способ определения твердости материала, смотанного в рулон, включает нанесение удара по рулону ударником с силой, которая может изменяться в заданном диапазоне, измерение пикового торможения ударника при ударе, определение по нему твердости и визуальное отображение ее величины. Способ отличается тем, что измеряют также импульс силы удара, корректируют пиковое торможение в зависимости от импульса силы и формируют сигналы для подготовки средств измерения к повторному измерению. Применительно к контролю бумажных рулонов способ предусматривает коррелирование скорректированного пикового торможения с единицами твердости Rho. В предпочтительном варианте осуществления способа удар наносят испытательным ручным молотком по нормали к поверхности рулона, для измерения импульса силы и пикового торможения используют сигнал акселерометра, при этом первое измерение осуществляют интегрированием сигнала акселерометра. Кроме того, при измерении импульса силы устанавливают порог срабатывания средства измерения таким, чтобы он был заведомо выше сигналов акселерометра, возникающих при размахивании молотком, но ниже сигнала акселерометра, возникающего при ударе.

Способ определения профиля твердости бумажного рулона согласно изобретению включает нанесение ударов по рулону в некотором множестве заданных точек, расположенных по его длине, ударником, оснащенным акселерометром, измерение при каждом ударе пикового торможения ударника и определение по нему твердости в выбранных единицах. Согласно изобретению удары наносят ручным молотком, при каждом ударе измеряют энергию удара и корректируют пиковое торможение в зависимости от энергии удара, подают сигналы оператору, являются ли измеренные параметры удара приемлемыми или неприемлемыми для вычисления твердости в единицах Rho повторяют упомянутые измерения для точки, в которой измеренные параметры оказались неприемлемыми, запоминают значение твердости в этой точке и после этого производят измерения для остальных точек.

На фиг. 1 изображен перспективный вид двух элементов устройства для определения твердости рулона, а именно ручного ударника и связанного с ним портативного компьютера; на фиг. 2 ударная головка с встроенным акселерометром; на фиг. 3 ударник, предназначенный для автоматического перемещения вдоль бумажного рулона, подлежащего испытанию; на фиг. 4 - блок-схема устройства для определения твердости; на фиг. 5 график сигналов акселерометра при различных значениях твердости рулона и различных энергиях удара; на фиг. 6 диаграмма, иллюстрирующая корреляцию между выходным показанием одного из вариантов измерителя, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением, и условной, но общепринятой шкалой Rho твердости рулона.

Хотя изобретение будет описано на примере предпочтительных вариантов осуществления, не предполагается, что оно ограничивается этими вариантами осуществления. Наоборот, имеется намерение охватить все альтернативы, модификации и эквиваленты, попадающие в пределы существа и объема настоящего изобретения, как оно определено предложенной формулой.

На фиг. 1 изображены два элемента устройства (системы), сконструированного в соответствии с настоящим изобретением, причем с помощью этих элементов осуществляют сбор замеров твердости. Система 20 включает ударник 22, который выполнен в форме ручного молотка, которым оператор стучит по рулону. Электронные элементы, вмонтированные в ударник 22, соединены посредством кабеля 24 с ассоциированным ручным (или закрепляемым на поясе) калькулятором или компьютером 26. В случае, если драйверная электроника полностью не встроена в ударник, то такая дополнительная электроника, а также дисплей и управляющая электроника размещаются в отдельном блоке.

Ударник 22 содержит ручку 32, имеющую утолщение для захвата оператором, и шейку 34, соединяющую ручку 32 с ударной головкой 36. Ударный конец 38 головки 36 выполнен с закругленным торцем 40 с тем, чтобы он при ударе в бумажный рулон не имел возможности существенно повредить рулон или разорвать бумажное полотно.

