Автоматическое устройство для регистрации температурных зависимостей модуля упругости и внутреннего трения образца исследуемого материала Советский патент 1983 года по МПК G01N29/00 

Изобретение .относится к технике измерения физических характеристик материалов и может быть использо- вано для измерений температурных зависимостей модуля упругосзи,внутреннего трения и амплитудных зависимостей внутреннего трения материалов. Известно устройство для измерения собственной частоты и декремента затухания материалов, содержащее генератор возбуждения, усилитель, предназначенный для получения необходимой амплитуды возбуждающего напряжения, емкостной датчик и предусилитель, напряжение на выходе которогр пропорционально мгновенному значению деформации образца, каскады формирования импульсов, задающие измерительный интервал времени, логарифмический преобраз.ователь экспоненциапьного закона убывания амплитуды импульсов в линейный Til. Недостатками известного устройств являются низкая точность, мала;я скорость проведения испытаний, обусловленные ручной настройкой образца в резонанс, что в режиме непрерывного нагреване позволяет обеспечить достаточную точность определения тем пературой, а1Лплитудной зависимостей внутреннего трения, а также резонанс ной частоты. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результатуявляется автоматичес кое устройство для регистрации температурных зависимостей модуля упругости и внутреннего трения образца исследуемого материала, содержащее блок для нагрева образца, термопару возбудитель колебаний образца, после довательно соединенные измерительный преобразователь, усилитель, детектор блок сравнения, интегратор и регулируемый усилитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя, последовательно соединенные преобразователь частота-напряжение, подключенный к выходу, усилителя, квадратор и первый двухкоордннатный само писец, второй вход которого соединен с термопарой, и второй двухкоординат ный самописец С 2. Недостатком известного устройства является низкая точность определения внутреннего трения материалов с высо кой колебательной добротностью из-за низкой чувствительности. Кроме того., данное устройство не позволяет при проведении автоматичес ких измерений температурных зависимостей одновременно проводить изме рение амплитудной зависимости внутреннего трения. Цель изобретения - повышение точности, быстро действия и расширение фун циональмых возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем, что автоматическое устройство для регистрации температурных зависимостей модуля упругости и внутреннего трения образца исследуемого материала, содержащее блок нагрева образца, термопару, возбудитель колебаний образца, последовательно соединенные измерительный преобразователь, урилитель, детектор, блок сравнения, интегратор и регулируемый усилитель, рой -вход которого соединён с выходом усилителя, последовательно соединенные преобразователь частота-напряжение, подключенный к выходу усилителя, квадратор и первый двухкоординатный самописец, второй вход которого соединен с термопарой, и второй двухкоординатный самописец, снабжено многоканальным анализатором, каждый канал которого выполнен из последовательно соединенных компаратора, преобразователя длительность-напряжение и блока умножения, подключенным к выходам анализатора многоканальным самописцем, последовательно соединенными пиковым детектором и формирователем пороговых уровней, последовательно соединенными одновиб{ ато- ром,подключенным к выходу компарато ра последнего канала,схемой 2 ИЛИ-НЕ и ключом, второй вход которого соединен с выходом регулируемого усилителя, а выход - с возбудителем колебаний образца, схемой запуска, подключенной к второму входу схемы 2 ИЛИ-НЕ, последовательно соединенными генератором линейно изменяющегося напряжения и коммутатором, второй вход которого под ключ ен к источнику опорного напряжения, а выход .соединен с вторым входом блока сравнения, переключателем, первый вход которого соединен с выходом детектора, второй вход - с термопарой, а выход - с первым входом второго двухкоординатного Сс1мописца, второй вход которого соединен с выходом блока умножения первого канала, выход детектора соединен с первыми входами компараторов каждого канала и пикового детектора, каждый выход формирователя пороговых уровней подключен к вторым и третьим входам компараторов каждой пары каналов, выход пикового детектора соединен с третьим входом компаратора первого канал-, вторые входы блоков умножения соединены с выходом преобразователя частота-напряжение. На чертеже представлена функциональная схема автоматического устройства для регистрации температурных зависимостей модуля упругости, и внутреннего трения образца иссле дуемого материала. Автоматическое устройство для регистрации температурных зависимостей модуля упругости и внутреннего трения образца исследуемого материала содержит блок 1 для нагрева Образца 2, термопару 3, возбудитель 4 колебаний образца, последовательно соединенные измерительный преобразо ватель 5, усилитель 6, детектор 7, ,блок 8 сравнения, интегратор 9 и регулируемый усилитель 10, второй вход которого соединен с выходом усилителя б, последовательно соединенные преобразователь 11 частотанапряжение, подключвннйй к выходу усилителя 6, квадратор 12 и первый двухкоординатнйй самописец 13, второй вход которого соединен с термо-г парой 3, и второй двухкоординйтный самописец 14, многоканальный анализ тор, каждЕлй канал которого выполнен из последовательно соединенных компаратора 15 - 19 преобразователя 20 - 24 длительность-напряжение и блока 25 - 29 умножения, подключенный к выходам анализатора многоканальный самописец. 