ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯГОД
DEVICE FOR DETERMINING STRENGTH CHARACTERISTICS 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 (ветви растения) 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 ягодо-уборочных 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 (инденторов), 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 [Минеев В.В., Алейников А.Ф., Золотарев В.А. Применение методов силоизмерительной техники при промышленном производстве облепихи // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2010. - №11. - С.79-85]. 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 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 изобретению является индикатор усилия отрыва ягод [Алейников А.Ф., Минеев В.В. Разработка силоизмерительных приборов для промышленного садоводства // Датчики и системы. - 2012. - №6. - С.39-42]. Прибор состоит из портативного корпуса, на переднюю стенку которого выведены кнопки управления и буквенно-цифровой жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). Внутри корпуса также размещен силоизмерительный датчик, подключенный к электроизмерительному устройству, снабженному пиковым детектором и компенсатором тары. Силоизмерительный датчик механически соединен со стержневым распределителем силы, выходящим наружу через отверстие в корпусе. На другом конце распределителя силы закреплен хвостовик неподвижной захватной чашеобразной губки с направляющим роликом, установленным на оси. Неподвижная захватная чашеобразная губка посредством другой оси шарнирно соединена с подвижной захватной чашеобразной губкой, также имеющей хвостовик. Совокупность захватных чашеобразных губок образует захват ягод. При сближении хвостовиков захватных чашеобразных губок их верхние кромки расходятся. К хвостовику подвижной губки прикреплена прочная гибкая нить (трос). Второй конец нити пропущен через отверстие в хвостовике и прикреплен с помощью регулировочной гайки к наружному концу подвижного штока устройства управления захватом так, что нить огибает направляющий ролик и в исходном состоянии не натянута. Подвижный шток снабжен ручкой для его перемещения оператором. В устройстве управления захватом, закрепленным на корпусе, установлена пружина, фиксируемая гайкой, а между захватными чашеобразными губками - другая пружина - для возврата соответственно подвижного штока и подвижной захватной чашеобразной губки в исходное состояние. Верхние кромки захватных чашеобразных губок, сходящиеся к плодоножке, выполнены с вырезами, исключающими повреждение плодоножки при закрытии захватных губок. Ягода свободно заключается в пространстве между захватными губками и остается там после отрыва. У данного индикатора силы тот же недостаток - он определяет тоже только один параметр - усилие отрыва, а для получения полной информации о физических свойствах ягодной культуры, в частности о пригодности к механизированной уборке, необходимо провести дополнительные измерения усилия раздавливания и вычисления коэффициента относительной прочности ягод, что приводит к дополнительным затратам, в том числе и времени.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности определения прочностных характеристик ягод путем расширения функциональных возможностей прибора за счет дополнительного определения усилия раздавливания и коэффициента относительной прочности ягод.
Технический результат в изобретении достигается тем, что в прибор для определения прочностных характеристик ягод, состоящий из портативного корпуса с расположенными в нем кнопками управления, буквенно-цифровым ЖКИ, силоизмерительным датчиком, подключенным к электроизмерительному устройству, снабженному пиковым детектором и компенсатором тары, а также захвата ягод, механически соединенного с силоизмерительным датчиком через стержневой распределитель силы и выполненного в виде шарнирно соединенных неподвижной и подпружиненной подвижной захватных чашеобразных губок, и устройства управления захватом ягод, закрепленного на корпусе и кинематически связанного с хвостовиком подвижной захватной губки для обеспечения открывания и закрывания захватных губок, введены подвижный подпружиненный нажимной шток, выполненный так, чтобы его нажимная поверхность находилась между захватными чашеобразными губками и при его движении без ягод не было механического контакта с элементами захвата ягод, а при наличии ягоды между захватными губками он прижимал ее своей нажимной поверхностью к внутренней поверхности захватных губок, механический привод нажимного штока, закрепленный на портативном корпусе, и устройство определения коэффициента относительной прочности ягод. Механический привод нажимного штока представляет собой приводимый в действие пальцем оператора подпружиненный рычаг, упирающийся другим концом в нажимной шток и закрепленный на полуоси, вмонтированной в пластину, на которой установлена также и направляющая втулка нажимного штока, при этом пластина закреплена на портативном корпусе. Устройство определения коэффициента относительной прочности ягод состоит из микроконтроллера, первый вход которого соединен с выходом электроизмерительного устройства, второй вход подключен к модулю памяти, а третий вход соединен с выходом шифратора, входы которого соединены с кнопками управления, при этом выход микроконтроллера подключен к буквенно-цифровому ЖКИ. Захват ягод, механически соединенный с силоизмерительным датчиком через стержневой распределитель силы и выполненный в виде шарнирно соединенных захватных чашеобразных губок, обеспечивает отрыв ягоды, передачу усилия отрыва на силоизмерительный датчик и нахождение ягоды после отрыва между захватными губками, внутренняя поверхность которых является опорной для ее раздавливания, а также передачу усилия раздавливания на силоизмерительный датчик от пальца оператора через подпружиненный рычаг, нажимной шток и ягоду. Микроконтроллер обеспечивает вывод результатов измерения усилий раздавливания и отрыва ягод на экран буквенно-цифрового ЖКИ и запись их в модуль памяти вместе с атрибутами объекта измерений (датой, наименованием садовой ягодной культуры, порядковыми номерами куста и ягоды), а также вычисление коэффициента относительной прочности ягод как отношение разности усилий раздавливания и отрыва ягод к усилию отрыва, и вывод его на экран буквенно-цифрового ЖКИ с одновременной записью в модуль памяти. Атрибуты объекта измерений задаются кнопками управления в режиме «Программирование», а определяемые параметры («Усилие отрыва», «Усилие раздавливания», «Коэффициент относительной прочности») выбираются ими в режиме «Работа». Повышение производительности выполнения контрольных операций достигается за счет быстрого и удобного захвата ягод и улавливания их после отрыва, в том числе и ягод с плотным расположением в кисти и затрудненным доступом к плодоножке (облепиха, виноград и т.п.), а также за счет совмещения в одном приборе нескольких операций: отрыва, раздавливания, определения усилия отрыва и усилия раздавливания, вычисления коэффициента относительной прочности.