При реализации изобретения, как более подробно будет описано ниже, акселерометр устанавливается внутри головки 36 так, что он возбуждается при каждом ударе головки 36 по бумажному рулону. Акселерометр выдает сигналы, которые анализируются на пиковое торможение и энергию удара, причем эта информация используется для определения величины твердости рулона, которая не зависит от силы удара. Следует заметить, что в предпочтительном варианте осуществления изобретения используется акселерометр, сигнал которого интегрируется для получения скорости, которая прямо пропорциональна (при постоянной массе) импульсу силы. В наиболее широком смысле настоящее изобретение не ограничивается применением акселерометра в качестве датчика сигнала или интегрированием некоторого конкретного типа сигнала для измерения энергии или силы удара. Например, можно использовать силы в головке ударника и масштабировать выходной сигнал датчика силы в сигнал, аналогичный снимаемому с акселерометра. Как альтернатива в смысле обработки сигнала сигнал, используемый для нормализации сигнала пикового торможения, обычно описывается как сигнал, связанный с силой удара. В предпочтительном режиме этот сигнал наиболее удобно получить интегрированием сигнала, которое дает сигнал, связанный со скоростью. Скорость при постоянной массе связана с импульсом силы, который, в свою очередь, является мерой энергии удара. В любом случае, когда используется общее выражение, подобное "сигналы, относящиеся к энергии удара" в настоящем описании, предполагается, что оно в своем наиболее широком смысле охватывает разнообразные альтернативы восприятия сигналов, вызванных ударом, для получения меры, относящейся к силе или энергии удара.

Обращаясь вновь к фиг. 1, надо заметить, что оператору достаточно взять в руку ручку 32 ударника и размахивать им, как молотком, чтобы стучать по рулону. Для оператора достаточно просто выбрать нужную точку для удара, затем выполнить размах так, чтобы в заданной точке удар был направлен по нормали к поверхности рулона. Однако затруднительным может оказаться обеспечение одинаковости силы удара раз за разом, и схемное устройство, состыкованное с ударником, предназначено устранить такого рода затруднения. Все, что нужно попадание значения усилия удара в заданный интервал (больше минимума, необходимого для создания сигнала, который может быть измерен, и меньше максимума, который повлечет перегрузку или насыщение схемной части). Усилие, которое влечет появление сигналов внутри этого нужного интервала, будет порождать два вышеназванных сигнала: один, относящийся к пиковому торможению, и другой, относящийся к импульсу силы удара, и они могут быть использованы для определения твердости рулона.

Как отмечено выше, ударник 22 соединен с портативным калькулятором или компьютером 26 посредством кабеля 24. В иллюстрируемом варианте осуществления большая часть электроники сосредоточена в портативном калькуляторе 26, но это, конечно, не является необходимостью при реализации настоящего изобретения. В иллюстративном варианте осуществления калькулятор представляет собой существенно прямоугольное устройство, приблизительно равное по размерам известному ручному калькулятору и предпочтительно имеющее поясной зажим, чтобы, если желательно, это устройство можно было просто пристегнуть к ремню, когда нужно выполнить серию замеров. Однако устройство настольно мало, что оператор может держать его в одной руке, используя другую руку для нанесения ударов по рулону в заданном числе точек, чтобы получить профиль рулона.

Разъем 41 обеспечивает соединение ударника 22 с калькулятором. Видно, что корпус 42 оснащен дисплеем 44 (в иллюстративном варианте осуществления им является дисплей на жидких кристаллах). Жидкокристаллический дисплей 44 специально приспособлен для индикации профиля твердости рулона и в верхней части имеет секцию для отображения столбцовой диаграммы 46, показывающей профиль твердости вдоль рулона. В нижней части жидкокристаллического дисплея 44 имеются левосторонняя часть для отображения цифровых символов 49, которые представляют число Rho твердости предыдущего измерения, и правосторонняя для символов 50, которые указывают номер удара для снимаемого профиля.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения система включает в себя пару индикаторов, изображенных в виде жидкокристаллических дисплеев 51 и 52, которые смонтированы в корпусе 42. Конечно, эти индикаторы можно смонтировать в ударнике, если желательно. Жидкокристаллический дисплей 51 предпочтительно светится красным цветом и начинает светиться, чтобы указать, что сигналы, полученные при предыдущем считывании, неприемлемы для вычисления числа Rho для этого показания. Таким образом, свечение жидкокристаллического дисплея 51 означает, что оператору следует обеспечить снятие показания для предыдущей точки. Предпочтительно, чтобы жидкокристаллический дисплей 52 светился зеленым цветом, а его свечение означает, что показания, которые непосредственно перед этим получило устройство, приемлемы для вычисления числа твердости Rho, т.е. оператор может выполнить следующий удар.

