RU2047175C1

RU2047175C1 - Device for determination of physical and mechanical properties of hide

Info

Publication number: RU2047175C1
Authority: RU
Inventors: Владислав Николаевич Белокуров
Original assignee: Владислав Николаевич Белокуров
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: light industry. SUBSTANCE: device for determination of physical and mechanical properties of hide and other viscous-resilient materials under resonance mode of compression without their destruction has mobile element which upper part carries power coil placed into magnetic field of permanent magnet. Mobile element is positioned on center of cylindrical body in guiding bushings. Mobile element is suspended due to interaction of magnetic fields of three ring permanent magnets directed in opposition located along mobile element. Two extreme magnets are attached to body and central one is installed immobile in midpart of mobile element. Novelty of device consists in use of central ring magnet as magnetic pendulum of measurement coil. Measurement coil containing core is attached to body of device so that plane of its turns match direction of motion of magnetic pendulum and is connected to input of low-frequency amplifier which output is coupled to power coil. In low-frequency amplifier mode of self-excitation of electric oscillations is set with frequency equal to inherent resonance frequency of mechanical vibrations of mobile rod. When device is put on tested material value of resonance frequency of system grows depending on mechanical properties of tested material. EFFECT: improved functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к легкой промышленности для определения физико-механических показателей кожи и других вязко-упругих материалов без их разрушения. The invention relates to light industry for determining the physico-mechanical properties of leather and other visco-elastic materials without destroying them.

Известны устройства неразрушающего контроля для определения динамических модулей сжатия (см. Palm W.E. et. al. Nondestructive dynamic compression measurementson full si des of leather. Am. Leather chemists ass, 1966, v. LXI, N 5, p. 222-234), содержащие измерительную головку, которая включает в себя силовую катушку, размещенную на подвижной части вибродатчика, помещенную в магнитное поле постоянного магнита и приводимую в колебательное движение с помощью электрического сигнала, поступающего от генератора синусоидального напряжения. Для балансировки моста устройство содержит эквивалент вибродатчика, включающий в себя переменный резистор, переменную индуктивность, два согласующих резистора и для регистрации выходного сигнала осциллограф. Non-destructive testing devices for determining dynamic compression modules are known (see Palm WE et. Al. Nondestructive dynamic compression measurementson full si des of leather. Am. Leather chemists ass, 1966, v. LXI, N 5, p. 222-234), containing a measuring head, which includes a power coil placed on the moving part of the vibration sensor, placed in the magnetic field of a permanent magnet and driven into oscillatory motion using an electric signal from a sinusoidal voltage generator. To balance the bridge, the device contains the equivalent of a vibration sensor, which includes a variable resistor, a variable inductance, two matching resistors, and an oscilloscope to register the output signal.

Для определения динамических показателей исследуемого материала подвижной элемент приводится в соприкосновение с исследуемым образцом, который размещается на стационарной металлической плите. Подвижной элемент вибродатчика в динамическом режиме соприкасается с образцом и деформирует его. По отклику со стороны исследуемого материала на силовое воздействие подвижного элемента фиксируется значение частоты, электрическое сопротивление, индуктивность и с помощью соответствующих формул рассчитывается величина динамических модулей сжатия. Недостатком известных устройств является ограниченное число определяемых показателей исследуемого материала, сложность в эксплуатации из-за наличия пневматических элементов. To determine the dynamic characteristics of the material under study, the movable element is brought into contact with the sample under study, which is placed on a stationary metal plate. The moving element of the vibration sensor in dynamic mode is in contact with the sample and deforms it. Based on the response from the material under study to the force action of the moving element, the frequency value, electrical resistance, inductance are fixed and the value of dynamic compression modules is calculated using the appropriate formulas. A disadvantage of the known devices is the limited number of determined indicators of the studied material, the difficulty in operation due to the presence of pneumatic elements.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для определения физико-механических свойств кожи (авт. св. СССР N 1499230, кл. G 01 N 33/36, 1989), содержащее подвижной элемент, упругая подвеска которого осуществляется с помощью трех кольцевых постоянных магнитов. Причем средний магнит закреплен на подвижном элементе вибродатчика и расположен между двумя соосно расположенными кольцевыми магнитами, прикрепленными к корпусу вибродатчика так, что плоскости всех магнитов параллельны. Магнитные поля крайних магнитов относительно среднего магнита, закрепленного на подвижном элементе, имеют противоположные направления. Таким образом подвижной элемент 1 вместе со средним кольцевым магнитом находится во взвешенном состоянии за счет взаимодействия магнитных полей кольцевых магнитов. Closest to the proposed technical essence is a device for determining the physico-mechanical properties of the skin (ed. St. USSR N 1499230, class G 01 N 33/36, 1989), containing a movable element, the elastic suspension of which is carried out using three ring constants magnets. Moreover, the middle magnet is mounted on the movable element of the vibration sensor and is located between two coaxially arranged ring magnets attached to the body of the vibration sensor so that the planes of all the magnets are parallel. The magnetic fields of the extreme magnets relative to the middle magnet mounted on the movable element have opposite directions. Thus, the movable element 1 together with the middle ring magnet is in suspension due to the interaction of the magnetic fields of the ring magnets.

