ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель информационно-измерительной системы (ИИС) предназначена для измерения силы трения сдвига и движения и определения коэффициента внешнего трения сыпучего материала по поверхности материала и может быть использована в химической, микробиологической, фармацевтической промышленности, а также при производстве и использовании наноматериалов.
Аналогом данной модели является способ определения коэффициента внешнего трения скольжения (патент РФ на изобретение №2056039 от 10.03.1996 г.), заключающийся в том, что коэффициент трения определяют по углу в момент начала скольжения одного из образцов относительно другого при наклоне относительно горизонтальной плоскости двух образцов, расположенных один на другом. Момент начала скольжения определяют по изменению электрического сигнала на выходе закрепленной на одном из образцов или рядом с ним магнитоуправляемой интегральной логической микросхемы, обусловленного изменением положения этой микросхемы относительно постоянного магнита, установленного на втором образце.
Недостатком данного способа является то, что не учитывается температурная погрешность измерения, вызванная влиянием изменением температуры окружающей среды на магнитоуправляемую микросхему.
сд
сд
Прототипом данной модели является способ определения коэффициента внешнего трения почвы (патент РФ на изобретение №2139521 от 30.09.1997 г.), включающий операцию регистрации силы N, прижимающей почвенный образец к поверхности трения, измерение силы Р, сдвигающей почвенный образец по поверхности трения, и определение величины отношения сдвигающей силы Р к силе N.
Недостатком данного способа является то, что при применении его к сыпучим материалам при начале движении испытуемого образца будут изменяться геометрические размеры этого образца из-за действия силы N, что приведет к большой погрешности измерения силы сдвига, а также невозможность измерения силы трения движения.
Целью создания полезной модели ИИС является автоматизация процесса определения коэффициентов внешнего трения покоя и движения сыпучего материала и повышение его точности.
На фиг.1 показана модель ИИС для измерения силы трения сдвига и силы трения движения сыпучего вещества. Модель работает следующим образом.
На пластину 1 из исследуемого материала устанавливается контейнер 4, представляющий собой кольцо, в который засыпается исследуемый сыпучий материал 3. На открытую поверхность материала устанавливается металлический диск с дополнительным грузом 2. Диаметр диска на 0,1÷0,5 мм меньше внутреннего диаметра кольца. Контейнер связан с одним из концов пружины 10 гибкой тягой 7 через опорный ролик 6. Ко второму концу пружины крепится гибкая тяга 16, вторым концом соединенная с барабаном 17, который приводится во вращение электродвигателем 18. К верхнему концу пружины крепится жесткая тяга 11, вторым концом жестко связанная с защитным корпусом оптрона 15 с открытым каналом связи (октрона). К нижнему концу пружины крепится вторая жесткая тяга 12, вторым концом жестко связанная с заслонкой 13 октрона. Управление электродвигателем и регистрация данных с октрона осуществляется компьютером 8 через устройство сопряжения 14. Направление движения указано стрелками 5. В позиции 9 показано рабочее состояние пружины. Конструктивно октрон представляет собой дифференциальный оптический датчик с линейными характеристиками, температурная компенсация которого осуществляется способом, заключающимся в том, что определяют постоянные величины k и С, зависящие от температуры, по экспериментальным данным, полученным в статическом режиме (т.е. Δх=0) при изменяющейся температуре окружающей среды, регрессией линейной функции
0
0
1X
0
y=U-U=k·U+k·Δx+C=k·U+C
0
1X
1X
где y - разность напряжений опорного U и измерительного U первичных преобразователей (фотодиодов) датчика, k - коэффициент пропорциональности, Δх - изменение линейного размера пружины под действием движущей силы. При измерениях осуществляют преобразование сигналов датчика из аналоговых в цифровые. Вычислительное устройство вычисляет значение движущей силы k·Δx по формуле:
1X
0
k·Δx=U·(1-k)-U-C
0
где U - числовое значение напряжения с опорного ПП; U - числовое значение напряжения с измерительного первичного преобразователя; k, С - вычисленные постоянные.