Для полноты описания следует отметить, что компьютер также имеет выключатель 54 питания, который обеспечивает поступление питания на ударник 22 и калькулятор (компьютер) 26. Матрицу входных клавиш 95 опрашивает встроенный микропроцессор, позволяя оператору общаться с системой. Одной из этих клавиш, например, можно пользоваться для сигнализации о начале работы по определению профиля твердости рулона, подготавливая схему к поступлению последующей последовательности сигналов для заданного рулона. Другие клавиши можно использовать, например, для выдачи задания встроенному микропроцессору на выполнение статистического анализа собранных данных. В рассматриваемом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения передняя панель калькулятора 26 представляет собой коммерчески доступное вычислительное устройство, которое содержит входную матрицу клавиш, дисплей, микропроцессор для возбуждения этих элементов и выполнения других вычислительных операций, а также стандартные коммуникационные порты для общения с другими устройствами. Автономные батареи, обычно устанавливаемые в корпус калькулятора 26, предпочтительно являются перезаряжаемого типа. Калькулятор 26 также имеет разъем 55, который позволяет посредством кабеля 56 выполнить соединение с наушниками (на фиг. 1 не изображены). Телефонные наушники доставляют удобство оператору, поскольку предназначены издавать писк, чтобы обратить внимание оператора на то, что попытка снять показания выполнена, но сигналы неприемлемы для вычисления числа твердости Rho.

При таком понимании системы, представленной на фиг. 1, должно быть ясно, что оператору представлена возможность легко и непосредственно выполнить большое число замеров бумажных рулонов, будь они вновь изготовленными больших диаметров или меньших диаметров, подготовленные резкой к печатанию. Весьма просто оператору приблизиться к рулону, а затем обстучать бумажный рулон закругленным торцем головки ударника. Затем калькулятор автоматически снимет сигналы с акселерометра, чтобы вычислить твердость рулона в точке нанесения удара. Оператору лишь нужно простучать рулон в заданном числе точек, определенном процедурой управления качества: например, точки могут располагаться, начиная с шагов в несколько дюймов по длине рулона. Калькулятор имеет возможность, как сказано выше, вести счет числа ударов в ходе простукивания и показывать текущее значение твердости для каждого удара. Эти данные, как будет разъяснено со ссылками на электрические схемы ниже, сохраняются во внутренней памяти калькулятора 26. Оператор имеет возможность присоединить периферийный принтер (не показан) к калькулятору 26 для выполнения распечатки профиля твердости или отдельных его составляющих. Как альтернатива, калькулятор 26 можно оснастить известным связным портом (подобным порту RS 232), чтобы его можно было непосредственно сопрягать с другим устройством.

В любом случае должно быть ясно, что проверки контроля качества не только выполняются весьма быстро, но и с меньшим риском допустить ошибки. Оператору лишь нужно быть уверенным, что он подходит к рулонам в правильной последовательности и что, когда система настроена на профилирование твердости заданного рулона, все показания были бы сняты с одного и того же рулона. Затем он просто идет вдоль рулона и наносит удары в назначенных точках, тем самым заставляя систему собирать необходимую информацию, выполнять необходимые вычисления и сигнализировать оператору о необходимости провести повторно обмер точки с неприемлемым показанием. Когда процедура будет завершена для всех рулонов, подлежащих испытанию, оператор может либо распечатать необходимую информацию, применяя периферийный принтер, либо ввести собранную информацию в заводской компьютер контроля качества для обработки и отображения на дисплее, как требуется. Преимущество над способом трости накатного оператора, с одной стороны, или даже измерителем числа твердости Rho, с другой стороны, должно быть очевидно. Способ трости позволяет оператору получить качественную оценку плотности рулона, но не количественную оценку, которую можно записать. Измеритель твердости Rho предоставляет оператору количественную информацию, но эта информация уже возможно подвергалась воздействию какой-либо ошибки по причине неудобства при использовании устройства, и этот измеритель также неудобен для осуществления записи профилей твердости рулонов с правильным информационным содержанием.

