ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК G01N3/22 G01N3/26 

Изобретение относится к устройствам для исследования свойств материалов путем приложения к ним механических усилий при корреляции параметров затухающего колебательного процесса, возбуждаемого в исследуемом материале с подвижностью определяемых структурно-кинетических элементов, приводящих к локальным изменениям упругих характеристик и, в целом, к изменению прочностных свойств в широком температурно-частотном интервале.

Из уровня техники известны различные устройства, позволяющие исследовать свойства твердых материалов, в том числе путем приложения скручивающих моментов.

Например, известна колебательная система крутильного маятника для определения вязкоупругих свойств материалов (авторское свидетельство СССР SU 1045070 А, 1982 г.), содержащая станину, верхний зажим образца исследуемого материала, связанный с ним противовес, нижний зажим образца, инерционную деталь, рамку, соединенную с инерционной деталью, торсион, соединенный с инерционной деталью и рамкой, и средства натяжения торсиона, при этом система снабжена расположенными на верхней части станины направляющими качения с выборкой зазора, в которых установлен верхний зажим, выполненный с плоскими поверхностями контакта с направляющими, рамка соединена с нижним зажимом, конец торсиона - с нижней частью станины, а верхний со средней частью станины, выполненной в виде консоли, входящей в рамку, а соединение рамки с инерционной деталью осуществлено с помощью переходного зажима. Направляющие качения выполнены в виде трех роликов, два из которых контактируют с одной гранью верхнего зажима, а ось третьего ролика, контактирующего с противоположной гранью верхнего зажима, установлена на пружине, служащей для выборки зазоров в направляющих.

Известен крутильный маятник для определения механических свойств материалов (авторское свидетельство СССР SU 1067406 А1, 1984 г.), содержащий подвижный и неподвижный захваты для крепления образца испытуемого материала, соединенную с подвижным захватом инерционную деталь, подвешенную на нити, электродинамическую систему для скручивания образца, включающую магнитопровод, расположенную между его полюсами подвижную катушку в виде рамки, жестко связанной с инерционной деталью, и источник питания подвижной катушки, устройство для уравновешивания подвижной системы маятника и систему регистрации, отличающийся тем, что он снабжен сосудом из диэлектрического материала с электропроводящей жидкостью, неподвижно установленным внутри рамки по оси ее поворота, прикрепленным к рамке электропроводящим стержнем, который установлен по оси поворота рамки, электрически соединен с одним концом обмотки рамки и погружен в электропроводящую жидкость, и погруженным в эту жидкость электродом, соединенным с источником питания подвижной катушки, а нить подвеса выполнена электропроводящей и электрически соединяет другой конец обмотки рамки с источником питания.

Известно устройство для определения вязкоупругих свойств материалов при кручении (авторское свидетельство СССР SU 1820286 А1, 1993 г.), которое снабжено составным ленточным торсионом, состоящим из двух взаимно перпендикулярных плоских пластин, жестко соединенных между собой посредством инерционной детали. Верхняя часть верхнего торсиона жестко прикреплена к нижней части линейного узла перемещения по вертикали, состоящего из двух частей, центральная ось которых совпадает с вертикальной осью колебательной системы устройства. При этом верхняя часть узла жестко соединена с исследуемым образцом и системой термического расширения, а нижняя - с верхним торсионом.

Ближайшим аналогом изобретения является устройство для определения вязкоупругих характеристик материалов (авторское свидетельство СССР SU 1778627 А1, 1992 г.), состоящее из колебательной системы, в которую входит центрирующий узел с центрирующими игольчатыми опорами, расположенными на кронштейне, жестко закрепленном на двухкоординатном X-Y-позиционере. Регистрация информации осуществляется при помощи двухкоординатного графопостроителя. Возбуждение крутильных колебаний с помощью генератора осуществляется в частотном диапазоне 1-10 Гц.

К недостаткам аналогов, в том числе и ближайшего аналога, относится низкая чувствительность определения локальных диссипативных явлений в исследуемых материалах при температурах ниже температуры стеклования (аморфные системы) или температуры кристаллизации (кристаллические системы) и при напряжениях, возникающих в исследуемых материалах, ниже, предел упругости. Кроме того, использование одной частоты колебательного процесса не позволяет произвести точные расчеты локальных физико-химических характеристик, например таких, как энергия активации и предэкспоненциальный коэффициент в температурной зависимости времени релаксации.