Указанная компоновка магнитов позволила использовать средний кольцевой магнит, который крепится к подвижному элементу, в качестве сердечника измерительной катушки, закрепленной в средней части корпуса вибродатчика. The indicated arrangement of the magnets made it possible to use the middle ring magnet, which is attached to the movable element, as the core of the measuring coil fixed in the middle part of the vibration sensor housing.

Для создания гармонических колебаний подвижного элемента в его верхней части расположена силовая катушка, которая размещена в магнитном поле постоянного магнита. Подвижной элемент расположен в центре цилиндрического корпуса в направляющих втулках. Корпус вибродатчика размещен в основании с отверстием по центру, которое служит для выхода нижней части подвижного элемента. To create harmonic oscillations of the moving element, a power coil is located in its upper part, which is placed in the magnetic field of a permanent magnet. The movable element is located in the center of the cylindrical body in the guide bushings. The vibration sensor housing is located in the base with a hole in the center, which serves to exit the bottom of the movable element.

Недостатком устройства, взятого в качестве прототипа, является сложность определения значения резонансной частоты, которая может быть выявлена только при снятии амплитудно-частотной характеристики исследуемого материала. Это достигается путем графического построения зависимости амплитудного значения напряжения на измерительной катушке от частоты сигнала задающего генератора. Кроме того, для задания частоты сигнала задающего генератора с определенной дискретностью необходимо использовать труд оператора, либо дорогостоящие генераторы качающейся частоты или анализаторы спектра сигналов. Указанные недостатки определяют сложность и длительность процесса измерения резонансной частоты, приводят к погрешности измерений. Громоздкость вспомогательных приборов и длительность испытаний обуславливают низкие эксплуатационные показатели устройства. The disadvantage of the device, taken as a prototype, is the difficulty of determining the value of the resonant frequency, which can be detected only by removing the amplitude-frequency characteristics of the material under study. This is achieved by graphically plotting the dependence of the amplitude value of the voltage across the measuring coil on the frequency of the signal of the master oscillator. In addition, to set the frequency of the signal of the master oscillator with a certain discreteness, it is necessary to use the work of the operator, or expensive oscillators of the oscillating frequency or signal spectrum analyzers. These shortcomings determine the complexity and duration of the process of measuring the resonant frequency, lead to measurement errors. The bulkiness of the auxiliary devices and the duration of the tests determine the low performance of the device.

Целью изобретения является повышение точности измерений и автоматизация процесса определения физико-механических свойств кожи. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements and automation of the process of determining the physico-mechanical properties of the skin.