При таком понимании системных структуры и работы далее внимание будет направлено на дополнительные детали отдельных элементов и их взаимодействие при реализации настоящего изобретения. На фиг. 2 изображена в схематичном виде рабочая головка 36 ударника 22 Внутрь ударника встроен акселерометр 60, имеющий выводы 62, которые идут от акселерометра через ручку 32, для соединения присоединительным кабелем с ручным калькулятором 26. Детали крепления акселерометра не показаны. Достаточно сказать, что акселерометр установлен так, что, когда закругленный торец 40 головки сталкивается с внешней массой (как, например, это происходит при ударе рулона), торможение, действующее на головку 36, порождает в акселерометре 60 пропорциональный сигнал, который по проводам 62 передается на остальную схемную часть для индикации ускорения (или торможения) головки во время удара.

Обратимся к фиг. 3, на которой представлена альтернативная ударная головка 36а, смонтированная на поперечной направляющей, ориентированной вдоль рулона для измерения и автоматического нанесения ударов по рулону. Как видно, модифицированная головка 36а смонтирована в корпусе 64, перемещаемом механизмом 66. Ударник (головка 36а) с встроенным акселерометром 60а может перемещаться совместно с корпусом 64 вдоль рулона в направлении, обозначенном двунаправленной стрелкой 67. Пружинный механизм 68 отжимает модифицированную головку 36а от рулона при сжатии пружины; спусковой механизм 69 освобождает головку 36а в направлении, указанном стрелкой 70, для нанесения удара по рулону, в результате чего появляется сигнал в акселерометре 60а, соединенном посредством проводов 62а с электрической схемной частью. Систему, представленную фиг.3, можно так спроектировать, что она будет каждый цикл выполнять удар сравнительно постоянной силы. Однако, предпочтительно, чтобы схемная часть, соединенная с акселерометром, была описанного выше типа, чтобы компенсировать разброс силы удара, который может быть обусловлен разбросом срабатывания спускового механизма, изменениями в механической системе, происходящими во времени, ослаблением пружины или чем-то подобным так, чтобы даже при существенном постоянстве силы удара во времени компенсировались бы любые небольшие различия силы удара. Сначала может показаться, что компенсация силы удара, которая важна для ручной системы, представленной на фиг. 2, оказывается менее значима для механизированного варианта, представленного на фиг.3, если рассматривать однородность показаний. Однако значимость компенсационных способов даже применительно к механической системе можно еще выше оценить, если осознать, что даже в механизированном варианте не нуждаются в калибровании, чтобы быть идентичными друг другу или какому-либо фиксированному стандарту, чтобы воспроизводить показания, достаточно точные относительно данного масштаба. Подобное калибрование будет выполняться путем коррекции сигнала пикового торможения с помощью дополнительного сигнала, зависящего от импульса силы удара, и такая нормализация будет давать показания, соотнесенные с фиксированной шкалой, а не произвольной или некалиброванной шкалой, уникальной для каждого конкретного механизма или конкретного модуля упругости.

На фиг. 4 показаны электрические и электронные связи между элементами системы, построенной в соответствии с настоящим изобретением. В левом верхнем углу рисунка изображен ударник 22 с головкой 36, имеющей скругленный торец 40 и содержащей встроенный акселерометр 60. Акселерометр соединен кабелем 62 с дополнительной электронной частью, предпочтительно заключенной в корпусе ручного или портативного калькулятора или компьютера 26. Фиг. 4 представляет предпочтительный вариант осуществления изобретения, в котором калькулятор или компьютер 26 содержит два элемента: процессорное устройство 26а в форме автономного компьютера, который содержит входные клавиши, дисплей, микропроцессор, память и элементы, необходимые для выполнения существенно запрограммированной обработки, и вторую специализированную секцию 26в, которая выполняет сбор и обработку сигналов, формируемых при ударе. Однако должно быть ясно, что одиночный процессор достаточной производительности и с достаточной памятью можно скомпоновать так, чтобы он выполнял обе функции.

