Автоматическая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов Советский патент 1984 года по МПК G01N3/38 

HrtfepuHOHHoro тела, один из которых установлен в плоскости равновесия инерционного тела, а два другик расположены симметрично первому, причей первый индикатор соединен с входом инвертора, а другие индикаторы положения соединены с вторыми входами соответствующих блоков управления - . 2,Установка по п.,0 т л и ч а ющ а я с Яз тем, что индикаторы угло6837

вого положения инерционного тела выполнены в виде дифференциальных фотоэлементов , а на инерционном теле выполнены оптически связанные с индикаторами метки в виде дугообразных полос, расположенных на различном расстоянии от оси вращения инерционного тела, причем начала меток находятся на одной линии , лежащей в плоскости равновесия.

1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО .ТРЕНИЯ И .МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛОВ, содержащая -крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним из захватов исследуемого образца, датчгпс колебаний инерционного тела, два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к которой подключены электромагниты и датчики колебаний, и блок регистрации, отличающийся теь., что, с целью повьшения точности из.epeний за счет устранения влияния самопроизвольного закручивания образца, нагреве на результаты измерений и снижения трудоемкости измерений за счет исключения калибровки, она снабжена двумя подвижными в радиальном направлении опорами, на которых с возможностью взаимодействия с вторым захватом исследуемого образца размещены электромагниты, размещенным на одной из подвижных опор с возможностью взаимодействия с другой подвижной опорой датчиком перемещения, выход которого подключен к входу блока регистрации, и двумя серводвигателями, кинематически связанными с подвижными опорами, система управления колебаниями маятника содержит два блока управления, каждый из которых имеет два входа и два выхода, инвертор, выход которого подключен к первому входу второго блока управления, а вход - к первому входу первого блока управления, триггер, входы которого подключены к первым выходам блоков управ- ления, а выходы подключены к соответствующим электромагнитам, блок управления содержит включенное на (Л первом входе устройство для определения середины интервала времени, выход которого является первым выходом блока управления, два одновибратора, вход первого из которых подключей к входу устройства для определения середины интервала времени, а вход второго - к выводу этого устройства, два ключа, выходы которых, являющиеся вторым выходом блока управления, соединены с входом одного из серводвигателей, а управляющий вход одного из ключей является вто-. рым входом блока управления, элемент НЕ-И, инвертирующий вход которого подключен к второму входу блока управления, а неинвертирующий - к выходу второго одновибратора, и триггер, один из входов которог-о подключен к выходу элемента НЕ-И, другой к выходу.первого одновибратора, а выход - к управляющему входу другого ключа, датчик колебаний включает три индикатора углового положения

Изобретение относгтся к исследованию вязкоупругих свойств материалов, а именно к- устройствам для определения внутреннего трения и модуля упругости материалов.

Известна установка для измерения внутреннего трения и модуля упругоети материалов, содержащая крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним из захватов исследуемого образца, датчик колебаний инерционного тела, электромагнит для возбуждения крутильных колебаний маятника, установленный с возможностью взаимодействия с вторьм захватом исследуемого образца, И блок регистрации П ,

Известное устройство предназначено для измерения внутреннего трения при свободнозатухающих колебаниях образца, что требует длительного времени при исследованиях высокодобротных образцов материалов.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является автомат}гческая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов, содержащая крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним из захватов исследуемого образца, датчик колебаний инерционного тела, два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к которому подключены электромагниты и датчик колебаний, и блок регистрации 2 .

Данная установка характеризуется недостаточной точностью из-за влия-

ния самопроизвольного закручивания образца на результаты измерений в процессе температурных испытаний и высокой трудоемкостью испытаний изза необходимости калибровки установки на образце с известным внутренним трением.

S

Цель изобретения - повьшшние точности измерения за счет устранения влияния самопроизвольного закручивания образца при нагреве на результаты измерений и снижение трудоемкости измерений за счет исключения калибровки.