Для этого предлагаемого устройство (см. чертеж) содержит подвижной элемент 1, к верхней части которого прикреплена силовая катушка 2, помещенная в магнитное поле кольцевого постоянного магнита 3. Подвижной элемент 1, расположенный в направляющих втулках 4 и 5, изготовленных из бронзы, имеет систему подвеса, образованную за счет взаимодействия магнитных полей трех кольцевых магнитов 6-8, расположенных вдоль подвижного элемента 1. Причем два магнита 6 и 8 неподвижно прикреплены к корпусу 9 вибродатчика по концам подвижного элемента 1 с возможностью перемещения подвижного элемента 1 относительно этих магнитов. Кольцевой магнит 7 неподвижно закреплен в средней части подвижного элемента 1 и служит магнитным маятником измерительной катушки 10. Измерительная катушка 10, которая содержит цилиндрический сердечник 11, выполненный из ферромагнитного материала, прикреплена к корпусу вибродатчика 9 так, что плоскость ее витков параллельна направлению движения кольцевого магнита 7, закрепленного на подвижном элементе 1. Причем сердечник 11 измерительной катушки 10 размещен по центру высоты кольцевого магнита 7. Между внешним диаметром кольцевого магнита 7, выполняющего функцию магнитного маятника, и торцовой частью сердечника 11 измерительной катушки 10 установлен зазор величиной 1-1,5 мм. Измерительная катушка 10 подключена с помощью разъема Р₁ к входу усилителя низкой частоты 12, выход которого через разъем Р₂ подключен к силовой катушке 2.For this proposed device (see drawing) contains a movable element 1, to the upper part of which is attached a power coil 2, placed in the magnetic field of the annular permanent magnet 3. The movable element 1, located in the guide bushings 4 and 5 made of bronze, has a system suspension formed by the interaction of magnetic fields of three ring magnets 6-8 located along the movable element 1. Moreover, two magnets 6 and 8 are motionlessly attached to the housing 9 of the vibration sensor at the ends of the movable element 1 with the possibility w displacement of the movable member 1 with respect to these magnets. The ring magnet 7 is fixedly mounted in the middle part of the movable element 1 and serves as the magnetic pendulum of the measuring coil 10. The measuring coil 10, which contains a cylindrical core 11 made of ferromagnetic material, is attached to the body of the vibration sensor 9 so that its plane of turns is parallel to the direction of movement of the ring magnet 7, mounted on the movable element 1. Moreover, the core 11 of the measuring coil 10 is located in the center of the height of the ring magnet 7. Between the outer diameter of the ring magnet 7, you filling the function of the magnetic pendulum, and the end part of the core 11 of the measuring coil 10 is set to a gap of 1-1.5 mm. The measuring coil 10 is connected using the connector P ₁ to the input of the low-frequency amplifier 12, the output of which through the connector P _{2 is} connected to the power coil 2.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При подключении усилителя низкой частоты 12 к источнику питания по силовой катушке 2 течет ток, который вызывает изменение положения подвижного элемента 1 и закрепленного на нем кольцевого магнита маятника 7. Из-за изменения положения подвижного элемента 1 и кольцевого магнита маятника 7 происходит изменение магнитного потока, пронизывающего измерительную катушку 10, вследствие чего на ее концах наводится напряжение, которое в свою очередь передается на вход усилителя низкой частоты 12. Это напряжение усиливается и поступает с выхода усилителя низкой частоты 12 на силовую катушку 2, создавая в ней еще больший ток. Скорость перемещения подвижного элемента 1 по мере удаления его от положения равновесия убывает из-за возрастания магнитной силы отталкивания между магнитами 6 и 7 (или 8 и 7), при этом убывает напряжение на входе усилителя низкой частоты 12. Это приводит к уменьшению тока в силовой катушке 2. В какой-то момент времени подвижной элемент 1 остановится и затем под действием силы отталкивания магнитных полей кольцевых магнитов 6 и 7 (или 8 и 7) будет с увеличением скорости перемещаться в противоположном направлении. При этом полярность напряжения на измерительной катушке 10 изменит свое направление. Потенциал напряжения на входе усилителя низкой частоты 12 и направление тока в силовой катушке 2 так же изменяется. Процесс движения подвижного элемента 1 повторится, но в противоположном направлении. When the low-frequency amplifier 12 is connected to a power source, a current flows through the power coil 2, which causes a change in the position of the movable element 1 and the ring magnet of the pendulum 7 attached to it. Due to a change in the position of the movable element 1 and the ring magnet of the pendulum 7, the magnetic flux penetrating the measuring coil 10, as a result of which a voltage is induced at its ends, which in turn is transmitted to the input of the low-frequency amplifier 12. This voltage is amplified and comes from the output of the amplifier eating low frequency 12 to the power coil 2, creating an even greater current in it. The speed of movement of the movable element 1 as it moves away from the equilibrium position decreases due to an increase in the magnetic repulsive force between magnets 6 and 7 (or 8 and 7), while the voltage at the input of the low-frequency amplifier 12 decreases. This leads to a decrease in the current in the power coil 2. At some point in time, the movable element 1 will stop and then under the action of the repulsive force of the magnetic fields of the ring magnets 6 and 7 (or 8 and 7) will move in the opposite direction with increasing speed. In this case, the polarity of the voltage on the measuring coil 10 will change its direction. The voltage potential at the input of the low-frequency amplifier 12 and the direction of the current in the power coil 2 also changes. The process of moving the movable element 1 will be repeated, but in the opposite direction.

