РУЧНОЙ СТАТИЧЕСКИЙ ТВЕРДОМЕР

Предлагаемое устройство относится к устройствам для определения физико-механических свойств металлов, в частности к устройствам для измерения твердости.
При определении твердости непосредственно в местах расположения трубопроводов, больших металлических объемов и т.д., используются переносные твердомеры, в которых вдавливание индентора осуществляется плавным нажатием руки на крышку измерительного устройства с усилием порядка 5 кг - 10 кг.
При испытании металла на твердость при помощи твердомера в процессе вдавливания индентора происходит автоматическая запись электрических сигналов датчиков устройства нагружения с одновременным отображением диаграммы вдавливания на дисплее электронного блока твердомера. Для статических твердомеров такими датчиками являются: тензо-датчик - для регистрации силы нагрузки, индуктивный датчик перемещения - для регистрации глубины внедрения индентора в металл.
Известен, взятый в качестве прототипа, портативный твердомер швейцарской фирмы ERNEST - «DYNATEST», в измерительном узле которого расположен датчик перемещения индентора индуктивного типа. (DYNATEST внесен в Государственный реестр средств измерений. ЗАО «ВИЛ» является официальным дилером фирмы ERNST в РФ. Адрес: 111141, г.Москва, 2-й проезд Перова Поля, т/факс 368-86-77, 368-75-63).
Регистрацию перемещения индентора и вычисление твердости при фиксированной нагрузке осуществляет электронный блок по прошитой в его памяти программе. Недостатками такого твердомера являются:
1. Большие геометрические размеры нагружающего устройства и вес (высота - 110 мм, диаметр - 70 мм., вес - до 1000 г.).
2. Сложность конструкции.
3. Недостаточная точность регистрируемых параметров.
Предлагаемым устройством решается задача повышения точности регистрируемых параметров; надежности, экономичности, эргономичности при проведении процедуры определения твердости в целом.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство,
содержащее механизм нагружения индентора, датчик линейного перемещения индентора и электронный блок регистрации перемещения индентора и вычисления твердости.
Отличительные признаки предлагаемого устройства заключаются в том, что его измерительный узел содержит датчик силы, выполненный из элемента Холла с высокой температурной стабилизацией. Этот элемент Холла закрепляется на нижней петле пружины сжатия механизма нагружения. Управляющим элементом для датчика Холла является постоянный магнит, установленный на инденторе. Датчик перемещения индентора выполнен из второго температурно-стабилизированного элемента Холла, закрепленного в корпусе твердомера. При этом его управляющим элементом является тот же постоянный магнит. Электронный блок устройства осуществляет запитку датчиков Холла постоянным напряжением, усиление, оцифровывание сигналов датчиков измерительного узла, индикацию диаграммы нагружения на ЖКИ дисплее и вычисление твердости испытуемого металла.
Свободный ход твердомера, т.е. перемещение индентора до контакта с поверхностью испытуемого металла в ручных твердомерах выставляется в пределах 3.5-4.0 мм. Элементы Холла датчиков силы и глубины устанавливаются на пружине сжатия и в корпусе твердомера. В конце свободного хода индентора они попадают в поле действия магнитного поля постоянного магнита, установленного на инденторе. Использование элемента Холла в качестве датчика силы и датчика глубины оказалось возможным благодаря его свойству вырабатывать электрический сигнал в магнитном поле пропорциональный величине магнитного поля, т.е., чем ближе постоянный магнит находится по отношению к элементу Холла, тем больше величина выходного сигнала
В результате практического применения предлагаемого устройства за счет применения в качестве датчиков силы и глубины элементов с электромагнитными свойствами, увеличивается точность регистрируемых параметров, надежность, экономичность и эргономичность при проведении процедуры измерения твердости в целом. Надежность и точность устройства увеличивается за счет того, что элементы конструкции твердомера, используемые в качестве датчиков, имеют постоянные характеристики и высокую температурную стабилизацию. Кроме этого, работа элементов Холла осуществляется от источника постоянного тока, что увеличивает помехозащищенность электрической схемы регистрации всех параметров и упрощает электрическую схему электронного блока твердомера.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-2. На фиг.1 - представлен общий вид ручного твердомера. На фиг.2 - представлен пример диаграмм вдавливания (зависимость силы от глубины).
Предлагаемое устройство для определения твердости металла включает измерительный узел и электронный блок, которые соединяются четырехжильным кабелем длиной один метр. По этому кабелю на датчики силы и перемещения поступает напряжение питания от электронного блока, на входные усилители которого поступают электрические сигналы от датчиков силы и перемещения.
Измерительный узел устройства (фиг.1) состоит из корпуса 1, индентора 2, пружины сжатия 3, датчика силы 4, постоянного магнита 5, датчика перемещения 6, возвратной пружины 7, нагружающего узла 8 и съемной контактной обоймы 9.