На фиг.1 изображен чертеж внешнего вида прибора для определения прочностных характеристик ягод (вид сбоку), на фиг.2 - чертеж внешнего вида захватных чашеобразных губок (вид сверху), на фиг.3 - чертеж внешнего вида прибора для определения прочностных характеристик ягод (вид спереди), а на фиг.4 - структурная схема прибора для определения прочностных характеристик ягод.
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 смонтированы устройство управления захватом 4 и пластина крепления 5 направляющей втулки 6 нажимного штока 7 и полуоси 8 для установки подпружиненного рычага 9. Внутри корпуса 1 размещено электроизмерительное устройство 10, снабженное пиковым детектором и компенсатором тары (на фиг.1, 2, 3, 4 не показаны), силоизмерительный датчик 11, механически соединенный со стержневым распределителем силы 12, выходящим наружу через отверстие в корпусе 1. На другом конце распределителя силы 12 закреплен хвостовик 13 неподвижной захватной чашеобразной губки 14 с направляющим роликом 15, установленным на оси 16. Неподвижная захватная чашеобразная губка 14 посредством другой оси 17 шарнирно соединена с подвижной захватной чашеобразной губкой 18, также имеющей хвостовик 19. К хвостовику 19 подвижной захватной губки 18 прикреплена прочная гибкая нить (трос) 20 устройства управления захватом 4. Второй конец нити 20 пропущен через отверстия в нажимном штоке 7 и хвостовике 13 и прикреплен к наружному концу подвижного штока 21 устройства управления захватом 4 с помощью регулировочной гайки 22 так, что нить огибает направляющий ролик 15 и в исходном состоянии, показанном на фиг.1, обеспечивается ее ненатянутое состояние с помощью регулировочной гайки 22. Подвижный шток 21 снабжен ручкой 23 для его перемещения оператором. В устройстве управления захватом 4 установлена пружина 24, фиксируемая гайкой 25, а между захватными чашеобразными губками 14 и 18 - пружина 26 для возврата соответственно подвижного штока 21 и подвижной захватной чашеобразной губки 18 в исходное состояние, как показано на фиг.1. Верхние кромки захватных чашеобразных губок 14 и 18, сходящиеся к плодоножке 27, выполнены с вырезами 28 (см. фиг.2), исключающими повреждение плодоножки 27 при закрывании захватных губок 14 и 18. Ягода 29 свободно заключена в пространстве между захватными губками 14 и 18 и благодаря их чашеобразной форме остается там после отрыва. Подпружиненный рычаг 9 для привода в движение нажимного штока 7, подпружиненного пружиной 30, закреплен на полуоси 8, а нажимная плоскость 31 нажимного штока 7 находится в пространстве между захватными губками 14 и 18 (см. фиг.1 и 3). Выход силоизмерительного датчика 11 (см. фиг.4) подключен ко входу электроизмерительного устройства 10, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера 32. Второй вход микроконтроллера 32 подключен к модулю памяти 33, а третий вход соединен с выходом шифратора 34, входы которого соединены с кнопками управления 2, при этом выход микроконтроллера 32 подключен к буквенно-цифровому ЖКИ 3.
