Комбинированный прибор для определения прочностных характеристик ягод
COMBINED DEVICE FOR DETERMINING STRENGTH PROPERTIES OF BERRIES

Изобретение относится к области садоводства, а именно к средствам контроля прочностных характеристик ягод для оценки их физико-механических свойств.
Усилие отрыва ягод от плодоножки (или от ветви растения вместе с плодоножкой) и усилие раздавливания ягод относятся к прочностным характеристикам и являются одними из важных показателей качества сорта ягодной культуры, на получение заданных значений которых ведется селекционная работа. Эти показатели в существенной степени определяют производительность труда при ручном сборе урожая, пригодность сорта к механизированному сбору, потери при уборке, транспортировании и хранении, а также используются при разработке ягодоуборочных машин и механизмов [Пантелеева Е.И. Облепиха крушиновая (Hippophae rhamnoides L.): монография / Рос. акад. с.-х. наук. Сиб. отд-ние. Науч. исслед. ин-т садоводства Сибири. - Барнаул, 2006. - С. 63-66, 119-121]. Так, например, для облепихи селекция ведется на снижение усилия отрыва, а для жимолости - на его повышение. Усилие же раздавливания стремятся повысить для всех видов ягод. Обобщенной прочностной характеристикой, определяющей пригодность сорта ягодной культуры к механизированной уборке, является коэффициент относительной прочности ягод, который вычисляется как отношение разности усилий раздавливания и отрыва ягод к усилию отрыва и должен быть не менее 0,8 [Пантелеева Е. И. Облепиха крушиновая (Hippophae rhamnoides L.): монография / Рос. акад. с.-х. наук. Сиб. отд-ние. Науч. исслед. ин-т садоводства Сибири. - Барнаул, 2006. - С. 119]. Для определения названных параметров специалистами-садоводами используются пружинные динамометры и весы, которые имеют следующие недостатки: низкую точность; не имеют захватных и нажимных устройств (плунжеров), специально приспособленных для ягод; определение моментов отрыва и раздавливания, а также значений усилий в эти моменты осуществляется оператором визуально и субъективно.
Наиболее совершенными являются портативные электронные динамометры с функцией определения пикового значения, например, фирмы DACELL [URL:http://www.dacell.ru]. Однако они не приспособлены для исследований усилий отрыва и раздавливания ягод. Наиболее приспособленными для этих целей являются портативные электронные индикаторы силы, разработанные в ГНУ СибФТИ [патент РФ №2473060, МПК G01L 1/00. Прибор для измерения усилия отрыва ягод / В.В. Минеев, В.А. Золотарев, А.Ф. Алейников, В.М. Фурзиков. - Заявка №2011123048/28, заявлено 07.06.2011, опубл. 20.01.2013, бюл. №2], [патент РФ №2472123, МПК G01L 1/00. Прибор для измерения усилия раздавливания ягод / В.В. Минеев, В.А. Золотарев, А.Ф. Алейников, В.М. Фурзиков. - Заявка №2011128988/28, заявлено 13.07.2011, опубл. 10.01.2013, бюл. №1]. Их отличие состоит в том, что они снабжены соответственно специальными захватами ягод и нажимными раздавливающими устройствами, в том числе и управляемыми. Недостатком данных индикаторов силы является низкая производительность определения комплекса прочностных характеристик ягод садовых культур, так как они определяют только один параметр - либо усилие отрыва, либо усилие раздавливания, а для определения коэффициента относительной прочности ягод требуются дополнительные вычисления., Наиболее близким аналогом изобретения является комбинированный прибор, в котором совмещены функции определения усилия отрыва, усилия раздавливания и коэффициента относительной прочности ягод [патент РФ №2538401, МПК A01G 7/00, A01G 1/00, G01L 1/00. Прибор для определения прочностных характеристик ягод / В.В. Минеев, В.А. Золотарев, А.Ф. Алейников, В.Б. Морозов, А.С. Тихонов, В.М. Фурзиков. - Заявка №2013106086/13, заявлено 12.02.2013, опубл. 