30, последователь но соединенные пиковый детектор 31 и формирователь 32 пороговых уровней последовательно соединенные одновиб ратор 33, подключенный к выходу ком паратора 19 последнего канала, схем 34 2 ИЛИ-НЕ и ключ 35, второй вход которого соединен с выходом регулиру емого усилителя 10, а выход - с воз дителем 4 колебаний образца, схему 36 запуска, подключенную к второму входу схемы 34 2 ИЛИ-НЕ, последоват но соединенные генератор 37 линейно изменяющегося напряжения и коммутатор 38, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения (на .чертеже не показан),а выход соединен с вторым входом блока 8 сравнения, переключатель 39, первый вход которого соединен с выходом детект тора 7, второй вход с термопарой 3, а выход - с первым входом второго двухкрординатнрго самописца 14, второй вход которого соединен с выходом блока 25 умножения первого канала, выход детектора 7 соедин1ен с первыми входами компараторов 15 19 каждого канала и пикового детектора 31, каждый выход формирователя 32 пороговых уровней подключен к . третьим входам компараторов 15 - 19 каждой пары каналов, выход пикового детектора 31 соединен с третьим входом компаратора 15 первого канала, вторые входы блоков 25 - 29 умножения соединены с выходом преобразователя 11 частота-напряжение. Устройство работает следующим образом. Образец 2 исследуемого материала помещают в блок 1 для нагрева образца. При включении питания схема 36 запуска вырабатывает импулва Напряжения длительностью 10 мс, необходимый для возникновения устойчивых резонансных колебаний в образце 2, который через схему 34 2И51И-НБ поступает на управляющий вход ключа 35, включающего цепь положительной обратной связи, содержащий усилитель 6, детектор 7, блок 8 сравнения, интегратор 9 и регулируемый усилитель 10. В образцу 2 возбужда-ются резонансные колебаний с помощью электростатического возбудителя 4. . Скгнал с. измерительного преобразователя 5 усиливается усилителем 6 .и через детектор 7 поступает на входы многоканального анализато ра и пикового детектора 31. запоминающего максимальное значение амплитуды резонансных колебаний образца 2. Нагрузкой пикового детектора 31 является формирователь 32 пороговых уровней, выполненный на резисторах 40 - 45, определяющих пороги срабатывания компараторов 15 - 19мно|гоканального анализатора. По окончании первоначального запускающего импульса ключ 35 размыкает положительную обратную связь и резонансные колебания образца 2 начинают затухать по экспоненциальному закону, что приведет к поочередному срабатыванию двухуровневых компара:торов 15 - 19 и на их выходах поя-вятся - импульсы длительностью, равной времени уменьшения амплитуды свобедно затухающих колебаний образца 2 от величины, определяемой верхним порогом срабатывания до величины, определяемой нижним порогом, срабатывания двухуровневого компаратора. Причем нижний порог срабатывания предыдущего компаратора является одновременно верхним порогом срабатывания следующего.компаратора и т.д. При . реализации устройства.использовались сдвоенные двухуровневые компараторы типа К510СА1. По окончании выходного импульса последнего компаратора 19 срабатывает одновибратор 33, вырабатывающий импульс длительностью 10 мс. Этим импульсом через схему 34 2ИЛИ-НЕ управляется ключ 35, закорачивающий цепь положительной обратной связи на . время действия импульса одновибратора 33. За это время амплитуда собственных резонансных колебаний вновь достигает максимальной величины и процесс повторяется. Так как верхний порог срабатывания первого компаратора 15 равен потенциалу на выходе запоминающего пикового детектора 31, но из импульса на его выходе необходимо вычесть время неэатухаюсцнх колебаний образца 2, что происходит при подключении выхода одновибратора 33 к стообируюему входу компаратора 15, При этом компаратор 15 отключается на время ействия- импульса ждущего одновибраТора 33. Длительность импульсов на выходах компараторов 15 - 19, равная времени затухания колебаний образца 2 от амплитуды, равной значению верХ него уровня порога до гилплитуды,равной значению нижнего уровня порога, преобразуется в напряжение преобразователями 20 - 24 дпительность-напря жение, которое подается на соответствующие входы блоков 25-29 умноже ния, на вторые входы которых подается напряжение с выхода преобразователя 11 частота-напряжение, пропорциональное частоте резонансных колебаний образца 2. Сигнала с выходов . блоков 25 -.29 умножения подаются на входы многоканального самописца 30, вычерчивающего графики временной зависимости внутреннего трения (декремента затухания)при различных амплитудах колебания образца 2. При подаче на вход блока 8 сравнения сигнала от генератора 37 линейно изменяющегося напряжения через контакты коммутатора 38 и подключении входов втЗ рого двухкоординатного самописца 14 через переключатель 39 к выходу детектора 7 и выходу блока 25 умножения первого канала многоканального анализатора соответственно, вторым двухкоординатным самописцем il4 дет регистрироваться зависимость внут реннего трения от амплитуды колебания образца 2, а в случае подключения через коммутатор 38 опорного напряжения к блоку 8 сравнения и подключении через переключатель 39 термопары 3 к входу второго двухкоординатного самописца 14 будет регистрироваться температурная зависимость внутреннего трения образца 2.