Рассматривая схемную часть, обрабатывающую сигналы, можно заметить наличие в ней двух параллельных каналов 80 и 82. Первый канал 80 создан для формирования первого сигнала, зависящего от пикового торможения ударника во время удара, второй канал 82 создан для формирования второго сигнала, зависящего от энергии (импульса силы) удара. Второй сигнал, как будет объяснено ниже, пропорционален временному интегралу сигнала торможения во время удара. Сигнал от акселерометра 60 поступает на схемную часть по кабелю 62, к которому параллельно подключены два канала 80 и 82 (в предпочтительном варианте), причем первый канал обеспечивает записывание пикового торможения во время удара и второй канал 82 обеспечивает записывание временного интеграла торможения как меры энергии (или импульса силы) удара. Когда сигнал канала 80 корректируется сигналами канала 82, получаются воспроизводимые количественные результаты для рулонов одинаковой твердости вне зависимости от силы удара в сравнительно большом интервале допустимой силы удара.

Канал 80 содержит обнаруживающий и запоминающий пик схемный модуль - пиковый детектор 84, имеющий вход, соединенный с акселерометром, и выход, соединенный с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) 85. Пиковый детектор 84 может быть выполнен в виде простой схемы квантования и запоминания, потенциал на входе которой повышается при повышении входного сигнала, но вход которой разряжается только по сигналу сброса по линии 86 обратной связи. Можно видеть, что сигнал в линии 86 возбуждается микропроцессором 90 и служит для сброса обнаруживающей и запоминающей пик схемы перед началом цикла сбора данных в ходе измерения.

Второй канал 82 содержит интегратор 87, предпочтительно в форме аналогового интегратора, имеющего выход, который питает аналогово-цифровой преобразователь 88. Если желательно, АЦП 85 и 88 можно выполнить как одно устройство, которым два канала 80 и 82 пользуются в режиме разделения времени. Интегратор 87, предпочтительно, является высокоточным операционным усилителем, оснащенным емкостной обратной связью для обеспечения прецизионного интегрирования сигнала, принимаемого от акселерометра во время удара. Можно также видеть, что интегратор 87 имеет вход "сброс" 89, соединенный линией обратной связи микропроцессором 90. Интегратор 87 и пиковый детектор 84 могут сбрасываться микропроцессором 90 (по соответствующим линиям обратной связи) при подготовке к удару по рулону для получения нового показания. Предпочтительно, чтобы сигнал сброса подавался после успокоения сигналов акселерометра (т. е. когда они окажутся ниже порогового значения), означая, что предыдущий удар завершен. Например, после того, как сигналы сформированы пиковым детектором 84 и интегратором 87 и преобразованы в цифровую форму АЦП 85 и 88, эти преобразователи по признаку завершения процесса оцифрования могут подать сигнал "сброс", который обрабатывается микропроцессором 90 для сброса пикового детектора и интегратора с целью подготовки к следующему удару.

На входах пикового детектора 84 и интегратора 87 включены пороговые элементы, порог срабатывания которых превышает сигнал ускорения, возникающий при движении ударника (даже при размахивании ручным молотком), но ниже сигнала ускорения при ударе по рулону. Поэтому, когда оператор размахивает молотком, электронные средства измерения и обработки не реагируют на возникающие при этом ускорения. Однако сигнал акселерометра, вызванный ударом, оказывается выше порога срабатывания и, следовательно, обнаруживается.

Должно быть очевидным для специалистов в данной области техники, что тонкие различия в режиме работы системы легко реализуются подходящим программированием микропроцессора 90, который использует шинную структуру, которая изображена (а также другие соединения, которые не изображены) для контроля входных схем, преобразователи, индикаторы интерфейса с оператором, дисплей и периферийные устройства, и всеми другими особенностями системной работы. Таким образом, микропроцессор 90 имеет основную входную-выходную шину 91, которая соединена с обоими АЦП 85 и 88 для приема от них цифровых входных сигналов. Уже сказано выше, что цифровой входной сигнал, поступающий от АЦП 85, является сигналом, относящимся к пиковому торможению, в то время как сигнал, поступающий от АЦП 88, относится к импульсу силы или скорости. Способ использования этих сигналов для получения выхода в приемлемых и воспроизводимых единицах будет описан ниже со ссылками на фиг. 5 и 6. Но прежде, чем изучать эти фигуры, следует заметить, что микропроцессор 90 соединен со светоизлучающими диодными индикаторами-дисплеями 51 и 52 и телефонными наушниками 55а (соединенными с системой посредством разъема 55), которые были описаны как средства интерфейса оператора со ссылкой на фиг. 1. Микропроцессор 90 запрограммирован иллюминировать зеленый дисплей 52, когда снято хорошее показание, и красный дисплей 51, когда установлено, что предыдущее показание не попало в диапазон, и посылать тональные сигналы в наушники 55а для индикации процесса оператору, снимающему показание, серию показаний или профиль твердости рулона.