Таким образом, с помощью подвижного элемента 1 и расположенных на нем силовой катушки 2 и кольцевого магнита маятника 7 осуществляется положительная обратная связь в усилителе низкой частоты 12. При этом в усилителе низкой частоты 12 устанавливается режим автогенерации электрических колебаний с частотой, равной собственной частоте механических колебаний подвижного элемента 1, которая для данной конструкции устройства равна 20 Гц. Thus, using the movable element 1 and the power coil 2 and the ring magnet of the pendulum 7 located on it, positive feedback is carried out in the low-frequency amplifier 12. In this case, the low-frequency amplifier 12 sets the mode of self-generation of electrical vibrations with a frequency equal to the natural frequency of mechanical vibrations movable element 1, which for this device design is equal to 20 Hz.

При установке устройства на исследуемый материал, предварительно размещенный на недеформируемом основании, величина собственной резонансной частоты теперь уже системы, состоящей из подвижного элемента и деформируемой части исследуемого материала, будет меняться в большую сторону в зависимости от упругих свойств исследуемого материала. When installing the device on the test material, previously placed on a non-deformable base, the value of the natural resonance frequency of the system, consisting of a movable element and the deformable part of the test material, will now change upward depending on the elastic properties of the test material.

Поскольку резонансный режим наступает практически мгновенно, а используемый метод определения физико-механических свойств материала является неразрушающим с помощью предлагаемого устройства можно осуществить экспресс-анализ упругих свойств исследуемого материала без построения амплитудно-частотной характеристики. Since the resonance mode occurs almost instantly, and the method used to determine the physicomechanical properties of the material is non-destructive, using the proposed device, it is possible to carry out an express analysis of the elastic properties of the material under study without constructing an amplitude-frequency characteristic.

Иное расположение измерительной катушки 10 (например, как в прототипе) не дает положительного эффекта из-за возникающей в этом случае связи магнитных полей между измерительной и силовой катушками, вследствие чего проявляется самовозбуждение устройства на произвольной частоте. В случае поворота плоскости измерительной катушки относительно силовой катушки на угол 180^о возбуждения колебаний подвижного элемента устройства не возникает. В предлагаемом устройстве измерительная катушка 10 и силовая катушка 2 расположены таким образом, что их магнитные поля взаимно перпендикулярны и не влияют друг на друга.A different arrangement of the measuring coil 10 (for example, as in the prototype) does not have a positive effect due to the coupling of magnetic fields between the measuring and power coils in this case, as a result of which the device is self-excited at an arbitrary frequency. In the case of measuring the rotation plane of the coil relative to the power coil 180 to the mobile unit ^on the excitation oscillation element does not occur. In the proposed device, the measuring coil 10 and the power coil 2 are arranged so that their magnetic fields are mutually perpendicular and do not affect each other.

