устройство для исследования кинетики релаксации напряженного состояния легкодеформируемых материалов при фиксированной деформации

Формула изобретения

Устройство для исследования релаксации напряженного состояния легкодеформируемых материалов при фиксированной деформации, содержащее тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды, пассивный и активный зажимы исследуемого образца материала, сенсорный датчик смещения пассивного зажима, механизм нагружения исследуемого образца, микропроцессор, микроконтроллер, блок сопряжения и измерительную систему, отличающееся тем, что дополнительно содержит широтно-импульсный модулятор и полевой транзистор, при этом скоммутированная с микропроцессором измерительная система выполнена в виде электромеханического привода, выходное звено которого связано с пассивным зажимом исследуемого образца посредством кинематической передачи по условию баланса базовых моментов, обеспечиваемого указанной кинематической передачей и создаваемого прилагаемым к исследуемому образцу начальным усилием, при этом микроконтроллер скоммутирован с широтно-импульсным модулятором, управляемым сенсорным датчиком смещения пассивного зажима по условию энергетического баланса уровня сигналов, обеспечиваемых напряженным состоянием образца и поступающих от электромеханического привода.

Описание изобретения к патенту

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 данного 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 для исследования релаксации напряжения легкодеформируемых, в частности текстильных, материалов при фиксированной деформации (пат. РФ № 2306561, опубл. 2007.09.20 - прототип), содержащее тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды и автоматического контроля тепловых параметров исследуемого объекта, механизм нагружения исследуемого образца материала, пассивный и активный зажимы для исследуемого образца, микропроцессор, микроконтроллер, блок сопряжения и измерительную систему, включающую пневмопривод с пневмоцилиндром специальной конструкции, шток которого связан с активным зажимом исследуемого объекта, имеющим, как и второй его зажим, возможность собственной фиксации с помощью винтового механизма, а также сенсорный датчик перемещения пассивного зажима.

Недостатками известного устройства являются его конструктивная сложность, связанная с наличием пневмопривода, обладающего определенной мягкостью механической характеристики вследствие сжимаемости рабочего тела - воздуха, а также наличие системы, обеспечивающей промежуточное преобразование информативного сигнала, а именно пневматического сигнала в электрический, что в совокупности приводит к недостаточно высокой надежности функционирования известного устройства и труднопрогнозируемым погрешностям измерения.

Задачей изобретения является повышение надежности функционирования устройства и точности измерения.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства за счет замены пневмопривода электромеханическим приводом, не требующим наличия системы преобразования пневматического сигнала в электрический.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для исследования релаксации напряженного состояния легкодеформируемых материалов при фиксированной деформации, содержащее тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды, пассивный и активный зажимы исследуемого образца материала, сенсорный датчик смещения пассивного зажима, механизм нагружения исследуемого образца, микропроцессор, микроконтроллер, блок сопряжения и измерительную систему, в отличие от известного дополнительно содержит широтно-импульсный модулятор и полевой транзистор, при этом скоммутированная с микропроцессором измерительная система выполнена в виде электромеханического привода, выходное звено которого связано с пассивным зажимом исследуемого образца посредством кинематической передачи по условию баланса базовых моментов: обеспечиваемого указанной кинематической передачей и создаваемого прилагаемым к исследуемому образцу начальным усилием, причем микроконтроллер скоммутирован с широтно-импульсным модулятором, управляемым сенсорным датчиком смещения пассивного зажима по условию энергетического баланса уровня сигналов, обеспечиваемых напряженным состоянием образца и поступающих от электромеханического привода.

Предлагаемое устройство наглядно показано на фиг.1, где представлена его структурно-кинематическая схема.

Устройство содержит электромеханический привод, включающий в себя электромотор 1, цилиндрическую зубчатую передачу 2 и 3, рейки 4 и 5 реечной передачи и систему управления электромотором 1, содержащую микроконтроллер 6 со встроенными широтно-импульсным модулятором и универсальным асинхронным приемопередатчиком (на схеме не показаны), полевой транзистор 7, микропроцессор 8, сенсорный датчик 9 начала условного перемещения (микроперемещения) пассивного зажима 10 исследуемого образца материала.

В состав устройства входит также активный зажим 11 исследуемого образца, связанный с механизмом нагружения, включающим винтовую передачу 12 и тарированный упругий элемент 13. Для контроля величины задаваемой деформации материала и величины его нагружения установлены подвижный с регулируемым положением упор 14, а также датчик (система считывания) прилагаемого усилия 15 и датчик (система считывания) деформации 16, прикрепленные к концам тарированного упругого элемента 13 и связанные через блок сопряжения 17 с микропроцессором 8.

Для варьирования параметрами паровоздушной среды устройство снабжено термокамерой 18 с набором контрольных и вспомогательных элементов для обеспечения надежной и корректной работы устройства, смонтированных на общей станине 19.