10.01.2015, бюл. №1]. Комбинированный прибор состоит из портативного корпуса, захвата ягод, устройства управления захватом ягод, подвижного подпружиненного штока с раздавливающей поверхностью (плунжером), механического привода штока. В портативном корпусе расположены кнопки управления, буквенно-цифровой жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), силоизмерительный датчик, подключенный к измерительно-вычислительному устройству, снабженному пиковым детектором, компенсатором тары и устройством определения коэффициента относительной прочности ягод. Устройство определения коэффициента относительной прочности ягод состоит из микроконтроллера и модуля памяти. Захват ягод выполнен в виде шарнирно соединенных неподвижной и подпружиненной подвижной захватных чашеобразных губок, причем неподвижная губка механически соединена с силоизмерительным датчиком через стержневой распределитель силы. Устройство управления захватом ягод закреплено на портативном корпусе и связано посредством нити (троса) с хвостовиком подвижной захватной губки для обеспечения открывания и закрывания захватных губок. Плунжер подвижного подпружиненного штока находится между захватными чашеобразными губками и выполнен так, чтобы при его движении, без ягоды между захватными губками, не было механического контакта с элементами захвата ягод, а при наличии ягоды - он прижимал ее к внутренней поверхности захватных губок. Механический привод штока также закреплен на портативном корпусе и представляет собой приводимый в действие пальцем оператора рычаг (ручку). Захват ягод обеспечивает отрыв ягоды, передачу усилия отрыва на силоизмерительный датчик и нахождение ягоды после отрыва между плунжером и захватными губками, внутренняя верхняя поверхность которых является опорной для ее раздавливания, а также передачу усилия раздавливания на силоизмерительный датчик от пальца оператора через ручку, подпружиненный шток и ягоду. Микроконтроллер обеспечивает вывод результатов измерения усилий раздавливания и отрыва ягод на экран буквенно-цифрового ЖКИ и запись их в модуль памяти, а также вычисление, вывод на экран и запись в модуль памяти коэффициента относительной прочности ягод, как отношение разности усилий раздавливания и отрыва ягод к усилию отрыва. Повышение производительности выполнения контрольных операций достигается за счет быстрого и удобного захвата ягод и улавливания их после отрыва, а также за счет совмещения в одном приборе нескольких операций: отрыва, раздавливания, определения усилия отрыва и усилия раздавливания, вычисления коэффициента относительной прочности. Недостатком данного комбинированного прибора является сложная конструкция захватно-раздавливающего устройства.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции прибора и улучшение его эргономичности за счет сокращения количества составных частей устройства захвата.
Технический результат в изобретении достигается тем, что в комбинированном приборе для определения прочностных характеристик ягод, состоящем из портативного корпуса с расположенными в нем кнопками управления, буквенно-цифровым ЖКИ, силоизмерительным датчиком, подключенным к измерительно-вычислительному устройству, снабженному пиковым детектором, компенсатором тары и устройством определения коэффициента относительной прочности ягод, а также захвата ягоды, механически соединенного с силоизмерительным датчиком через стержневой распределитель силы, подвижного раздавливающего плунжера, приводимого в движение подпружиненным штоком механического привода, закрепленного на портативном корпусе, причем плунжер расположен внутри захвата и выполнен так, что при его движении, без ягоды между ним и верхней внутренней поверхностью захвата, нет механического контакта с захватом, а при наличии ягоды - есть контакт за счет прижимания ягоды к верхней внутренней поверхности захвата, захват ягоды выполнен в виде закрытого с торцов полого тонкостенного цилиндра, в боковой поверхности которого симметрично образующим изготовлены верхнее и нижнее окна для размещения и ввода через них ягоды и штока механического привода соответственно, а в верхней торцевой части по радиусу, симметрично со стороны верхнего окна, сделана конусообразная прорезь для ввода плодоножки ягоды. Таким образом, при тех же функциональных возможностях, что и в прототипе, конструкция захвата практически состоит из одной детали - полого тонкостенного цилиндра. Кроме того, полость, внутри которой происходит раздавливание ягоды, в данной конструкции более закрытая, в результате чего ягодный сок меньше разбрызгивается в окружающее пространство, а стекает по стенкам цилиндра и собирается почти полностью в его донной части.