Отличие предлагаемого устройства от прототипа заключается в изменении местоположения и конструкции измерительной катушки 10, использовании кольцевого магнита 7 в качестве магнитного маятника, введении усилителя низкой частоты. Причем измерительная катушка 10, усилитель низкой частоты 12 и силовая катушка 2 взаимосвязаны, т.е. между входом и выходом усилителя низкой частоты 12 через подвижной элемент 1 при работе устройства осуществляется положительная обратная связь. Введение положительной обратной связи через подвижной элемент 1 позволяет использовать предлагаемое устройство в режиме автогенерации электрических сигналов в усилителе низкой частоты 12 с частотой, равной собственной частоте механических колебаний подвижного элемента 1. Следовательно, предлагаемое устройство для определения физико-механических свойств кожи и других вязко-упругих материалов соответствует критериям "существенное различие" и "новизна". The difference between the proposed device and the prototype is to change the location and design of the measuring coil 10, the use of an annular magnet 7 as a magnetic pendulum, the introduction of a low-frequency amplifier. Moreover, the measuring coil 10, the low-frequency amplifier 12 and the power coil 2 are interconnected, i.e. between the input and output of the low-frequency amplifier 12 through the movable element 1 during operation of the device is a positive feedback. The introduction of positive feedback through the movable element 1 allows you to use the proposed device in the mode of auto-generation of electrical signals in the low-frequency amplifier 12 with a frequency equal to the natural frequency of the mechanical vibrations of the movable element 1. Therefore, the proposed device for determining the physicomechanical properties of the skin and other viscoelastic materials meets the criteria of "significant difference" and "novelty."

Значения модулей упругости E_c [МПа] для нескольких образцов кож, определяемых в статическом режиме по формуле Е_с E_c=

, где σ величина сжимающей нагрузки (напряжение, соответствующее статическому давлению на исследуемую кожу, МПа); ε деформация материала, возникающая под действием напряжения, и соответствующие значения резонансной частоты ν [Гц] приведены в таблице.The values of the elastic moduli E _c [MPa] for several skin samples, determined in a static mode by the formula E _with E _c =

where σ is the magnitude of the compressive load (stress corresponding to the static pressure on the test skin, MPa); ε material deformation arising under the action of stress, and the corresponding values of the resonant frequency ν [Hz] are given in the table.

Использование предлагаемого устройства значительно сокращает время испытаний материала по сравнению с прототипом. Точность определения физико-механических свойств материала увеличивается в 2 раза. Кроме того, использование предлагаемого устройства создает благоприятные условия для автоматизации контроля качественных показателей материалов, подбора различных кож и деталей с одинаковыми деформационными свойствами. Предлагаемое устройство может быть использовано для контроля отклонений величины жесткости искусственных полимерных материалов, плотности намотки полотна на приемный барабан, непосредственно в технологических линиях. Внедрение предлагаемого устройства на предприятиях легкой промышленности позволит получить положительный эффект. Using the proposed device significantly reduces the testing time of the material compared to the prototype. The accuracy of determining the physicomechanical properties of the material is doubled. In addition, the use of the proposed device creates favorable conditions for the automation of quality control of materials, the selection of various leathers and parts with the same deformation properties. The proposed device can be used to control deviations of the stiffness of artificial polymeric materials, the density of the winding of the canvas on the receiving drum, directly in the processing lines. The implementation of the proposed device at the enterprises of light industry will provide a positive effect.

Claims

DEVICE FOR DETERMINING THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF SKIN, containing a movable element, the upper part of which carries a power coil placed in a magnetic field of a permanent magnet, a suspension system of the movable element made in the form of three ring magnets located along the movable element and the middle of which is fixed to the last , and two other magnets are installed on the housing, and a measuring coil, characterized in that the power and measuring coils have a low-frequency amplifier, the output of which is connected to the coil ke power coil and the input coil connected to the measuring coil, the measuring coil is mounted so that the plane of its coils is parallel to the direction of movement of the movable element and comprises a cylindrical ferromagnetic core, located opposite and with a gap relative to the middle annular magnet suspension system.