На фиг. 4 изображена пара коммуникационных портов, предпочтительно в форме коммерчески доступных портов RS 232, хотя при желании можно использовать другие формы связанной коммуникации. Первый такой порт 94 включен между микропроцессором 90 и процессорным устройством 26а, которое содержит жидкокристаллический дисплей 44 и матрицу клавиш 95. При нажиме клавиш 95 сигналы поступают на микропроцессор, встроенный в устройство 26а, или, если используется единственный микропроцессор, то на единственный микропроцессор 90, который управляет обоими устройствами. Микропроцессор 90, имеющий результаты предыдущих или текущего удара, также способен передавать информацию коммуникационной шине 94, чтобы управлять дисплеем 44, или в варианте с автономным микропроцессором в процессорном устройстве 26а встроенный микропроцессор может управлять таким дисплеем. Дисплей 44, как показано, отображает столбцовую диаграмму профиля твердости рулона (упомянутую в связи с фиг. 1), а также число твердости Rho для текущего удара и номер текущего удара.

Второй связной порт 96 RS 232 служит для обеспечения связи между ручным компьютером 26 и дополнительным периферийным оборудованием, включая названный выше портативный принтер (изображенный позицией 97 на фиг. 4), известный персональный компьютер 98 и управляемый компьютером принтер 99. Как сказано выше, портативным принтером 97 может непосредственно управлять процессорное устройство 26а для создания распечатки результатов испытания почти немедленно. Информация о текущем профиле твердости рулона (а также о ранее запомненных профилях) также может поступать по шине 96 на известный персональный компьютер 98, чтобы над этими данными можно было выполнять дополнительные статистические или обрабатывающие программы, отображать данные на дисплее персонального компьютера известным способом и распечатывать на принтере 99, когда необходимо.

На фиг. 5а представляет график сигналов акселерометра в функции времени при постоянной силе удара по материалам различной твердости. Видно, что первая кривая 100 имеет пиковое торможение значительно ниже 200 g (соответствующее сравнительно мягкому материалу, подобному газетной бумаге), промежуточная кривая 102 имеет пиковое торможение чуть выше 200 g (что соответствует материалу средней твердости, подобному гербовой бумаге денежных знаков) и третья кривая 103 имеет острый пик, превышающий 300 g (соответствующий более прочному материалу, подобному сильно каландрированной бумаге). Также видно, что для более мягких материалов кривые имеют более широкие основания (т.е. большие длительности действия импульса торможения), а более твердые материалы характеризуются не только более высокими пиками, но и более короткими длительностями торможения. Поэтому, как общее правило, можно видеть, что при увеличении твердости объекта (при постоянной энергии удара) пиковое торможение повышается, а длительность контакта ударной головки с материалом (т.е. длительность действия импульса торможения) снижается. Однако, когда вводится в рассмотрение переменная энергия удара, нельзя использовать только информацию о пиковом торможении и длительности, чтобы различать типы материалов.

Это обстоятельство иллюстрирует фиг.5в, на которой представлены графики сигналов акселерометра при ударах различных энергий по материалу заданной твердости, включая мягкий удар (кривая 105), средний удар (кривая 106) и жесткий удар (кривая 107). Можно видеть, что длительность действия импульса для каждого из трех ударов почти одинакова (будучи в основном функцией твердости материала), но значения пикового торможения значительно различаются, охватывая диапазон от менее 100g для мягкого удара до приблизительно 300g для жесткого удара. Поэтому должно быть ясно, что, если удары различных значений будут нанесены по материалам различных твердостей, оказывается невозможным установление различия в твердости (тем более количественно) материалов.

