Автоматическая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов

(19) (11) ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ной о действия с другои под датчиком перемещения, подключен к входу бло и двумя серводвигателсвязанными с по торог.о выход а рег страции, нематими, к и оп чески рами, маятн ви тас, фЮ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР . ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(72) А.П. Платонов, В.Н. Трегубов, А.П. Горбачев и В.И. Кукушкин (71) Отделение Ордена Ленина института химической физики АН СССР (53) 620.178.311.62(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР Мф 590646, кл. С 01 И 11/16, 1975.2. Постников В.С. и др. Высоко- температурная установка с непрерывной регистрацией внутреннего трения и модуля упругости(54) (57) 1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ И .МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛОВ, содержащая .крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним иэ захватов исследуемого образца, датч:пс колебаний инерционного тела, два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к которой подклю" чены электромагниты и датчики колебаний, и блок регистрации, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности иэь.ерений за счет устранения влияния самопроизвольного закручивания образца,при 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 вторью захватом исследуемого образца размещены электро магниты, размещенным на одной из подвижных опор с возможностью взаимо система управления колебаниямиика содержит два блока управления, каждый из которых имеет два входа и два выхода, инвертор, выход которого подключен к пе)вому входу второго блока управления, а вход - к первому входу первого блока управления, триггер, входы которого подключены к первым выходам блоков управления, а выходы подключены к соответствующим электромагнитам, блокР 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 определения середины интервала времени, а вход второго - к выходу этого ус ройства, два ключа, выходы которь являющиеся вторым выходом блока управления, соединены с входом одного иэ серводвигателей, а управляющий вход одного иэ ключей является вторым входом блока управления, элемент НЕ-И, инвертирующий вход которого подключен к второму входу блокауправления, а неинвертирующий - к выходу второго одновибратора, и триггер, один из входов которого подключен к выходу элемента НЕ-И, другой -к выходу первого одновибратора, авыход - к управляющему входу другого ключа, датчик колебаний включаеттри индикатора углового положения112 б 837инерционного тела, один из которых вого положения инерционного тена выустановлен в плоскости равновесия полцены в виде дифференциальных оинерционного тела, а два других рас- тоэлементов, а на инерционном теле положены симметретрично первому, при- выполнены оптически связанные с индичем первый индикатор соединен с вхо- катарами метки в виде дугообразных дом инвертора, а другие индикаторы полос, расположенных на р эличном положения соединены с вторыми входа- расстоянии от оси вращения инерми соответствующих блоков управления, ционного тела, причем начала меток2.установка по п,1,о т л и ч а ю- на .одятся на одной линии , лежащей в щ я, тем, что индикаторы угло- плоскости равновесия.Изобретение относ тся к исследованию вяэкоупругих свойств материалов, а именно к устройствам для определения внутреннего трения и модуля упругости материалов. 5Известна установка для измерения внутреннего трения и модуля упругос". ти 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 воэможностью взаимодействия с вторым 15 захватом исследуемого образца, иблок регистрации ЦИзвестное устройство предназначено для измерения внутреннего трения при свободнозатухающих колебаниях 2 О образца, что требует длительного времени при исследованиях высокодобротных образцов материалов.Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является ав томатическая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов, содержащая крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним иэ 30 захватов исследуемого образца, датчик колебаний инерционного тела, два электромагнита для возбуждения крутильных колебаний маятника, систему управления колебаниями маятника, к З 5 которому подключены электромагниты и датчик колебаний, и блок регистрации 12Ланпая установка характеризуется недостаточной точностью иэ-эа влия" 4 О ния самопроизвольного закручивания образца на результаты измерений в процессе температурных испытаний и высокой трудоемкостью испытаний иэза необходимости калибровки установки на образце с известным внутренним трением.Цель изобретения - повьшение точности измерения эа счет устранения влияния самопроизвольного закручивания образца при нагреве на результаты измерений и снижение трудоемкости измерений эа счет исключения калибровки.Поставленная цель достигается тем, что автоматическая установка для измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов, содержащая крутильный маятник, инерционное тело которого жестко соединено с одним иэ 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 подвижными в радиальном направлении опорами, на которых с возможное.