Поставленная цель достигается тем, что автоматическая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов, содержащая крутильньш маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним из захватов исследуемого образца, датчик колебаний инерционного тела, два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к которой подключены электромагниты и датчики колебаний, и блок регистрации, снабжена двумя подвижньй и в радиальном направлении опорами, на которых с возможное.-ью взалмодействия с вторым захватом исследуемого образца размещены электромагниты, размещенным на одной из подвижных опор с возможностью взаимодействия с другой подвижной опорой датчиком перемещения, выход которого подключен к входу блока регистрации, и двумя серводвигателями, кипематически связанными с подвижными опорами, система управления колебаниями маятника содержит два блока управ ления, каждый из которых имеет два входа и два вькода, инвертор, выход которого подключен к первому входу второго блока управления, а вход - к первому входу первого блока управления, . триггер, входы которого подключены к nepBi.M выходам блоков управления, а выходы подключены к соответствующим электромагнитам, блок управления содержит включенное на первом входе устройство для определения середины интервала времени, выход которого является первым выходом блока управления, два одновибратора, вход первого из которых подключен к входу устройства для опреде ления середины интервала времени, а вход второго - к выходу этого устройства, два ключа, выходы которых, являющиеся вторым выходом блока- управления соединены .с входом одного из серводвигателей, а управляющий вход одного из ключей является вторым входом блока управления, элемент НЕ-И, инвертирующий вход которого подключен к второму входу блока управления, а неинвертирующий - к выходу второго одновибратора, и триггер, один из входов которого подключен к выходу элемента НЕ-И, другой - к выходу первого одновибратора , а выход к управляющему входу другого ключа, датчик колебаний включает три индикатора углового положения инерционного тела, один из которых установлен в плоскости равновесия инерционного тела, а два других расположены симметрично первому, причем первый индикатор соединен с входом инвертора, а другие индикаторы положения соединены с вторыми входами соответствующих блоков управления.

При этом индикаторы углового положения инерционного тела выполнены в виде дифференциальных фотоэлемен- тов,а на инерционном теле выполнены оптически связанные с индикаторами метки в виде дугообразных полос, расположенных на различном расстоянии от оси вращения инерционного тела, причем начала меток находятся на одной линии, лежащей в плоскости равновесия.

Снабжение установки подвижными опорами с размещенными на них злект126837 . . 4

ромагнитами возбуждения, двумя серводвигателями, кинематически связанными с подвижными опорами, и указанной системой управления колебаниями маятника позволяет автоматически отслеживать сдвиг положения равновесия инерционного тела при самопроизвольном закручивании образца при нагреве и повысить точность путем устране10 ния этого влияния на результаты измерений, а размещение на одной из подвижных опор с возможностью взаимодействия с другой подвижной опорой датчика перемещения и реализация спо,с соба измерения внутреннего трения, заключающегося в измерении размаха колебаний захвата образца, взаимодействующего с электромагнитами возбуждения при фиксированном значении раз2Q маха колебаний инерционного тела, позволяет исключить калибровку на образце с известным внутренним трением и, тем самым, снизить трудоемкость измерений.

25 На чертеже представлена схема автоматической установки для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов. )

I

Установка содержит крутильный

30 маятник,инерционное тело I которого жестко соединено с одним из захватов 2 исследуемого образца 3, датчик колебаний инерционного тела 1, включающий три индикатора 4, 5 и, 6

5 углового положения инерционного тела 1 , причем индикатор 4 устано-влтен в плоскости равновесия инерционного тела 1, а шдикаторы 5 и 6 расположены симметрично индикатору 4, два

0 электромагнита 7 и 8 для возбуждения крутильных колебаний 1шерционого тела 1, блок 9 регистрации, две подвижные в радиальном направлении опоры 10 и 11, на которых с возможностью

5 взаимодействия с вторым захватом 12 исследуеього образца 3 размещены электромагниты 7 и 8 для возбуждения крутильных колебаний маятника, что осуществляется, например, с помощью