Сигнал преобразователя 11 частота-напряжение поступает на вход квадратора 12, вырабатывающего под его действием напряжение, пропорциональное МОДУЛЮ упругости образ|Ца 2. Это напряжение поступает на вход двухкоо1 динатного самописца 13, вычерчивающего зависимость модуля упругости от температуры, причем второй вход самописца.13 подключен к термопаре 3.. Таким образом, процесс измерения внутреннего трения происходит периодически с частотой повторения F l/St + 10 мс, где Т - время затухания колебаний образца, что является максимально достижимой скоростью измерения и как следствие этого возможно достижение значительной скорости Нагрева образца, что резко уменьшает время исследования материала ДО минимально возможного.

Применение генератора 37 линейно изменяющегося напряжения позволяет производить измерение амплитудной зависимости внутреннего трения образца автоматически, что также существенно повышает скорость измерения.

I :

Таким образом, скорость проведени испытаний на данном устройстве может быть повышена в несколько раз (2-10) в зависимости от условий испытания.

7 Изменение декремента затухания с помощью данного устройства вместо измерения амплитуды возбуждающей сил существенно повышает чувствительность измерения внутреннего трения Высокодобротных образцов материалов.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ И ВНУТРЕН-1 НЕГО ТРЕНИЯ ОБРАЗЦА ИССЛЕДУЕМОГО МАТЕРИАЛА, содержащее блок для нагрева образца, термопару, возбудитель ксзлебаний образца, последовательно соединенные измерительный преобразователь, усилитель, детектор, блок, сравнения, интегратор и регулируеьв й усилитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя, последовательно соединенные преобразователь частота-напряжение, подключенный к выходу усилителя, квадратор и первый двухкоординатный самописец, второй вход которого соединен с термопарой, и второй двухкоординатный самописец,, о тл и ч ающе е ся тем, что, с целью повышения точности, Сыстро действия и расширения функциональных возможностей, оно снабжено многока нальным ангшизатором, каждый канал которого выполнен из последователь- . но соединенных компаратора, преобразователя длительность-напряжение и блока умножения, подключеннш4 к выг ходам анализатора многоканальньм самописцем, последовательно соединенными пиковым детектором и формирователем пороговых уровней, последовательно соединенными одновибратором, подключенным к выходу компаратора последнего канала, схемой 2ИЛИ-НЕ и ключом, второй вход которогс соединен 3 выходом регулируемого усилителя, а выход - с возбудителем колебаний образца, схемой запуска, . подключенной к второму входу схемы 2ИЛИ-НЕ, последовательно соединенными генератором линейно изменяющегося напряжения и коммутатором, второй вход которого подключен k источнику опорного напряжения, а выход соединение вторым входом блока сравнений, переключателем, первый вход которЪго соединен с выходом детектора/ втсчюй вход - с .термопарой, а вы-io ход - с первьв входом второго двух координатного самописца, второй вход которого соединен с выходом блока умножения Первого канала,выход детектора соединен с первыми входгми комDO параторов . каждого канала и пикового детектора, каждый выход фсчрмировате ля пороговых уровней подключен квто Р1Ш и третьим входам компараторов каждой парц каналов, выход пикового :о детектора соединен с третьим входом ,компаратора первого канала, а втоIKie входа блоков умножения соединены с выводом преобразователя частота напряжение. - .