Задачей, решаемой изобретением, является получение возможности экспериментального анализа процессов реакции отдельных структурно-кинетических элементов, образующих исследуемый материал как систему, на внешнее деформирующее воздействие при различных частотах затухающего колебательного процесса, расчет физико-механических характеристик для различных локальных диссипативных процессов, проявляющихся при различных температурах, и возможность регулировки чувствительности измерительного преобразователя за счет изменения моментов инерции колебательной системы без изменения массы этой колебательной системы, а также отсутствие механического повреждения кварцевой опорной пластины и, соответственно, искажения результатов, что повышает надежность работы измерительного преобразователя.

Поставленная задача решается за счет того, что в измерительном преобразователе, содержащем колебательную систему с крутильным маятником, установленным на игольчатой опоре, также содержащем устройство для возбуждения крутильных колебаний маятника, печь нагрева испытуемого образца, подвижную и неподвижную платформы со средствами закрепления испытуемого образца и систему съема и обработки информации, колебательная система выполнена опирающейся в центре масс посредством игольной опоры на пластину, жестко закрепленную на подвижной платформе, установленной на опорах качения на неподвижной платформе, при этом маятник выполнен в виде крепежного кольца с коромыслом, плечи которого прикреплены к крепежному кольцу с двух диаметрально противоположных сторон и ориентированы перпендикулярно продольной оси испытуемого образца, а также груза, прикрепленного к плечам коромысла, позволяющего изменять период колебательного процесса.

Кроме того, к крепежному кольцу маятника перпендикулярно коромыслу и соосно образцу прикреплена рейка с балансиром равновесия, установленным с возможностью перемещения в продольном направлении для обеспечения регулировки положения центра тяжести маятника.

Для исключения люфта в колебательной системе к рейке с балансиром равновесия присоединена нить с грузом на конце, перекинутая через блок, закрепленный на неподвижной платформе.

В измерительном преобразователе имеется шторка-прерыватель оптического потока, размещенная между источником света и фотопреобразователем, обеспечивающая при наличии крутильных колебаний маятника прерывание светового потока, испускаемого источником света, при этом шторка-прерыватель светового потока жестко связана с крепежным кольцом маятника.

Измерительный преобразователь снабжен печью, с помощью которой обеспечивают требуемую температуру испытуемого образца.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении точности измерений за счет исключения механического повреждения (царапания) опорной пластины, взаимодействующей с иглой баланса центра тяжести маятника, что исключает искажение результатов и повышает надежность работы измерительного преобразователя, кроме того, увеличивает срок службы преобразователя. Кроме того, техническим результатом является расширение эксплуатационных свойств преобразователя вследствие возможности регулировки чувствительности измерительного преобразователя за счет изменения моментов инерции колебательной системы без изменения массы этой колебательной системы и регулировки периода колебательного процесса.

Достижение указанного выше технического результата обусловлено выполнением маятника в виде коромысла, установленного на крепежном кольце, опирающемся на опорную пластину, жестко связанную с подвижной платформой, установленной на опорах качения на неподвижной платформе. Выполнение маятника с коромыслом позволяет также создавать колебательный процесс, имеющий разные периоды колебаний вследствие наличия груза, подвешенного к плечам коромысла и имеющего возможность изменять свое положение (расстояние) относительно точки опоры иглы на опорную пластину.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - измерительный преобразователь, вид с торца;

на фиг. 2 - измерительный преобразователь, вид сбоку;

на фиг. 3 - измерительный преобразователь, вид сверху.

На чертежах позициями обозначено: 1 - неподвижная платформа; 2 - подвижная платформа; 3 - игла баланса центра тяжести маятника; 4 - крепежное кольцо маятника; 5 - коромысло; 6 - нижняя часть маятника с грузом; 7 - груз; 8 - плоскопараллельный подшипник; 9 - кварцевая опорная пластина; 10 - подвижная штанга маятника крепления образца; 11 - неподвижная штанга крепления образца; 12 - образец; 13 - монтажная изолирующая пластина корпуса; 14 - печь; 15 - флажок-прерыватель светового потока; 16 - фотопреобразователь; 17 - лампа; 18 - балансир равновесия; 19 - нить; 20 - блок; 21 - импульсный электромагнит.

