ES2235610B2

ES2235610B2 - Instrumentos para la medida de las propiedades mecanicas de una membrana flexible.

Info

Publication number: ES2235610B2
Application number: ES200301737A
Authority: ES
Inventors: Gracian Triviño Barros
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: ES2235610A1

Abstract

Instrumento para la medida de las propiedades mecánicas de una membrana flexible. La invención consiste en un dispositivo que permite medir la deformación que se produce en una membrana cuando se la somete a un esfuerzo mecánico. A partir de esta medida se puede obtener la curva esfuerzo-deformación sobre la que es posible realizar el estudio de las características mecánicas del material. El instrumento está especialmente indicado para el ensayo de membranas sumergidas en medio líquido a las que convenga aplicar un esfuerzo uniformemente distribuido.

Description

Instrumento para la medida de las propiedades mecánicas de una membrana flexible.

Sector de la técnica

Instrumentos de medida de las propiedades mecánicas de los materiales. Bioingeniería. La invención está especialmente dirigida al sector de la Bioingeniería donde es necesario realizar ensayos mecánicos sobre materiales con forma de membranas de un espesor inferior a 1 mm y que, por sus características mecánicas, pueden sufrir una gran deformación con poco esfuerzo.

Estado de la técnica

La solución clásica al problema consiste en sujetar una muestra del material de forma rectangular entre dos garras. Mediante un sistema mecánico se aplica una fuerza conocida que tiende a separar esas dos garras deformando así la muestra una longitud que también puede ser medida.

Este tipo de configuración de la máquina de ensayos tiene varios inconvenientes importantes cuando se trata de materiales con estructura de membranas con poca resistencia mecánica. Esos inconvenientes son:

\bullet: La medida de las pequeñas fuerzas y desplazamientos implicados en el ensayo requiere de maquinaria muy precisa y por lo tanto de coste elevado.

\bullet: Las garras requieren un diseño complicado para tratar de evitar el desgarramiento de la muestra.

\bullet: No hay una solución fácil para la realización del ensayo con la membrana sumergida en un líquido.

En la actualidad están disponibles diferentes tecnologías para medir las propiedades mecánicas de este tipo de materiales. Unas pocas empresas multinacionales (EnduraTEC, INSTRON) proporcionan equipos de medida capaces de resolver el problema de obtener con precisión la curva esfuerzo-deformación de una membrana de estas características. Sin embargo los mecanismos que se utilizan para sujetar la membrana o para mantenerla húmeda, cuando esto es necesario, son complejos y admiten simplificaciones que permiten reducir los costes, facilitar las operaciones de montaje y desmontaje del experimento y ampliar las posibilidades de medida.

Explicación de la invención

La invención permite realizar estas mediciones sujetando la membrana uniformemente a lo largo de su perímetro circular mediante un dispositivo sencillo y por lo tanto de bajo coste y fácil manipulación.

Para aplicar el esfuerzo sobre la membrana se utiliza un fluido incompresible a las presiones que se van a utilizar en el experimento. La presión aplicada se mide con un sensor de presión. La deformación de la membrana se calcula midiendo el desplazamiento de un líquido contenido en un recinto en una de cuyas paredes está acoplada la membrana.

En la figura 1 se puede ver un esquema del dispositivo completo. La membrana (3) esta situada entre dos recintos rellenos por un fluido como puede ser el agua. Cuando el compresor (2) actúa, la presión en el recinto izquierdo aumenta. El valor de la presión aplicada a la muestra puede conocerse en todo momento mediante el sensor de presión (1). Esta presión hace que la membrana se deforme desplazando un cierto volumen del líquido contenido en el recinto derecho. En la pipeta (4), que ha sido inicialmente enrasada a un valor de referencia mediante la válvula de purga (5), se puede medir ese desplazamiento. De esta manera, la realización de distintas mediciones presión-volumen permite la obtención de la curva esfuerzo-deformación característica del material.

La membrana, de forma circular, se sujeta mediante dos cilindros huecos (9) y (10) que la comprimen a lo largo de su perímetro en una superficie en forma de arandela. Como orientación acerca de las dimensiones de un instrumento para la medida de una membrana de un material como el látex se puede considerar que el diámetro de la muestra puede ser de 40 mm. El área de sujeción de la muestra viene determinada por la diferencia entre el radio exterior e interior del cilindro hueco que será de 5 mm. La anchura de esta superficie puede aumentarse para trabajar con materiales que puedan deslizarse o sobre los que, por ser demasiado blandos, no convenga ejercer una presión de sujeción excesiva. También es posible aumentar el diámetro de los cilindros para evitar que el contacto con los bordes internos del cilindro de sujeción pueda dañar la membrana durante una deformación excesiva.