В соответствии с изобретением определяются площади под кривыми на фиг.5в (в канале 82 на фиг.4), чтобы получить меру энергии удара и тем самым создать возможность нормализации по ударной энергии сигнала пикового торможения, формируемого каналом 80, что дает не зависящую от энергии удара количественную оценку сравнительной твердости рулона. Интегрирование кривых на фиг. 5в эквивалентно интегрированию кривой ускорения во время удара. Поэтому интегрирование ускорения дает сигнал, характеризующий скорость, а временной интервал дает то, что известно как импульс силы, т.е. мера энергии, затрачиваемой ударником во время удара по рулону. Должно быть ясно, что сравнительно меньшее интегральное значение сигнала будет соответствовать мягким ударам, как иллюстрирует кривая 105, в то время как существенно большее значение будет результатом жестких ударов, как иллюстрирует кривая 107. Также должно быть ясно, что, если схема настроена на пониженное пороговое значение (порядка 100 мВ), эквивалентное в одном из вариантов осуществления изобретения ускорению 10 g существенной ошибки тем самым не будет введено в силу симметрии кривой и результирующей способности выполнять корректировки для такого порога.

Вновь обратимся к фиг.5а. Хотя на нем не представлено семейство кривых, относящихся к различным ударным силам для каждого из материалов различных твердостей, умозрительно сравнение фиг.5а и 5в позволяет сделать предположение, что, когда пиковое торможение по фиг.5а корректируется сигналом, соответствующим площади под выбранной кривой на фиг.5в, будет получен выходной сигнал, не зависящий от ударной силы (энергии удара) и нормализованный относительно разных ударных сил (энергий).

Результат такой нормализации иллюстрируется изображенным на фиг.6 графиком показаний измерителя твердости Rho рулона (т.е. показания измерительного устройства в патенте США 3425267) в функции показаний системы, представленной на фиг. 4. Линейное уравнение в верхнем левом углу графика дает математическое выражение зависимости показаний системы (Y) от показаний измерителя Rho (X). Видно, что эта зависимость существенно линейна при значении коэффициента корреляции R около 0,99.

В некотором конкретном варианте осуществления настоящего изобретения была установлена зависимость между показаниями Rho измерителя и информацией о скорости и ускорении, снимаемой с каналов 80 и 82. Это соотношение описывает следующее уравнение: Ln(Rho) C₁·Ln(V)·Ln(V) + C₂·Ln(A)·Ln(A) + C₃ для диапазонов V (скорость) и A (ускорение) (в двоичных числах): 40 < V < 254, 40 < A < 254, где Ln(Rho) натуральный логарифм твердости Rho; Ln(Rho) натуральный логарифм скорости (двоичное число); Ln(A) натуральный логарифм ускорения (двоичное число); C₁ 0,147075 ± 0,000687; C₂ 0,128536 ± 0,000649; C₃ 4,263272 ± 0,013729.

Для конкретного испытанного устройства модель, проиллюстрированная вышеприведенным уравнением, имела коэффициент корреляции 0,987. Теперь должно быть ясно соответствие между показаниями устройства, построенными в соответствии с настоящим изобретением, и показаниями измерителя Rho, снимаемыми хорошо известными способами. Дополнительно надо заметить, что специфические соотношения между выходом измерителя и сигналами в каналах 80 и 82 подлежат эмпирическому определению для каждой частной аппаратурной реализации.

Было отмечено, а теперь подчеркивается, что настоящее изобретение предоставляет возможность формировать высокоточные (и достаточно компактные) наборы данных о твердости бумажных рулонов в любой момент производственной или эксплуатационной цепочки. Для этого достаточно послать оператора с элементами, изображенными на фиг.1, на участок, где хранятся рулоны, с инструкциями, касающимися подлежащих испытанию рулонов, последовательности их испытаний и числа ударов, которые он должен наносить по каждому рулону.