Измерительный преобразователь содержит неподвижную платформу 1, с которой жестко связана неподвижная штанга 11 для крепления образца 12, а также колебательную систему с крутильным маятником, установленную на подвижной платформе 2.

Испытуемый образец 12 закрепляется в измерительном преобразователе следующим образом. Один конец образца 12 крепится в зажиме на неподвижной штанге 11, установленной на неподвижной платформе 1, а другой - в подвижной штанге 10, расположенной на подвижной платформе 2, при этом подвижная штанга 10 крепления образца связана с колебательной системой, в состав которой входит маятник.

Колебательная система измерительного преобразователя установлена на подвижной платформе 2, имеющей возможность перемещения относительно неподвижной платформы 1 на опорах качения. Использование подвижной платформы 2 с опорами качения позволяет испытывать образцы любой длины в любом заданном интервале температур с высокой точностью, так как исключено влияние изменения длины рабочей части образца вследствие температурного расширения на точность измерений и исключены поперечные колебания образца, а также нарушение соосности.

На подвижной платформе 2 установлена кварцевая опорная пластина 9, являющаяся опорой для маятника колебательной системы. Крутильное движение маятника возбуждается импульсным электромагнитом 21.

В состав маятника входит крепежное кольцо 4 маятника с коромыслом 5, плечи которого прикреплены к крепежному кольцу 4 маятника с двух диаметрально противоположных сторон и ориентированы перпендикулярно продольной оси образца 12. К плечам коромысла 5 маятника прикреплен груз 7, изменение массы которого и геометрических размеров плеч коромысла позволяет регулировать инерционные характеристики колебательной системы преобразователя без уменьшения чувствительности и изменять частоту колебательного процесса, что необходимо при испытаниях образцов с разными свойствами.

В центре тяжести маятника на его крепежном кольце 4 жестко закреплена игольчатая опора - игла 3 баланса центра тяжести маятника, опирающаяся на кварцевую опорную пластину 9, жестко связанную с подвижной платформой 2.

К крепежному кольцу 4 маятника перпендикулярно коромыслу 5 и соосно образцу прикреплены подвижная штанга 10 крепления образца и расположенная соосно штанге 10 рейка с балансиром равновесия 18, установленным с возможностью перемещения в продольном направлении для обеспечения регулировки положения центра тяжести маятника.

Чтобы исключить люфт, к рейке с балансиром равновесия присоединена нить 19 с грузом 7 на конце, перекинутая через блок 20, закрепленный на неподвижной платформе 1.

С крепежным кольцом 4 маятника жестко связана оптическая шторка - флажок-прерыватель светового потока, испускаемого лампой 17. Частота прерывания светового потока регистрируется посредством фотопреобразователя 16 и передается на двухкоординатный графопостроитель.

Измерительный преобразователь снабжен печью 14, с помощью которого обеспечивают требуемую температуру испытуемого образца 12.

Измерительный преобразователь работает следующим образом.

Закрепляют образец 12 в зажимах неподвижной штанги 11 и подвижной штанги 10.

При необходимости регулируют положение центра тяжести маятника за счет перемещения балансира равновесия 18 вдоль продольной оси измерительного преобразователя.

Далее включают импульсный электромагнит 21, который возбуждает крутильные колебания маятника. Вращающий момент, действующий на коромысло 5 маятника, передается на образец, связанный с крепежным кольцом 4 маятника.

После закручивания коромысла 5 на некоторый угол вокруг своей оси образец 12 вместе с крепежным кольцом 5 маятника начинает совершать свободнозатухаюшие крутильные колебания относительно точки опоры иглы 3 баланса центра тяжести на кварцевую опорную пластину. При этом груз 7, подвешенный на нити 19, перекинутой через блок 20, за счет создаваемого им осевого усилия, действующего на образец 12, позволяет устранить поворот образца вокруг своей оси и поперечные колебания, влияющие на точность измерения.