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 12 совпала с предполагаемым направлением вектора силы растяжения, прилагаемой к плодоножке 27 ягоды 29. Перед началом измерений кнопками управления 2 прибор включается и переводится в режим «Программирование» для ввода атрибутов объекта измерений (даты, наименования садовой ягодной культуры, порядковых номеров куста и ягоды) в модуль памяти 33 посредством шифратора 34 и под управлением программы микроконтроллера 32. Для определения прочностных характеристик ягод кнопками управления 2 прибор переводится в режим «Работа» и производится сброс прибора в исходное нулевое состояние (посредством компенсатора тары электроизмерительного устройства 10) и запуск режима измерений «Усилие отрыва». Затем производится захват исследуемой ягоды 29. Для этого указательным пальцем оператор перемещает ручку 23 подвижного штока 21 в направлении нижней части корпуса 1, в результате чего нить 20 тянет хвостовик 19 подвижной захватной чашеобразной губки 18, и верхние кромки захватных чашеобразных губок 14 и 18 расходятся. Не отпуская ручки 23, оператор вводит захватные губки 14 и 18 внутрь кисти ягод так, чтобы исследуемая ягода 29 оказалась между губками 14 и 18. Затем оператор отпускает ручку 23, нить 20 ослабевает, захватные чашеобразные губки 14 и 18 под действием возвратной пружины 26 смыкаются, плодоножка 27 оказывается внутри вырезов 28 захватных губок 14 и 18, а подвижный шток 21 устройства управления захватом 4 под действием пружины 24 возвращается в исходное состояние, показанное на фиг.1. Отрыв ягоды 29 осуществляется перемещением корпуса 1 на себя. При этом плодоножка 27 натягивается, а возникающая сила растяжения через стержневой распределитель силы 12 передается на силоизмерительный датчик 11. Выходной сигнал сопротивления силоизмерительного датчика 11 преобразуется электроизмерительным устройством 10 в цифровой код, который подается на первый вход микроконтроллера 32 и отображается на буквенно-цифровом ЖКИ 3. В момент отрыва максимальное значение силы (усилие отрыва) фиксируется пиковым детектором электроизмерительного устройства 10, отображается на буквенно-цифровом ЖКИ 3 и при нажатии соответствующей кнопки управления 2 запоминается в модуле памяти 33. Затем корпус прибора необходимо взять в ладонь так, чтобы ось симметрии стержневого распределителя силы 12 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 29. Для этого большим пальцем оператор нажимает на свободный конец рычага 9, при этом нажимная поверхность 31 нажимного штока 7 достигает поверхности ягоды 29, прижимает ее к внутренней поверхности захватных губок 14 и 18 и раздавливает. При раздавливании ягоды 29 возникает сила растяжения, которая через стержневой распределитель силы 12 передается на силоизмерительный датчик 11, а ее максимальное значение (усилие раздавливания) фиксируется пиковым детектором электроизмерительного устройства 10, отображается на буквенно-цифровом ЖКИ 3 и при нажатии соответствующей кнопки управления 2 запоминается в модуле памяти 33. После отпускания оператором рычага 9 нажимной шток 7 возвращается в исходное состояние, показанное на фиг.1 и 3. После нажатия соответствующей кнопки управления 2 производится запуск режима измерений «Коэффициент относительной прочности», при этом данные усилий отрыва и раздавливания ягоды извлекаются микроконтроллером 32 из модуля памяти 33 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 33 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 и электрическую часть прибора на нажимной шток 7 может быть надета резиновая манжета для сбора сока, а на захватные губки 14 и 18 - тонкий съемный резиновый чехол (на фиг.1, 2, 3 не показаны).
Изобретение может быть осуществлено на базе широко представленных на рынке портативных силоизмерительных индикаторов и цифровых динамометров, 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, а устройство управления захватом 4 и пластина крепления 5 устанавливаются на препарированную заднюю стенку корпуса 1. Остальные блоки структурной схемы (см. фиг.4) могут быть реализованы с применением следующих компонентов: микроконтроллер 32 - на микросхеме PIC16F876; шифратор 34 - на микросхеме 74AC148N; модуль памяти 33 - на микросхеме FM24C64 с сегнетоэлектрической памятью или как вариант в составе микроконтроллера 32.
Испытания экспериментального образца измерительной части прибора, изготовленного на базе электронного динамометра LYMAN (США) [URL: http://www.wht.ru], выявили следующие характеристики:
диаметр исследуемых ягод от 5 до 16 мм;
диапазон определяемых сил от 0,098 (10) Н (гс) до 19,60 (2000) Н (гс);
цена единицы наименьшего разряда 0,0196 (2,0) Н (гс);
пределы допускаемой систематической составляющей основной абсолютной погрешности силы в диапазоне от 0,098 (10) до 1,96 (200) Н (гс) ± 0,039 (4,0) Н (гс); в диапазоне от 1,96 (200) до 14,7 (1500) Н (гс) ± 0,098 (10) Н (гс); в диапазоне от 14,7 (1500) до 19,6 (2000) Н (гс) ± 0,196 (20) Н (гс).