ью взаимодействия с вторым захватом исследуемого образца размещены электромагниты, размещенным на одной иэ подвыкных опор с воэможностью взаимодействия с другой подвижной опорой датчиком перемещения, выход которого подключен к входу блока регистрации, и двумя серводвигателями, кпнемати3 126837 4чески связанными с подвижными опорами, система управления колебаниями маятника содержит два блока управления, каждый из которых имеет двавхода и два выхода, инвертор, выходкоторого подключен к первому входувторого блока управления, а вход - кпервому входу первого блока управления, триггер, входы которого подключены к перв;,ч выходам блоков управления, а выходы подключены к соответствующим электромагнитам, блокуправления содержит включенное напервом 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 одногоиэ серводвигателей, а управляющийвход одного из ключей является вторым входом блока управления, элементНЕ-И, инвертирующий вход которогоподключен к второму входу блока уп-равления, а неинвертирующий - к выхо 30ду второго одновибратора, и триггер,один из входов которого подключен квыходу элемента НЕ-И, другой - к выходу первого одновибратора, а выход -к управляющему входу другого ключа,датчик колебаний включает три индикатора углового положения инерционноготела, один из которых установлен вплоскости равновесия инерционноготела, а два других расположены сим 40метрично первому, причем первый индикатор соединен с входом инвертора, адругие индикаторы положения соединены с вторыми входами соответствующихблоков управления. 25 45 При этом индикаторы углового положения инерционного тела выполнены в виде дифференциальных фотоэлемен- .тов,а на инерционном теле выполнены оптически связанные с индикаторами 50 метки в виде дугообразных полос, расположенных на различном расстоянии от оси вращения инерционного тела, причем начала меток находятся на одной линии, лежащей в плоскости 55 равновесия.Снабжение установки подвижнымиопорами с размещенными на них электромагнитами 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 нагревеи повысить точность путем устранения этого влияния на результаты измерений, а размещение на одной из подвижных опор с возможностью взаимодействия с другой подвижной опоройдатчика. перемещения и реализация способа измерения внутреннего трения,заключающегося в измерении размахаколебаний захвата образца, взаимодействующего с электромагнитами возбуждения при фиксированном значении размаха колебаний инерционного тела,позволяет исключить калибровку наобразце с известным внутренним трением и, тем самым, снизить трудоемкость измерений,На чертеже представлена схема автоматической установки для измерениявнутреннего трения и модуля упругости материалов. ) Установка содержит крутильный маятник, инерционное тело 1 которого жестко соединено с одним из захватов 2 исследуемого образца 3, датчик колебаний инерционного тела 1, включающий три индикатора 4, 5 и, 6 углового положения инерционного тела 1, причем индикатор 4 установлен в плоскости равновесия инерционного тела 1, а индикаторы 5 и 6 расположены симметрично индикатору 4, два электромагнита 7 и 8 для возбуждения крутильных колебаний инерционого тела 1, блок 9 регистрации, две подвижные в радиальном направлении опоры 1 О и 11, на которых с возможностью взаимодействия с вторым захватом 12 исследуемого образца 3 размещены электромагниты 7 и 8 для возбуждения крутильных колебаний маятника, что осуществляется, например, с помощью жесткого поводка 13, закрепленного на втором захвате 12 образца 3 и находящегося между полосами электромагнитов 7 и 8. Установка содержит также размещенный на одной иэ подвижных опор 10 с возможностью взаимсдействия с другой подвижной опорой 11 (например, с помощью измерительного щупа 4) датчик 15 персме 1126837 Ь1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 о 55 щения, выход которого подключен к входу блока 9 регистрации, два серводвигателя 16 и 17, кинематически свя" занныес подвижыими опорами 10 и систему управления колебаниями маят ника, к которой подключены электромагниты 7 и 8 и 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, ввгход которого являегся 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 времени, 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 1 б(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), триг- гер 32(33), один из входов которого подключен к выходу элемента НЕ-И 30 (31), другой - к выходу первого одно- вибратора 22(24); а выход -к управляющему входу другого ключа 27(29), инвертор 34, выход которого подключен к первому входу второго блока 19 управления,а вход в . к первому входупервого блока 18 управления, триггер 35, входы которого подключены к первым выходам блоков 18 и 19 управления, а выходы подключены к со= ответствующим электромагнитам 7 и 8, Первый индикатор 4 соединен с входом инвертора 34, а другиеиндикаторы 5 и 6 соединены с вторыми входами соответствующих блоков 18 и 9 управления. Индикаторы 4, 5 и 6 углового положения инерционного тела 1 выполнены в виде дифференциальных фотоэлементов, которые в случае недостаточности уровня сигнала, возникающег в них при колебаниях инерционного тела 1, могут быть набжены поцклю"., ченными к их выходу усилителями 36, 37 и 38, а на инерционном теле 1 выполнены оптически связанные 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 закрепляютв захватах 2 и 12 таким образом, чтобы начала меток 39 и 40 инерционноготела 1 находились в зоне индика;ора 4положения равновесия крутильного маятника, Затем возбуждают колебанияинерционного тела 1 с небольшой амп.":литудой, например, ручным переключением электромагнитови 8. Через 23 периода колебаний электромагниты 7и 8 подключают к выходам триггера 35.