Устройство для исследования релаксации напряжения легкодеформируемых материалов при фиксированной деформации
Владельцы патента RU 2384843:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владивостокский государственный институт экономики и сервиса (ВГУЭС) Федерального агентства по образованию (RU)
Предлагаемое изобретение относится к устройствам для исследования кинетики деформационно-релаксационных процессов в легкодеформируемых, например текстильных, материалах. Устройство содержит тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды и автоматического контроля тепловых параметров исследуемого объекта, механизм нагружения образца исследуемого материала и систему измерения релаксации усилия (напряжения) материалов при фиксированной деформации с сенсорным датчиком начала движения пассивного зажима. Система измерения включает соленоид с блоком управления, выполненным в виде полевого транзистора, при этом его сердечник конструктивно и информационно связан с пассивным зажимом исследуемого образца материала. Катушка соленоида скомутирована с его блоком управления. Система протокольного контроля электрического напряжения, подаваемого на катушку соленоида по схеме широтно-импульсной модуляции, и сенсорный датчик начала движения пассивного зажима скомутированы посредством микроконтроллера с микропроцессором и блоком управления соленоидом. Технический результат - конструктивное упрощение устройства и уменьшение погрешности измерения. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к устройствам для исследования кинетики деформационно-релаксационных процессов легкодеформируемых материалов.
Известно устройство (а.с. СССР №1366945, опубл. 1988.01.15) для испытания швейных материалов при влажно-тепловой обработке, содержащее тепловую камеру, средство деформации материала растяжением и систему регистрации релаксации усилия, выполненную в виде тензометрической системы. Недостатками известного устройства являются сложность его конструктивного исполнения с присущими этой системе значительными погрешностями измерения параметров напряженно-деформированного состояния мягких волокнисто-содержащих материалов вследствие их взаимодействия с упругой тензометрической балкой, оказывающей измерительное воздействие на результаты измерения.
Известно устройство (пат. РФ, №2306561, опубл. 2007.09.20 - прототип) для исследования релаксации напряжения текстильных материалов при фиксированной деформации, содержащее тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды, пассивный и активный зажимы исследуемого образца материала, механизм нагружения исследуемого образца, измерительную систему с датчиком начала смещения пассивного зажима, микропроцессор и микроконтроллер, при этом измерительная система устройства содержит пневмоцилиндр специальной конструкции, шток которого связан с одним из зажимов исследуемого объекта, причем оба зажима выполнены с возможностью фиксации с помощью винтового механизма, и снабжена средствами преобразования пневматического сигнала в электрический.
Недостатками данного устройства являются его конструктивная сложность, связанная с наличием в устройстве пневмопривода и средств преобразования пневматического сигнала в электрический, а также трудно прогнозируемая погрешность измерения, обусловленная недостаточной механической жесткостью пневмопривода вследствие сжимаемости рабочего тела (воздуха) в пневмоцилиндре и конструктивной сложностью устройства.
Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение точности измерения параметров релаксации напряжения легкодеформируемых материалов при их фиксированной деформации.
Поставленная задача решается устройством, содержащим тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды, пассивный и активный зажимы образца исследуемого материала, механизм нагружения образца исследуемого материала, измерительную систему с сенсорным датчиком начала движения пассивного зажима, микропроцессор и микроконтроллер, в котором, в отличие от известного, измерительная система включает соленоид с блоком управления, выполненным в виде полевого транзистора, и системой протокольного контроля электрического напряжения, подаваемого на катушку соленоида, причем сердечник соленоида конструктивно и информационно связан с пассивным зажимом исследуемого образца материала, катушка соленоида скомутирована с его блоком управления, при этом система протокольного контроля электрического напряжения, подаваемого на катушку соленоида, и сенсорный датчик начала движения пассивного зажима скомутированы посредством микроконтроллера с микропроцессором и блоком управления соленоидом.
Предлагаемое устройство наглядно показано на чертежах, где на фиг.1 представлена его структурно-кинематическая схема, а на фиг.2 - схема управления соленоидом.
Устройство содержит соленоид 1, микроконтроллер 2, полевой транзистор 3, микропроцессор 4, сенсорный датчик 5 начала движения пассивного зажима образца материала.
В состав устройства входят также два зажима 6 и 7, один из которых 7 (активный) связан с системой нагружения, включающей винтовую передачу 8 и тарированный упругий элемент 9. Для контроля задаваемой деформации образца исследуемого материала и величины его нагружения установлены системы считывания усилия 10 и деформации 11, прикрепленные к концам тарированного упругого элемента 9 и связанные через блок сопряжения 12 с микропроцессором 4.
Для варьирования параметрами паровоздушной среды устройство снабжено термокамерой 13 со смонтированным на общей станине 14 набором контрольных и вспомогательных элементов, предназначенных для обеспечения надежной и корректной работы устройства.
