Устройство для определения жиропроницаемости полимерных материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к контроль нр-изыерительной технике и может найти применение в отраслях промышленности, производящих продукты питания, для оценки качества поли.мерных упаковочных материалов, в химической промышленности для оценки качества спецодежды и других отраслях народного хозяйства. . Известно устройство для определения проницаемости материалов оргапичес.кими растворителями, содержа.щее приспособление для крепления образца в диэлектрическом основании с установленными на его верхней части двумя электродами, включенными в измерительную цепь электронного реле времени, при этом оба электрода расположены под испытуемым образцом и изолированы один от другого раствори мой полимерной пленкой, причем верхний электрод выполнен в виде металли ческой сетки, а нижний - в виде набора металлических подпружиненных стержней, собранных в пакет l . Устройство не может быть использовано для определения момента проникновения жиров и масел через полимерные материалы, поскольку названны среды имеют высокие диэлектрические показатели и при их проникновении не производят замыкания электрическо цепи между электродами. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для определения Ж11ропрони цашости полимерных материалов, содержащее камеру подачи исследуемой среды, измерительную камеру, соединенную с камерой подачи исследуемой среды посредством специальной системы крепления, пружину сжатия и два электрода, расположенные в измерительной камере zj.. Недостатком известного устройства является низкая точность определения обусловленная прогрешностью вносимой заклиниванием подвижного электрода. Цель изобретения - повьппение точности определения путем исключения погрешности, обусловленной заклиниванием подвижного электрода. Поставленная цель достигается тем что в устройстве для определения жиропроницаемости полимерных материалов, содержащем камеру подачи исследуемой среды, измерительную камеру, соединенную с камерой подачи исследуемой среды при помощи системы крепления , пружину сжатия и два электрода , расположенные в измерительной камере, при этом один из электродов размещен в стенке, а другой - внутри измерительной камеры, причём нижний торец второго электрода поджат пружиной сжатия и примыкает боковой поверхностью к стенкам камеры, измерительная камера дополнительно снабжена двумя направляющими стержнями, второй пружиной сжатия, поджимающий верхний торец второго электрода, внутри которой пропущен первый направляющий стержень, жестко прикрепленный к верхнему торцу второго электрода, а к нижнему торцу жестко прикреплен второй направляющий стержень с навитой на нем первой пружиной (Сжатия, причем устройство снабжено также регулятором жесткости пружины, соединенным с первой пружиной сжатия, а количество рабочих витков второй пружины сжатия определяется по формулеi, , для i, ; для Ю , где 2 - количество витков второй . пружины сжатия; If - количество витков первой пружины сжатия. На фиг.1 показана конструкция предлагаемого устройства; на фиг.2 экспериментальные зависимости вре- мени срабатывания устройства при калибровке от положения стрелки относительно шкалы. Устройство состоит из металлической камеры.1, в которой находится исследуемая среда 2. Испытуемый образец 3 закреплен между металлической камерой 1 и измерительной камерой 4 при помощи крейежных винтов 5. Исследуемую среду 2 заливают через отверстие .в металлической камере 1, закрываемое заглушкой 6. Стенка металлической камеры 1, примыкающая к испытуемому образцу 3, выполнена перфорированной для подвода исследуемой среды 2 к испытуемому образцу 3 (для герметичности камеры 1 между ее стенкой и испытуемым образцом 3 может быть вставлено резиновое кольцо) . В верхней полости измерительной камеры 4 параллельно испытуемому образцу 3 установлен на направляющих стержень 7 из диэлектрического мате риала с расположенной на нем пружиной 8 сжатия, верхний конец которой жестко прикреплен к стенке измерительной камеры 4, а нижний - к верхнему торцу подвижного электрода 9 (емкостного датчика), Стержень 7 прикреплен к верхнему торцу подвижного электрода 9 при помощи резьбового соединения. Электрод 9 примыжаетодной боковой поверхностью к испытуемому образцу 3, а противоположной боковой поверхностью к стенке измерительной камеры 4, в которую параплельно испыту вмому образцу 3 и подвижному электроду 9 впрессован второй измерительной электрод 10, имекпций длину, равную длина первого электрода 9. При этом неподвижньй электрод 10 смещен относительно подвижного электрода 9, при несдефор мированной пружине сжатия 8, на поло вину длины в сторону верхней полости измерительной камеры 4. К электроду .10 и к. верхнему концу металлической пружины 8 сжатия подключена схема измерения. В качестве схемы измерения может быть использован измеритель емкости (например, Б8-3,Е8-4 и т.