На фиг. 1 изображен внешний вид комбинированного прибора для определения прочностных характеристик ягод (вид спереди), на фиг. 2 - внешний вид комбинированного прибора для определения прочностных характеристик ягод (вид сзади).
Комбинированный прибор для определения прочностных характеристик ягод состоит из портативного корпуса 1, на передней стенке которого находятся кнопки управления 2, буквенно-цифровой ЖКИ 3, а на задней - смонтирован механический привод, состоящий из корпуса 4, подпружиненного штока 5 с ручкой 6, на конце которого закреплен раздавливающий плунжер 7. Внутри корпуса 1 размещено измерительно-вычислительное устройство, снабженное пиковым детектором, компенсатором тары и устройством определения коэффициента относительной прочности ягод (не показаны), силоизмерительный датчик (не показан), механически соединенный со стержневым распределителем силы 8, выходящим наружу через отверстие в корпусе 1. На другом конце распределителя силы 8 закреплен захват ягоды. Захват ягоды выполнен в виде закрытого с торцов полого тонкостенного цилиндра 9, в боковой поверхности которого симметрично образующим изготовлены верхнее и нижнее окна 10 и 11 для размещения и ввода через них ягоды 12 и штока 5 механического привода соответственно, а в верхней торцевой части по радиусу, симметрично со стороны верхнего окна 10, сделана конусообразная прорезь 13 для ввода плодоножки 14 ягоды 12. Плунжер 7 расположен внутри цилиндра 9 на конце штока 5 с зазором между ним и внутренней цилиндрической поверхностью. Шток 5 также не имеет механического контакта с цилиндром 9. Ягода 12 находится между плунжером 7 и верхней внутренней торцевой поверхностью цилиндра 9 как до, так и после отрыва.
Комбинированный прибор для определения прочностных характеристик ягод работает следующим образом.
Корпус 1 прибора необходимо взять в ладонь правой руки так, чтобы большой палец оказался около кнопок управления 2, а ось симметрии стержневого распределителя силы 8 совпала с предполагаемым направлением вектора силы растяжения, прилагаемой к плодоножке 14 ягоды 12. Перед началом измерений кнопками управления 2 прибор включается и, после установки его в исходное нулевое состояние посредством компенсатора тары измерительно-вычислительного устройства, запускается режим измерений «Усилие отрыва». Затем производится захват исследуемой ягоды 12. Для этого оператор подводит прибор к ягоде 12 со стороны, противоположной плодоножке 14, так, чтобы она вошла в верхнее окно 10 захвата. Затем прибор поворачивается так, чтобы плодоножка 14 ягоды 12 вошла в прорезь 13. Отрыв ягоды 12 осуществляется перемещением корпуса 1 на себя под тем же углом, при котором была произведена установка в исходное нулевое состояние. При этом плодоножка 14 натягивается, а возникающая сила растяжения через стержневой распределитель силы 8 передается на силоизмерительный датчик. Выходной сигнал силоизмерительного датчика преобразуется измерительно-вычислительным устройством в значения силы, которые отображаются на буквенно-цифровом ЖКИ 3. В момент отрыва максимальное значение силы (усилие отрыва) фиксируется пиковым детектором измерительно-вычислительного устройства, отображается на буквенно-цифровом ЖКИ 3 и, при нажатии соответствующей кнопки управления 2, запоминается в модуле памяти устройства определения коэффициента относительной прочности. Затем корпус 1 прибора необходимо взять в ладонь так, чтобы ось симметрии стержневого распределителя силы 8 находилась в положении, близком к вертикальному. Большим пальцем с помощью кнопок управления 2 производится сброс прибора в исходное нулевое состояние и запуск режима измерений «Усилие раздавливания». Затем производится раздавливание