Прибор для определения прочностных характеристик ягод

Изобретение относится к области садоводства, а именно к средствам контроля для оценки физико-механических свойств ягод. Прибор состоит из портативного корпуса с расположенными в нем кнопками управления, буквенно-цифрового жидкокристаллического индикатора, силоизмерительного датчика, подключенного 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 чашеобразной губки для обеспечения открывания и закрывания захватных губок. Дополнительно в прибор 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. Устройство обеспечивает повышение производительности выполнения контрольных операций за счет совмещения операций. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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).

1. Прибор для определения прочностных характеристик ягод, состоящий из портативного корпуса с расположенными в нем кнопками управления, буквенно-цифровым жидкокристаллическим индикатором, 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 чашеобразной губки для обеспечения открывания и закрывания захватных губок, отличающийся тем, что в него 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.

2. Прибор для определения прочностных характеристик ягод по п.1, отличающийся тем, что механический привод нажимного штока выполнен в виде приводимого в действие пальцем оператора подпружиненного рычага, упирающегося другим концом в нажимной шток и закрепленного на полуоси, вмонтированной в пластину, на которой установлена также и направляющая втулка нажимного штока, при этом пластина закреплена на портативном корпусе.

3. Прибор для определения прочностных характеристик ягод по п.1 или 2, отличающийся тем, что 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 жидкокристаллическому индикатору.