п.) в комп лексе с цифропечатающим устройством К нижнему торцу подвижного электрода 9 жестко прикреплен при помощи резьбового соё динения второй направляющий стержень 11с навитой на нем пружиной 12 сжатия, причем верхний конец 12 сжатия жестко прй: креплен к нижнему торцу подвижного злект юда 9, а нижний конец - к втул ке 13, расположенной в нижней полост йзмерител;ьной камеры 4. На нижнем конце втулки 13, выступйющем за пределы измерительной камеры 4, закреп лен подвижный кронштейн 14, имеющий ; возможность перемещаться в вертикайьной плоскости при помощи регули1ровочцого винта 15, пропущенного Iчерез отверстие в кронштейне 14 и введенного в отверстие с резьбой в нижнем торце измерительной камеры 4 Стрелка 16 прикреплена к нижнему концу втулки 13 таким образом, что нап)ротив стрелки 16 расположена шкал 17, присоединенная к нижнему торцу измерительной 4. Устройство работает следующим об- разом. После заливки исследуемой среды 2 в камеру 1 нагружают стержень 7, при этом он опускается в глубь измерительной камеры 4 и перемещает подвижный электрод 9 вниз. Приложенную к стержню 7 нагрузку плавно уг-1еньшают. Электрод 9 при этом поднимается вверх и останавливается д тот момент, когда действующие на него силы взаимно скомпенсируются. На электрод 9 действуют направленная вертикально вниз сила тяжести электрода 9Р, гт1,, где vn, - масса электрода 9, - ускорение свободного падения; направленная вертикально вниз сила тяжести стержня 7 Р, где 2 s iscca стержня 7; направленная вертикально вниз сила тяжести стержня , Д ni - масса стержня 11; направленная также вертикально вниз сила трения itFj.+ H hUi+l 2l где Рц - сила нормального давле1шя, действующая на боковые поверхности электрода 9 (на боковую поверхность, примыкающую к испытуемому образцу 3, и на боковую поверхность, примыкающую к стенке измерительной камеры 4) ; 1с, коэффициент трения боковой поверхности электрода 9 о материал испытуемого образца 3; k - коэффициент трения боковой поверхности электрода 9 о материал стенки измерительной камеры 4; направленная вертикально вверх сила упругости пружины 12Fnnp, ; направленная вертикально вниз сила упругости пружины SFijnp-. Таким образом, электрод 9 будет подниматься вверх до тех пор, пока ;Vp(°C 2 VFHikH-l 2bFunpa или с учетом того, что чпрал согласно (4), где и - осадка.пружины; Q - модуль сдвига пружины; А - диаметр проволоки пружины; с - индекс пружины С-D/d; где II -диаметр пружины; i - число рабочих витков пружины, вьфажение (1) можно переписать -g -gKinnjirn,VFH(Vki + gpjT-. (2) Приизготовлении пружин 8 и 12 спользуют одну и ту же проволоку, ружины навивают на одну оправку, оэтому в правой и левой частях уравения (2) символы Q , d и с не имеют индексов. Кроме того, величина /у для пружин 8 и 12 будет одинакова, поскольку обе пружины работают на сжатие (или растяжение) и подсоединены к одному грузику - электроду 9. Обоз начим для вьшода последующих выражений количество рабочих витков пружины 8 через i, а количество рабочих витков пружины 12 - через . Решая урав)1ение (2) относительно осадки- пружины (осевого перемещения торцов пружины) , получаем следующее, выражение: .( tm - w FHik4-bi:2| (3) . Из (3) следует, что в случае отсутствия дополнительной пружины 8 электрод 9 будет подниматься вверх до тех пор, пока npr4 « V ,-, или с учетом того, что ,). (5 Преобразуем это выралсение относител 8c,m tFHUi-bk l d & Исследуя выражения (3) и (6), оц ним чувствительность предлагаемого устройства и известного. Чтобы дока зать, что чувствительность одного устройства выше чу вствительности другого, необходимо доказать, что при одном и том же изменении коэффи циента трения k( боковой поверхност электрода9 о материал испытуемого образца 3 смещение электрода 9 (в да5Н10м случае , поскольку торцы пружин 8 и 12 жестко, прикреплены к электроду 9) будет больше. Это означает , что необходимо взять производные 9 Л / 6 (, и сравнить их между собой. Предварительно приравниваем .№, + гп2+П1-1ИЗ выражения (3) к m из выражения (6), так как в случае сравнения можно считать эти массы одинаковыми. После дифференцировани вьфажений (3) и (6) получаем для известного устройства 9 8с,Гн Qk, G3 87i Sc biafH av, а4(АгмЛ Таким образом, чтобы доказать, что чувствительность предлагаемого устройства выше, чем известного, необходимо показать, что отношение вьфажений (8) и (7) больше 1. Проделав эту операцию, прл чаем бс йгГнОс)ij. (9) Qd (j-i,.,FH ii-i, Анализ выражения (9) показывает, что при равенстве | Ig оно будет много больше 1 (отношение константы к бесконечно малому числу 0). Следовательно , в случае выполнения пружины 12 с количеством витков, равным количеству витков пружины 8, чувствительность устройства, а следовательно, . точность работы за счет преодоления трения покоя будет максимальна, Однако как показывает экспериментальна:я проверка, количество виткрв первой пружины должно быть больше, чем количество витков второй пружины. Причем количество витков пружины 8 (2 должно быть на один виток меньше, чем количество витков пружины 12 () в случае, если количество витков пружины 12 меньше десяти, и количество витков пруямны 8 должно быть на 2 витка меньше, если количество витков пружины 12 (р больше или равно десяти. Расхождение теоретического обоснования с результатами экспериментов обусловлено, что устройство работает не в идеальных условиях (для которых выведено уравнение 9) , при которых подвижньш электрод Контактирует с образцом и измерительной камерой только двумя поверхностяг-ш. . В реальных условиях это обеспечить затруднительно, так как такое конструктивное решение снижает чувствительность и увеличивает трудоемкость обслужи.вания. В предлагаемом устройстве, кроме сил трения, учтенных при выводе уравнения (9)., имеются незначительные силы,трения между направляющими стержнями, втулкой и измерительной камерой. Экспериментально получены (фиг.2) зависимости времени срабатьшания устройства от положения стрелки 16 относительно шкалы 17 (в единицах шкалы) для двух пленочных полимерньпс материалов -.полиэтилена и полипропилена - для разных соотношений количеств витков пружин 8 и 12. Количестно витков пружины 12 ( i,) равно 6, так как экспериментально установлено, что для выбранного материала пружин это количество является оптимальным .5