Далее управление переключением электромагнитов 7 и 8 происходит автоматически. При колебаниях инерционного тела 1 метки 39 и 40 воздействуют на индикатор 4 положения, сигналы которого через усилитель 36 иинвертор 34 подаются на первые входыблоков 18 и 19 управления, при этомустройство 20 определения серединыинтервала времени в течение одногополупериода, когда индикатор 4 положения взаимодействует с меткой 39,измеряет длительность этого полупериода, например, с помощью счетчикаи генератора импульсов (не показаны), а с началом следующего полупериода, когда индикатор 4 положения взаимодействует с меткой 40, информация, записанная в счетчике,сбрасывается с частотой, в два разабольшей, чем при заполнении его, ипри появлении на выходе счетчика нулей во всех разрядах, что соответствует середине полупериода, с выхода устройства 20 для определениясередины интервала времени сигналпоступает на вход триггера 35, который перебрасывается и переключаетэлектромагниты 7 и 8, поводок 13 захвата 12 отводит от электромагнита 7и притягивается к электромагниту 8,цри этом происходит дополнительноезакручивание образца 3 и таким образом вводится энергия в колебательмежду подвижными опорами 10 и 11. Вэтом случае серводвигатель 16 включен до тех пор, пока начала меток 39и 40 не пройдут индикатор 5 положенияв сторону индикатора 4 положения,срабатывание триггера 32 при этомблокируется сигналом с.усилителя 37на инвертирующий вход элементаНЕ-И 30. Работа второго блока 19управления и серводвигателя 17 про-исходит аналогично, только сигналына второй вход второго блока 19 управления поступают с усилителя 38,а серводвигатель 17 производит перемещение подвижной опоры 11 с электромагнитом 8. Таким образом, блоки 18 и 19 управления с помощью серводвигателей 16 и 17 устанавливаютразмах о колебаний поводка 13, ре-.гистрируемый с помощью датчика 15перемещений и блока 9 регистрациитак, что размах 0 колебаний инерционного тела 1 становится равнымзаданному углу между индикаторами 5и 6 положения. Логарифмический декремент колебаний определяется по соотношению г3 = 4 - , а динамический модуль сдвига - СР где Т - момент инерции колебательной системы; 1 - форм-фактор,определяемый формой образца; Тр - резонансная частота колебаний.Предлагаемая система управления позволяет автоматически отслеживать изменение положения инерционного тела 1 в результате самопроизвольногозакручивания образца 3 при его нагреве и одновременпым поворотом наодин и тот же угол подвижных опор 10и 11 устранить влияние этого закручивания на регистрируемую величину,при этом регистрируемое расстояниемежду подвижными опорами 10 и 11является мерой внутреннего тренияобразца, поэтому при данной регистрации внутреннего трения путем измерения размаха колебаний поводка 3отпадает необходимость производитькалибровочные испытания образца сизвестным уровнем внутреннего трения. 7 1126837ную систему (образец 3 - инерционноетело 1) крутильного маятника, чтоприводит к нарастанию размаха колебаний инерционного тела. 1. Во второмблоке 19 управления устройство 21 для определения серединыинтервала времениработает аналогично,но сигналы на негопоступают с инвертора 34 в момейтывремени, сдвинутые на величину полупериода колебаний инерционного тела 1. Таким образом, включение электромагнитов 7 и 8 происходит поочередно 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 . При этом, если при колебаниях инерционного теланачала меток 39 и 40 не доходят до индикатора 5 положения, 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 усилителя 37, соединенного с индикатором 5 положения, поэтому на вход триггера 32 поступает сигнал с выхода элемента НЕ-И 30. Триггер 32 вклю-д чает ключ 27 и серводвигатель 16 перемещает подвижную опору 10 электро. магнита , увеличивая расстояние между подвижными опорами 10 и 1, а значит и размах Колебаний. Серводви - 40 гатель 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 45 исходное положение, сигнал с управляющего входа ключа 27 снимается и серводвигатель 16 останавливается. Если же при колебаниях инерционноготела 1 начала меток 39 и 40 перехо дят индикатор 5 положения, то сигнал с усилителя 37 через второй вход первого блока 18 управления поступает на управляющий вход ключа 26 и серводвигатель 6 уменьшает расстояние1126837 ор Г. Огар К ред А,Бабинец Заказ 8683/3 2 Тираж 822 ВНИИПИ Государственного комите по делам изобретений и откр 13035, Москва, Ж, Раушская