0 жесткого поводка 13, закрепленного на ВТОРОМ захвате I2 образца 3 и находящегося между полосами электромагнитов 7 и 8. Установка содержит также размещенный на одной из под5 вижных опор 10 с возможностью взаимодействия с другой подвижной опорой 11 например, с помощью измерительного щупа 14) датчик- 15 персмещения, выход которого подключен к входу блока 9 регистрации, два серводвигателя 16 и 17, кинематически связанные с подвижынми опорами 10 и П, систему управления колебаниями маят ника, к которой подключены электромагнить 7 и 8 к датчик колебаний. Система управления содержит два блока 18 и 19 управления, каждый из которых имеет два входа и два выхода, и включенное на первом входе устройство 20 (21) для определения середины интервала времени, выход которого является первым входом блока 18 (19) управления, два одновибратора 22 и 23 (24 и 25), причем вход первого одновибратора 22(24) подключен к входу устройства 20(21) для определения середины интервала времерш, а вход второго одновибратора 23(25)к выходу этого устройства, два ключа 26 и 27 (28 и 29), выходы которых, Являющиеся вторым выходом блока 18 (19) управления, соединены с входом одного из серводвигателей 16(17), а управляющий вход одного из ключей 26 (28) является вторым входом блока 18(19) управления, элемент НЕ-И 30(31) инвертирующий вход которого подключен к второму входу блока 18(19)управления, неинвертирующий - к.выходу второго одновибратора 23(25) , 32(33), один из входов которого подключен к выходу элемента НЕ-И 30 (31) , другой - к выходу первого одновибратора 22(24) ; а выход к управляющему входу другого ключа 27(29), инвертор 34, выход которого подключен к первому входу второго блока i 9 управления, а вход - к первому входу первого блока 18 управления, триг- гер 35, входы которого подключены к первьпч выходам блоков 18 и 19 управления, а выходы подключены к соответствующим электромагнитам 7 и 8. Первый индикатор 4 соединен с входом инвертора 34, а другиеиндикатор,ы 5 и 6 соединены с вторыми входами соответствующих блоков 18 и 19 управления. Индикаторы 4, 5 и 6 углового положения инерционного тела I вьшолнены в виде дифференциальных фотоэлементов, которые в случае недостаточности уровня сигнала, возникающег в них при колебаниях инерционного тела 1, могут быть снабжены подклю ченными к их выходу усилителями 36, 37 и 38, а на инерционном теле 1 выполнены оптическисвязанные с индикаторами 4, 5 и 6 метки 39 и 40 в виде дугообразных полос, расположенных на различном расстоянии от оси вращения инерционного тела 1, причем начала меток 39 и 40 находятся на одной линии, лежащей в плоскости равновесия крутильного маятника. При проведении температурных испытаний образец 3 помещают в печь (не показана .

Установка работает следующим образом.