исследуемой ягоды 12. Для этого одним из пальцев левой руки оператор поднимает ручку 6 подпружиненного штока 5 вверх, при этом плунжер 7 прижимает ягоду 12 к верхней внутренней торцевой поверхности цилиндра 9 и раздавливает ее. При раздавливании ягоды 12 возникает сила растяжения, которая через стержневой распределитель силы 8 передается на силоизмерительный датчик, а ее максимальное значение (усилие раздавливания) фиксируется пиковым детектором измерительно-вычислительного устройства, отображается на буквенно-цифровом ЖКИ 3 и, при нажатии соответствующей кнопки управления 2, запоминается в модуле памяти устройства определения коэффициента относительной прочности. После отпускания оператором ручки 6, шток 5 возвращается в исходное состояние, показанное на фиг. 2. После нажатия соответствующей кнопки управления 2 производится запуск режима измерений «Коэффициент относительной прочности», при этом данные усилий отрыва и раздавливания ягоды извлекаются микроконтроллером устройства определения коэффициента относительной прочности из модуля памяти для вычисления коэффициента относительной прочности как отношения разности усилий раздавливания и отрыва ягод к усилию отрыва. После вычисления значение коэффициента относительной прочности запоминается в модуле памяти и отображается на буквенно-цифровом ЖКИ 3. По истечении определенного времени, если не было нажатий кнопок управления 2, питание прибора автоматически отключается. С целью исключения негативного воздействия вытекающего сока на оператора верхнее окно захвата может быть снабжено шторкой. Цилиндр 9 соединен с распределителем силы 8 с помощью разъемного резьбового соединения, что позволяет оперативно производить промывку внутренней полости цилиндра 9 моющими средствами.
Изобретение может быть осуществлено на базе широко представленных на рынке портативных силоизмерительных индикаторов и цифровых динамометров с функциями пиковых измерений и компенсации тары, состоящих из разборного корпуса с силоизмерительным датчиком, электроизмерительным устройством, буквенно-цифровым ЖКИ, кнопками управления и набором сменных крюков. Это могут быть, например, силоизмерительные индикаторы DN-FGA фирмы DACELL (Ю. Корея) [URL: http://www.dacell.ru], цифровые динамометры растяжения DPS фирмы IMADA [URL: http://www.tes-s.ru], силоизмерительные устройства BFG, CFG фирмы MECMESIN (Англия) [URL: http://www.mecmesin.ru]. Предлагаемая конструкция захвата ягод легко сопрягается с датчиками силы этих устройств путем замены штатных сменных крюков. Устройство определения коэффициента относительной прочности может быть встроено в корпус названных индикаторов силы и реализовано с применением следующих компонентов: микроконтроллер с соответствующим программным обеспечением - на микросхеме PIC16F876; модуль памяти - на микросхеме FM24C64 с сегнетоэлектрической памятью или, как вариант, в составе микроконтроллера.
Испытания экспериментального образца комбинированного прибора, изготовленного на базе силоизмерительного мини-тензодатчика 1X фирмы ZEMIC, модуля НХ711 аналого-цифрового преобразователя сигналов тензодатчика с цифровым интерфейсом компании AVIA Semiconductor, платы микроконтроллера Arduino Nano, ЖКИ компании Fordata (16×2, светодиодная подсветка), выявили следующие метрологические характеристики:
диапазон измерений силы от 0,10 до 6,00 H (от 10 до 600 Гс);
номинальная цена единицы наименьшего разряда кода 0,001 H (0,1 Гс);
пределы систематической составляющей основной абсолютной погрешности измерения силы ±0,008 H (±0,8 Гс);
предел среднеквадратического отклонения случайной составляющей основной абсолютной погрешности измерения силы 0,009 H (0,9 Гс);
частота измерений силы (80±1) Гц.