Правый, условно неподвижный, зажим 6 связан с измерительным блоком системы измерения, включающим сердечник 15 соленоида 1 и сенсорный датчик 5 в виде компьютерной мыши - ключа начала движения условно неподвижного (пассивного) зажима 6.
Схема управления соленоидом представлена на фиг.2 и включает в себя микроконтроллер 2, который запрограммирован заданным образом для обеспечения выполнения поставленных задач, блок управления, выполненный в виде полевого транзистора 3, сенсорный датчик начала движения 5, микропроцессор 4. Полевой транзистор 3 скомутирован затвором G с микроконтроллером 2, стоком S к плюсу источника питания и стоком D к земле и катушке соленоида 1. Обмен данными между микроконтроллером и процессором осуществляется по протоколу USART (Universal Synchronous and Asynchronous Receiver and Transmitter) через интерфейс RS-232.
Устройство работает следующим образом.
Перед исследованием образец 16 испытуемого текстильного (легкодеформируемого) материала устанавливают в зажимах 6 и 7 и фиксируют в пространстве термокамеры 13. Нагружение образца материала, варьируемое в зависимости от требуемой деформации, осуществляется посредством подвижного зажима 7 и винтовой передачи 8, связанной с тарированным упругим элементом 9. При этом измерение и регистрация величины перемещения среза образца испытуемого материала и величины нагружения осуществляются датчиками нагружения 10 и перемещения 11, а полученная информация через блок сопряжения 12 (см. фиг.1) передается в процессор 4, где обрабатывается по заданной программе.
Исследование релаксации усилия (напряжения) может осуществляться как в номинальном температурном режиме и номинальной влажности, так и при воздействии теплоносителя в виде паровоздушной среды, при варьируемой влажности и варьируемом температурном уровне.
После деформации образца на заданную величину на катушку соленоида плавно подают нарастающее электрическое напряжение по протоколу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) путем изменения среднего времени подачи питания.
Напряжение, подаваемое на катушку соленоида, пропорционально программно изменяемому коэффициенту заполнения ШИМ, которому соответствует конкретное числовое значение в регистре микроконтроллера 2.
По мере увеличения содержимого этого регистра производится проверка условия неподвижности пассивного зажима 6. В момент, когда сенсорный датчик 5 фиксирует начало движения зажима 6 (развиваемое на сердечнике соленоида усилие становится достаточным, чтобы сдвинуть с места пассивный зажим), текущее значение напряжения передается в процессор, после чего по программе микроконтроллера напряжение питания катушки соленоида автоматически сбрасывается до минимума.
Если усилие, развиваемое сердечником соленоида, является недостаточным для превышения суммы действующих в образце внутренних сил (напряжений) и условие неподвижности пассивного зажима 6 сохраняется, то напряжение, подаваемое на катушку соленоида, продолжают увеличивать.
После передачи в процессор величины электрического напряжения на катушке соленоида, соответствующей началу движения пассивного зажима 6, при непрерывной работе системы управления магнитоэлектрическим приводом производится пересчет этой величины в усилие (F) (и соответствующее напряжение σ) по известным зависимостям.
F=kU2 и σ=f(F),
k - коэффициент, зависящий от параметров катушки соленоида.
Через определенное время, задаваемое посредством таймера (например, через 20 с) по ключу времени, вновь увеличивают электрическое напряжение на катушке соленоида до момента начала движения условно неподвижного пассивного зажима. Вследствие произошедшей за это время релаксации усилия (напряжения) в образце до некоторой, уже уменьшенной величины, по отношению к предшествующему значению, нарастание электрического напряжения на катушке соленоида будет также происходить до величины, меньшей по сравнению с предшествующим значением, до начала повторного цикла сдвига зажима 7.
Таким образом, по заданной настройке (например, через каждые 20 с) цикл измерения повторяют несколько раз до полной релаксации усилия (напряжения) в образце исследуемого материала при фиксированной деформации.
После завершения процесса в режиме реального времени автоматически строится график кинетики релаксации усилия Р=f(t) и/или напряжения σ=f(t).
Таким образом, техническим результатом изобретения является упрощение устройства и уменьшение погрешности измерения за счет использования в его измерительной системе программно-управляемого соленоида.
Устройство для исследования релаксации напряжения легкодеформируемых материалов при фиксированной деформации, содержащее тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды, пассивный и активный зажимы образца исследуемого материала, механизм нагружения образца исследуемого материала, измерительную систему с сенсорным датчиком начала движения пассивного зажима, микропроцессор и микроконтроллер, отличающееся тем, что измерительная система включает соленоид с блоком управления, выполненным в виде полевого транзистора, и системой протокольного контроля электрического напряжения, подаваемого на катушку соленоида, причем сердечник соленоида конструктивно и информационно связан с пассивным зажимом исследуемого образца материала, катушка соленоида скомутирована с его блоком управления, при этом система протокольного контроля электрического напряжения, подаваемого на катушку соленоида, и сенсорный датчик начала движения пассивного зажима скомутированы посредством микроконтроллера с микропроцессором и блоком управления соленоидом.