Al roscar los tapones (6) y (7) los cilindros internos se desplazan atrapando la membrana entre ellos. La figura 2 representa el dispositivo de soporte desarmado. Se puede ver cómo los dos cilindros internos sujetan la membrana por la presión que ejercen sobre ellos los tapones. El cilindro exterior (8) sirve de transmisor de las fuerzas de sujeción aplicada por los dos cilindros internos. Estos tapones van enroscados en las roscas (12) y (13) disponibles en los extremos de este cilindro externo. En cada uno de los tapones están incluidas las entradas y salidas del fluido al interior del recinto (11). Estas conexiones están diseñadas de tal manera que facilitan el purgado de aire de los recintos cuando es necesario.

Una característica importante de la invención es la posibilidad de construirla utilizando un material transparente, esto permite observar la evolución de la membrana durante la prueba y también capturar la imagen para procesarla en un ordenador si fuera necesario. El sensor de presión puede ser un manómetro observable directamente por el operador y también un sensor electrónico. La combinación de distintos medios electrónicos para medir la presión, el desplazamiento del líquido en la probeta y el control de la presión proporcionada por el compresor permiten automatizar el proceso de medida y conseguir así mejorar la resolución del instrumento.

Descripción de los dibujos

Las figuras 1 y 2 representan un esquema del dispositivo completo donde la figura 2 representa el recipiente de soporte de la membrana desarmado. En estas figuras se pueden identificar los siguientes elementos:

(1): Sensor de presión

(2): Compresor

(3): Membrana

(4): Probeta

(5): Válvula de purgado

(6): Tapón izquierdo

(7): Tapón derecho

(8): Cilindro externo

(9): Cilindro interno izquierdo

(10): Cilindro interno derecho

(11): Conexiones de acceso al recipiente

(12): Rosca del tapón izquierdo

(13): Rosca del tapón derecho

Exposición detallada de al menos un modo de realización de la invención

Una posibilidad de realización de la invención está basada en la utilización de los siguientes materiales: El cilindro exterior y los cilindros interiores. así como los tapones, se pueden fabricar con metacrilato. Los tubos de conexión pueden ser de silicona que será suficientemente rígida para no deformarse con las bajas presiones necesarias para ensayar este tipo de materiales. Como compresor se puede utilizar una jeringuilla que accionará el propio operador de la prueba. El manómetro será de 200 Kpa y la pipeta de 5 ml. Estos componentes se pueden adquirir en un comercio especializado en material de laboratorio de física y química.

Otra posible forma de realización de la invención es sustituir algunos de los componentes de bajo coste utilizados en la descripción por componentes electrónicos que van a permitir aumentar la precisión del instrumento: un compresor con un regulador de presión manejado por voltaje para obtener la presión, un sensor electrónico para medir la presión y una probeta observada mediante un sistema de visión artificial para medir el desplazamiento de la membrana, todos ellos manejados desde un ordenador.

Aplicación industrial

Medida de las características mecánicas de membranas en bioingeniería.

Claims

1. Instrumento para la medida de las propiedades mecánicas de una membrana circular flexible caracterizado por disponer de un recinto estanco formado por dos cilindros internos huecos y uno externo, también hueco, que se acoplan mediante dos tapones roscados al cilindro externo, manteniéndose la membrana fijada entre los dos interiores una vez se han enroscado los tapones, donde uno de los tapones tiene una entrada para un fluido a presión procedente de un compresor y una salida para conectar un sensor de presión y el otro tapón tiene una salida para extraer el fluido desplazado por la deformación de la membrana y una salida para purgar este fluido al comienzo del ensayo.

2. Instrumento para la medida de las propiedades mecánicas de una membrana flexible según reivindicación 1 caracterizado porque el recipiente se construye con un material transparente que permite observar el comportamiento de la membrana durante la prueba.

3. Instrumento para la medida de las propiedades mecánicas de una membrana flexible según reivindicaciones 1 a 2 caracterizado porque se utiliza una jeringuilla para generar la presión, un manómetro para medir la presión y una probeta para medir el desplazamiento de la membrana.

4. Instrumento para la medida de las propiedades mecánicas de una membrana flexible según reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque se hace uso de los siguientes componentes electrónicos para aumentar la precisión del instrumento:

\bullet: un compresor con un regulador de presión manejado por voltaje para obtener la presión,

\bullet: un sensor electrónico para medir la presión y

\bullet: una probeta observada mediante un sistema de visión artificial para medir el desplazamiento de la membrana,

todos ellos manejados desde un ordenador.