В предложенной модели ИИС поз.10-15 составляют измерительный компонент ИИС, поз.14 является связующим компонентом ИИС, поз.8 является вычислительным компонентом ИИС, а поз.1, 2, 4, 6, 7, 16-18 являются вспомогательными компонентами ИИС. Таким образом предложенная модель ИИС полностью соответствует типовой структурной схеме ИИС согласно ГОСТ Р 8.596-2002.
По существу процесс определения силы сдвига и движущей силы сводится к косвенному измерению, в соответствии с законом Гука, линейного размера Δх пружины, а, так как пружина соответствующим образом связана с октроном, то изменение ее размера Δх вызывает перемещение заслонки октрона и изменение освещенности измерительного фотодиода и, следовательно, изменение напряжения на выходе октрона, регистрируемое компьютером. Таким образом, пружина является чувствительным элементом (ЧЭ) измерительного компонента (ПК) ИИС, а октрон является первичным измерительным преобразователем (ПИЛ) ИК ИИС.
cдк
двк
cд
дв
cдм
двм
Процесс измерения осуществляется в два этапа по программе, выполняемой компьютером. На первом этапе определяется сила сдвига Р и движущая сила Р, действующие на пустой контейнер. На втором этапе определяется сила сдвига Р и движущая сила Р, действующие на контейнер с образцом сыпучего материала. Сила сдвига Р и движущая сила Р сыпучего материала определяются как разность данных второго и первого этапов, что позволяет компенсировать систематические погрешности измерения. Таким образом:
Р<sub>сдк</sub>=k<sub>1X</sub>·Δx<sub>сдк</sub>
Р<sub>сд</sub>=k<sub>1X</sub>·Δx<sub>сд</sub>
Р<sub>двк</sub>=k<sub>1X</sub>·Δx<sub>двк</sub>
Р<sub>дв</sub>=k<sub>1X</sub>·Δx<sub>дв</sub>
сдм
сд
сдк
1X
сд
1X
сдк
1X
сд
сдк
Р=Р-Р=k·Δx-k·Δx=k·(Δx-Δx)
двм
дв
двк
1X
дв
1X
двк
1X
дв
двк
Р=Р-Р=k·Δx-k·Δx=k·(Δx-Δx)
мат
диск
P=P+P
мат
диск
1X
где Р - сила нормального давления, Р - вес сыпучего материала, Р - вес диска с дополнительным грузом, k - коэффициент пропорциональности, Δх с соответствующим индексом - изменение линейного размера пружины под действием соответствующей силы.
Нормальное напряжение на границе "материал-поверхность" σ равно , где S - площадь круга с диаметром равным внутреннему диаметру контейнера.
cд
cд
трсд
cд
ТРСД
СД
Касательные напряжения на границе "материал-поверхность" в момент перехода от покоя к движению (сдвига) τ равно . В этом случае угол сдвига φ будет равен , а коэффициент внешнего трения в момент сдвига f будет равен тангенсу угла сдвига φ f=tg(φ).
Проведя соответствующие подстановки, получаем:
,
0СД
0СДК
СД
СДК
где U - напряжение на опорном фотодиоде в момент сдвига контейнера с материалом; U - напряжение на опорном фотодиоде в момент сдвига пустого контейнера; U - напряжение на измерительном фотодиоде в момент сдвига контейнера с материалом; U - напряжение на измерительном фотодиоде в момент сдвига пустого контейнера.
дв
дв
тр
дв
Аналогично, при движении с постоянной скоростью загруженного контейнера по поверхности касательные напряжения на границе "материал-поверхность" τ будут равны , при этом угол движения φ будет равен , а коэффициент внешнего трения сыпучего материала f будет равен тангенсу угла движения φ:
.
трсд
тр
Таким образом, зная вес образца сыпучего материала, вес диска, вес дополнительного груза и проведя косвенные измерения сил сдвига и движущих сил, пропорциональных изменению линейного размера пружины, определяем коэффициенты внешнего трения покоя (f) и движения (f) по программе, использующей приведенные выше алгоритм с компенсацией температурной погрешности измерения, формулы и зарегистрированные ПЭВМ данные.