Исследуемый образец 3 закрепляют в захватах 2 и J2 таким образом, чтобы начала меток 39 и 40 инерционного тела 1 находились в зоне индика ора положения равновесия крутильного маятника. Затем .возбуждают колебания инерционного тела 1 с небольшой ампг литудой, например, ручным переключением электромагнитов 7 и 8. Через 2Д периода колебаний электромагниты 7 и 8 подключают к выходам триггера 35 Далее управление переключением электромагнитов 7 и 8 происходит автоматически. При колебаниях инерцион-, ного тела 1 метки 39 и 40 воздействуют на индикатор 4 положения, сигналы которого через усилитель 36 и инвертор 34 подаются на первые входы блоков 18 и 19 управления, при этом устройство 20 определения середины интервала времени в течение одного полупериода, когда индикатор 4 положения взаимодействует с меткой 39, измеряет длительность этрго полупериода, например, с помощью счетчика и генератора импульсов (не показаны) , а с началом следующего полупериода, когда индикатор 4 доложени взаимодействует с меткой 40, информация, записанная в счетчике, сбрасывается с частотой, в два раза большей, чем при заполнении его, и при появлении на выходе счетчика нулей во всех разрядах, что соответствует середиие полупериода, с выхода устройства 20 для определения середины интервала времени сигнал поступает на вход триггера 35, который перебрасьюается и переключает электромагниты 7 и 8, поводок 13 захвата 12 отводит от электромагнита 7 и притягивается к электромагниту 8, При этом происходит дополнительное закручивание образца 3 и таким образом вводится энергия в колебательную систему образец 3 - инерционное тело 1 крутильного маятника, что приводит к нарастанию размаха колебаний инерционного тела. 1. Во втором блоке 19управления устройство 21 для определения середины интервал а времен работает аналогично,но сигналы нанего поступают с инвертора 34 в моменты времени, сдвинутые на величину полупериода колебаний инерционного тела 1. Таким образом, включение элект рома гнитов 7 и 8 происходит поочеред но в разные полупериоды колебаний инерционного тела 1, а моменты времени переключения электромагнитов приходятся на середины полупериодов колебаний, что соответствует условию возникновения автоколебаний крутильного маятника 1 на частоте резонанса определяемой упругостью образца 3 и моментом инерции инерционного тела I При этом, если при колебаниях инерционного тела 1 начала меток 39 и 40 не доходят до индикатора 5 поло жения, то на неинвертирующий вход элемента НЕ-И блока 18 управления через одновибратор 23 поступает сигнал с выхода устройства 20 для определения середины интервала времени, а на инвертирующий вход этого же эле мента НЕ-И 30 поступает сигнал с уси лителя 37, соединенного с индикатором 5 положения, поэтому на вход триггера 32 поступает сигнал с выхода элемента НЕ-И 30. Триггер 32 вклю чает ключ 27 и серводвигатель 16 перемещает подвижную опору 10 электромагнита 7, увеличивая расстояние между подвижными опорами 10 и II, а значит и размах колебаний. Серводвигатель 16 будет включен до тех пор, пока начала меток 39 и 40 инерционного тела не пройдут индикатор 4 положения, при этом через одновибратор 22 триггер 32 перебрасывается в исходное положение, сигнал с управляющего входа ключа 27 снимается и серводвигатель 16 останавливается. Если же при колебаниях инерционного тела 1 начала меток 39 и 40 переходят индикатор 5 положения, то сигнал с усилителя 37 через второй вход пер вого блока 18 управления поступает на управлякяций вход ключа 26 и серво двигатель 16 уменьшает расстояние между подвижными опорами 10 и 11. В этом случае серводвигатель 16 включен до тех пор, пока начала меток 39 и 40 не пройдут индикатор 5 положения в сторону индикатора 4 положения, срабатывание триггера 32 при этом блокируется сигналом с.усилителя 37 на инвертирующий вход элемента НЕ-И 30. Работа второго блока 19 управления и серводвигателя 17 происходит аналогично, только сигналы на второй вход второго блока 19 .управления поступают с усилителя 38, а серводвигатель 17 производит перемещение подвижной опоры 1I с электромагнитом 8. Таким образом, блоки 18 и 19 управления с помощью серводвигателей 16 и 17устанавливают размах Г колебаний поводка 13, регистрируемый с помощью датчика 15 перемещений и блока 9 регистрации так, что размах R колебаний инерционного тела 1 становится равным заданному углу между индикаторами 5 и 6 положения. Логарифмический декремент колебаний определяется по зсоо.тнощению а динамический модуль - G 11 k сдвига где Т - момент инерции колебательной системы; к - форм-фактор,определяемый формой образца; резонансная частота колебаний. Предлагаемая система управления позволяет автоматически отслеживать изменение положения инерционного тела 1 в результате самопроизвольного закручивания образца 3 при его нагреве и одповременпым поворотом на один и тот же угол подвижных опор 10 и 11 устранить влияние этого закручивания па регистрируемую величину, при этом регистрируемое расстояние между подвижными опорами 10 и 1 1 является мерой внутреннего трения образца, поэтому при данной регистрации внутреннего трения путем измерения размаха колебаний поводка 13 отпадает необходимость производить калибровочные испытания образца с известным уровнем внутренр его трения.