Калибровку устройства производят следующим образом. В испытуемом образце 3 делают круглое отверстие диаметром около О,t мм, после чего образец 3 устанавливают в устройство 10 таким образом, что указанное отверстие расположено под подвижным электродом 9.

Затем нагружают стержень 7, опускают и устанавливают подвижный элект- 15 род 9 в равновесие и с этого момента начинают отсчет времени до момента смещения электрода 9, которое фиксируют при помощи схемы измерения. Калибровку проводят при последова- 20 тельном изменении положения стрелки 16 относительно шкалы 17. По результатам экспериментов строят калибровочную зависимость для данного полимерного материала при данном соотно- 25 шении и g. Получение указанной калибровочной зависимости занимает не более 30-50 мин. Анализ калибровочных зависимостей для двух указанных полимерных пленочных материа- зо лов (фиг.2) при различном соотнощенииколичеств витков пружин 8 и 12 показывает, что при i, 1 ig время сраба- . тывания устройства минимально (для Д 10). Аналогичные калибровочные . зависимости были построены для целого ряда полимерных пленочных материалов ЭПЭВД, ПЭСД, ПЭНД, ПП, ПБ, П4МП, СЭП, СЭБ, СЭВА, ПЭВД+ГКЖ, ПЭВД+ПЭСД, ПЭВД+ПЭНД, сополимер 4Щ с гексеном) и для различных соотношений .i и g (j до 67 с шагом 1). При выполнении пружины 12с количеством витков более 60 время срабатывания устройства начинает резко увеличиваться. При .

этом значительно возрастают габарит устройства.

Texникo-экoнoмIiчecкими преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с известным являются более высокая точность, повышение чувствительности и снижение трудоемкости обслуживания. Так, при калибровке в известном устройстве устанавливают пружины с различным количеством витков,, подбор пружины с оптимальным количеством витков занимает 10-12 ч, при этом осуществляют трудоемкие операции по разборке устройства, которые приводят к преждевременному выходу его из строя. В предлагаемом устройстве получение калибровочной зависимости (выбор оптимального положения втулки 13 относительно измерительной камеры 4, обепечивающего минимальное времЯ срабатывания устройства) занимает менее 1ч.

Как видно из фиг.2, время срабатывания предлагаемого устройства не превьш1ает 30-40 с, в то время как минимальное время срабатывания известного устройства для калибровочных зависимостей составляет 150180 с. Следовательно, введение дополнительной пружины 8 и выполнение ее с соответственным соотношением витков согласно экспериментальным зависимостям позволяют повысить чувствительность устройства в десятки раз При этом значительно сокращается время испытания и увеличивается точность, так как в общем случае время испытания складывается из двух составляющих: Ч(,р времени проникновения среды 2 через испытуемый образец 3 и in - времени накопления среды для снижения коэффициента трения k, (при этом tpp t ц ) .

H схене

ФигЛ Полиэтилен / 234 eff. 1 23 1 234 eff.u/Hcr b/ 1 23

Фиг. 2 4 ед.и/ка/гы 4 eff.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ши1 опрони1Щ:мостй ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее камеру подачи исследуемой среды, измерительную камеру, соединенную с камерой подачи исследуемой среды при помощи системы крепления , пружину сжатия и два электрода, расположенные в измерительной камере , при этом один из электродов размещен в стенке, а другой - внутри измерительной камеры, причем нижний торец второго электрода поджат пружиной сжатия и примыкает боковой поверхностью к стенкам камеры, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности определения путем исключения погрешности, обусловленной заклиниванием подвижного электрода, измерительная камера дополнительно снабжена двумя направляющими стержнями, второй пружиной, сжатия, поджимающей верхний торец второго электрода, внутри которой пропущен первый направляющий стержень, жестко прикрепленный к верхнему торцу второго электрода, а к нижнему торцу жестко прикреплен второй направляющий стержень с навитой на нем первой пружиной сжатия, причем устройство снабжено, также регулятором жесткости 5 пружины, соединенным с первой пружиСО ной сжатия, а количество рабочих сг витков второй пружины сжатия определяется по формуле ),-1 Лу -2цпя угЮу где 2 количество витков второй пружины сжатия; 4 1 - количество витков первой пружины сжатия. с