Условно неподвижный (пассивный) зажим 10 связан с измерительным блоком, содержащим каретку 20, несущую на себе рейку 5, и осуществляющим механическую связь с сенсорным датчиком 9, который регистрирует начало условного перемещения пассивного зажима 10.

Система управления электромотором 1 и, соответственно, электромеханическим приводом в целом, представленная на фиг.2, включает в себя скоммутированный со встроенным широтно-импульсным модулятором микроконтроллер 6, который соответствующим образом запрограммирован на выполнение поставленных задач, полевой транзистор 7, сенсорный датчик 9 начала условного перемещения пассивного зажима 10 и микропроцессор 8. Полевой транзистор 7 скоммутирован затвором G с микроконтроллером 6, стоком D к обмотке электромотора 1 и стоком S к земле. Обмен данными между микроконтроллером 6 и процессором 8 осуществляется при помощи встроенного универсального асинхронного приемопередатчика UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) (на схеме не показан) через интерфейс RS-232.

Устройство работает следующим образом.

Перед исследованием испытуемый образец легкодеформируемого, в частности текстильного, материала 21 устанавливается в зажимах 10 и 11 и фиксируется в пространстве термокамеры 18. Нагружение образца (прилагаемое усилие), варьируемое в зависимости от требуемой деформации, осуществляется посредством подвижного зажима 11 и винтовой передачи 12, связанной с тарированным упругим элементом 13. При этом измерение и регистрация перемещения среза образца материала, определяющего величину его деформации, и величины его нагружения, соответствующего прилагаемому усилию, осуществляются соответственно датчиком прилагаемого усилия 15 и датчиком деформации 16, а зарегистрированная информация через блок сопряжения 17 передается в процессор 8, где обрабатывается по заданной программе. Исследование релаксации усилия (напряжения) может осуществляться как в номинальном температурном режиме и при номинальной влажности, так и при воздействии теплоносителя в виде паровоздушной среды при варьируемых значениях влажности и температуры.

Поступившая в процессор 8 информация обрабатывается, и, в соответствии с результатом указанной обработки, формируется напряжение, которое через контроллер 6 и полевой транзистор 7 подается на обмотку электромотора 1. Электромотор создает базовый крутящий момент противодействия, равный моменту, создаваемому усилием, приложенным через рейку 5 к пассивному зажиму 10 посредством нагружения образца, и обеспечивает тем самым базовое квазистабильное положение пассивного зажима 10.

Процесс релаксации напряжения в исследуемом образце и соответствующее уменьшение величины усилия, необходимого для баланса нагружения, создают условия для условного перемещения пассивного зажима 10, которое фиксируется сенсорным датчиком 9. Информация от датчика 9 поступает в микроконтроллер 6, который, в соответствии с заданной программой, уменьшает электрическое напряжение на обмотке электромотора до того момента, когда условное микроперемещение пассивного зажима 10 прекратится, обеспечивая тем самым его квазистабильное состояние. При этом значение уменьшенного напряжения записывается в память микропроцессора 8 как информативный параметр релаксации усилия (напряжения), соответствующий текущему моменту.

Величина подаваемого на обмотку электромотора 1 напряжения пропорциональна программно изменяемому коэффициенту заполнения ШИМ (широтно-импульсной модуляции) широтно-импульсного модулятора, которому, в свою очередь, соответствует конкретное число в регистре микроконтроллера 6.

После передачи в процессор 8 величины электрического напряжения на обмотке электромотора, соответствующего началу условного микроперемещения пассивного зажима 10, при непрерывной работе системы управления электромеханическим приводом микропроцессор 8 производит пересчет этой величины в усилие (F) и соответствующее напряжение по известным зависимостям:

F=kU и =f(F).

Через определенное время (например, через 20 с или с некоторой изменяемой скважностью), задаваемое посредством таймера по ключу времени, на обмотку электромотора вновь подается напряжение, которое соответствует балансу моментов прилагаемого и противодействующего усилий предшествующего цикла измерения. Дисбаланс указанных моментов, возникший вследствие произошедшей за это время релаксации усилия (напряжения) в образце до некоторого, уже уменьшенного по отношению к предыдущему, значения приведет к микроперемещению пассивного зажима 10, которое определяется сенсорным датчиком 9.

Таким образом, в каждом цикле измерения нет необходимости полного снятия электрического напряжения с обмотки электромотора, что позволяет системе работать с некоторым относительным уменьшением электрического напряжения, принимая во внимание его остаточный уровень, и тем самым уменьшить динамическую составляющую погрешности измерения вследствие сокращения времени разгона и выбега электромеханического привода. Это позволяет варьировать скважностью циклов измерения в период релаксации напряжения при фиксированной деформации материала, увеличивая частоту измерения на начальной более динамичной составляющей процесса, что в конечном итоге обеспечивает повышение общей точности измерения.

По заданной скважности цикл измерения повторяется до полной релаксации усилия (напряжения) в образце при фиксированной деформации. После завершения процесса в режиме реального времени посредством процессора строится график кинетики релаксации усилия Р=f(t) и напряжения =f(t).