Включают печь и нагревают образец 12 до заданной температуры. Изменение температуры в печи 14 приводит к изменению времени релаксации, а следовательно, и всех вязко-упругих релаксационных характеристик, а также угла механических потерь, который характеризует сдвиг фаз между напряжением, прикладываемым к исследуемому образцу, и соответствующей деформацией этого образца.

Кроме того, нагрев образца 12 ведет к его температурному расширению, в том числе в осевом направлении. За счет предложенной конструкции подвижная платформа 2 свободно перемещается в горизонтальной плоскости по неподвижной платформе 1, при этом изменение длины рабочей части образца вследствие температурных воздействий или при испытаниях образцов различной длины не вызывает необратимого повреждения опорной пластины 9 иглой 3 и при этом не нарушает соосности образца и маятника. Усилие, действующее на иглу 3, передается за счет силы трения, возникающей между иглой 3 и кварцевой опорной пластиной 9, на подвижную платформу 2, которая под действием этого усилия перемещается вдоль неподвижной платформы 1. Вследствие меньшего усилия, возникающего при качении подвижной платформы по неподвижной платформе 1, по сравнению с трением скольжения иглы 3 по кварцевой опорной пластине 9, исключается механическое повреждение кварцевой опорной пластины 9 и искажение результатов испытаний. Особенно это важно при длительном и многократном использовании измерительного преобразователя, когда повреждение опорной пластины может искажать результаты испытаний. Срок службы измерительного преобразователя, в течение которого точность измерений не снижается, существенно возрастает.

Изобретение относится к устройствам для исследования свойств материалов путем приложения к ним механических усилий при корреляции параметров затухающего колебательного процесса, возбуждаемого в исследуемом материале с подвижностью определяемых структурно-кинетических элементов, приводящих к локальным изменениям упругих характеристик и, в целом, к изменению прочностных свойств в широком температурно-частотном интервале. Измерительный преобразователь содержит колебательную систему с крутильным маятником, установленным на игольчатой опоре, устройство для возбуждения крутильных колебаний маятника, печь нагрева испытуемого образца, подвижную и неподвижную платформы со средствами закрепления испытуемого образца и систему съема и обработки информации. При этом колебательная система выполнена опирающейся в центре масс игольной опорой на опорную пластину, жестко закрепленную на подвижной платформе, установленной посредством опор качения на неподвижной платформе. Крутильный маятник выполнен в виде крепежного кольца с коромыслом, плечи которого прикреплены к крепежному кольцу с двух диаметрально противоположных сторон и ориентированы перпендикулярно продольной оси испытуемого образца, а также груза, прикрепленного к плечам коромысла, позволяющего изменять период колебаний колебательного процесса. Технический результат заключается в повышении точности измерений, а также в увеличении срока службы преобразователя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Измерительный преобразователь для исследования упругих характеристик материалов, содержащий колебательную систему с крутильным маятником, установленным на игольчатой опоре, устройство для возбуждения крутильных колебаний маятника, печь нагрева испытуемого образца, подвижную и неподвижную платформы со средствами закрепления испытуемого образца и систему съема и обработки информации, отличающийся тем, что колебательная система выполнена опирающейся в центре масс игольной опорой на опорную пластину, жестко закрепленную на подвижной платформе, установленной посредством опор качения на неподвижной платформе, при этом крутильный маятник выполнен в виде крепежного кольца с коромыслом, плечи которого прикреплены к крепежному кольцу с двух диаметрально противоположных сторон и ориентированы перпендикулярно продольной оси испытуемого образца, а также груза, прикрепленного к плечам коромысла, позволяющего изменять период колебаний колебательного процесса.

2. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что к крепежному кольцу маятника перпендикулярно коромыслу и соосно образцу прикреплена рейка с балансиром равновесия, установленным с возможностью перемещения в продольном направлении.

3. Измерительный преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что к рейке с балансиром равновесия присоединена нить с грузом на конце, перекинутая через блок, закрепленный на неподвижной платформе.

4. Измерительный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в измерительном преобразователе имеется шторка-прерыватель оптического потока, размещенная между источником света и фотопреобразователем, обеспечивающая при наличии крутильных колебаний маятника прерывание светового потока, испускаемого источником света, при этом шторка-прерыватель светового потока жестко связана с крепежным кольцом маятника.