Располагая такой информацией, оператору нужно инициировать последовательность измерения профиля твердости каждого рулона посредством нажима на подходящую клавишу на калькуляторе 26. Затем оператору следует постучать по рулону в заданных участках предписанное число раз для этого профиля. Система будет сообщать оператору (миганием светодиодов, тональными звуками в телефонных наушниках или другим образом) о том, является ли приемлемым любое показание и надо ли какой-либо удар повторить. За считанные секунды оператор будет обладать достаточной информацией, запомненной в калькуляторе 26, о профиле твердости всего рулона, после чего он может нажать клавишу "сброс", чтобы инициировать цикл сбора данных для следующего рулона и выполнить все то, что он сделал с предыдущим рулоном. За несколько минут сравнительно неквалифицированный оператор может обработать несколько рулонов бумаги и возвратить калькулятор в отдел контроля и качества, где данные могут быть введены в компьютерную систему контроля качества для анализа и обработки, причем эти данные не только существенно более точны, чем возможно было собрать в прошлом, но еще и потенциально более обширны и легче обрабатываемы, что предоставляет изготовителям бумаги ранее несуществовавшие благоприятные возможности оптимизации производственного процесса.

Формула изобретения

1. Устройство для определения твердости материала, содержащее ударник для нанесения удара по материалу с силой, которая может изменяться в заданном диапазоне, установленное на нем средство формирования сигнала ускорения, зависящего от удара, два параллельно включенных канала, первый из которых, служащий для формирования первого сигнала, зависящего от пикового торможения ударника, включает пиковый детектор, а второй, служащий для формирования второго сигнала, зависящего от энергии удара, включает интегратор, средство для обработки первого и второго сигналов, использующее информацию, извлекаемую из второго сигнала, для коррекции первого сигнала, и индикатор, отличающееся тем, что средство для обработки первого и второго сигналов выполнено в виде микропроцессора, имеющего общую входную шину для подключения упомянутых каналов, при этом микропроцессор соединен обратными связями с входами "Сброс" интегратора и пикового детектора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микропроцессор содержит средство для коррелирования выходного сигнала с единицами заданной шкалы твердости, а шкала индикатора проградуирована в единицах твердости.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что единицами заданной шкалы твердости являются единицы Rho.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ударник содержит ударную головку, закрепленную на ручке и образующую с ней ручной молоток.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средство для формирования сигнала ускорения выполнено в виде акселерометра.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что на входах пикового детектора и интегратора включены пороговые элементы, порог срабатывания которых превышает сигнал ускорения при размахивании молотком, но ниже сигнала ускорения при ударе.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит корпус, установленный с возможностью перемещения относительно испытуемого материала, средство для крепления ударника внутри корпуса вблизи материала и средства, обеспечивающие нанесение ударов ударников по материалу во время перемещения корпуса.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что материал смотан в рулон.

9. Способ определения твердости материала, смотанного в рулон, по которому наносят удар по рулону ударником с силой, которая может изменяться в заданном диапазоне, измеряют пиковое торможение ударника при ударе, определяют по нему твердость и визуально отображают величину твердости, отличающийся тем, что измеряют импульс силы удара, корректируют пиковое торможение в зависимости от импульса силы и формируют сигналы для подготовки средств измерения к повторному измерению.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что осуществляют коррелирование скорректированного пикового торможения с единицами твердости Rho.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что упомянутые действия осуществляют для некоторого множества заданных точек рулона и по найденным величинам твердости в заданных точках определяют профиль твердости рулона.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что удар наносят испытуемым ручным молотком по нормали к поверхности рулона.

13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что для измерения импульса силы используют сигнал акселерометра.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что измерение импульса силы производят интегрированием сигнала акселерометра.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что для измерения пикового торможения используют сигнал акселерометра.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что при измерении импульса силы устанавливают порог срабатывания средства измерения таким, чтобы он был заведомо выше сигналов акселерометра, возникающих при размахивании молотком, но ниже сигнала акселерометра, возникающего при ударе.

17. Способ определения профиля твердости бумажного рулона, по которому наносят удары по рулону в некотором множестве заданных точек, расположенных по его длине, ударником, оснащенным акселерометром, измеряют при каждом ударе пиковое торможение ударника и определяют по нему твердость в выбранных единицах, отличающийся тем, что удары наносят ручным молотком, при каждом ударе измеряют энергию удара и корректируют пиковое торможение в зависимости от энергии удара, подают сигнал оператору, являются ли измеренные параметры удара приемлемыми или неприемлемыми для вычисления твердости в единицах Rho, повторяют упомянутые измерения для точки, в которой измеренные параметры оказались неприемлемыми, запоминают значение твердости в этой точке и после этого производят измерения для остальных заданных точек.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6