Электронный блок ручного статического твердомера состоит из входного двухканального усилителя постоянного тока 10, аналого-цифрового преобразователя 11, контроллера 12, флэш-памяти 13, жидкокристаллического индикатора 17, аккумулятора с преобразователем напряжения питания 14, 15 и клавиатуры из функциональных кнопок 16. С клавиатуры электронного блока твердомера можно задавать прописанные в контроллере 12 следующие процедуры: измерение твердости металла, заносить результаты твердости в память 13, осуществлять калибровку датчиков силы и глубины внедрения индентора в металл.
Перед началом работы устройства датчики твердомера подвергаются процедуре калибровки. Калибровка по силе проводится с помощью дисковых эталонов веса в один килограмм, а калибровка по глубине перемещения индентора осуществляется на калибровочном столике с помощью пластин эталонных мер толщины, начиная с 1 мм. до 1.2 мм. с шагом 0.01 мм. (10 мкм). Благодаря тому, что постоянный магнит имеет стабильное магнитное излучение, оказалось возможным провести более точную калибровку электрического сигнала элемента Холла на величину перемещения (глубину) индентора в мкм, а в качестве датчика силы индентора - калибровку пружины сжатия устройства нагружения в килограммах.
Следует отметить, что измерительные каналы твердомера (электронного блока) не содержат каких-либо регулировок, а сама калибровка датчиков проводится единожды, по той причине, что постоянный магнит имеет стабильную плотность магнитного излучения, а датчики Холла - высокую температурную стабильность.
Работа устройства (фиг.1) при испытании металла на твердость осуществляется в следующей последовательности: сначала измерительный узел устройства для определения твердости металла, внутри которого расположены и жестко закреплены
датчики силы 4 на пружине сжатия 3 и датчик перемещения 6 в корпусе измерительного узла 1, и постоянный магнит 5, закрепленный на инденторе 2 подводят к испытуемому металлу. Корпус измерительного узла 1 упирается своей нижней обоймой 9 в испытуемый металл. Далее при нажатии рукой на нагружающее устройство 8, в движении участвует только индентор 2, с установленным на нем постоянным магнитом 5 и датчик силы 4, закрепленный на силовой пружине сжатия 3. В начальном движении индентора при свободном ходе, до касания поверхности испытуемого металла, с датчиков твердомера нет электрических сигналов. Но, после того, как индентор 2 коснется поверхности металла, начинает работать пружина сжатия с большим усилием, вдавливая наконечник индентора в металл, начинают появляться сигналы с датчиков силы 4 и перемещения 6, поскольку элементы Холла начинают чувствовать магнитное поле магнита, на перемещающемся инденторе 2. Сигналы датчиков силы и перемещения индентора поступают в электронный блок твердомера, где проходят процедуру усиления 10, оцифровки 11 и помещения во флэш - память 13 электронного блока. Прошитая в контроллере 12 твердомера программа, регистрации и обработки, фиксирует начало появления сигнала с датчика силы, после чего начинает выводить сигналы перемещения и силы на ЖКИ дисплей 17 в виде диаграммы нагружения. По окончании кратковременного нажатия на нагружающее устройство измерительного узла, индентор за счет усилия возвратной пружины 7 возвращается в исходное положение, а рабочая программа заканчивает рисование диаграммы нагружения и в правом верхнем углу дисплея высвечивает величину измеренной твердости металла, по записанным параметрам датчиков силы и перемещения.
Пример. На фиг.2 показаны диаграммы вдавливания для металла с твердостью по Бринеллю равной 286 ед. и более мягкого металла с твердостью 137 ед.
В качестве датчиков силы и перемещения используется элемент Холла типа SS495A, имеющий геометрические размеры 4*3*1.5 мм, а в качестве управляющего элемента используется постоянный магнит в виде диска диаметром 5 мм и толщиной 2 мм, либо в виде пластины с такими же размерами по периметру. Так для датчика силы при шаге намотки пружины сжатия в 6 мм и расстоянии свободного хода в 4 мм необходимо, чтобы в этом положении расстояние между элементом Холла и постоянным магнитом, установленным на инденторе, было не более 3 мм. Для датчика перемещения индентора должно выполняться такое же условие.
Минимальные геометрические размеры датчиков позволяют сконструировать устройство с гораздо меньшими размерами и весом, что позволит более удобно
проводить измерения физико-механических свойств металлов фактически любой формы.
Предлагаемый ручной статический твердомер прошел лабораторные испытания, показав погрешность результатов в определении твердости при испытаниях металла не более 5%, что является хорошим показателем для приборов такого класса.
Предлагаемая полезная модель позволяет не только повысить точность определения твердости испытуемого металла, но и достаточно точно осуществлять экспресс диагностику и классификацию по механическим свойствам неизвестных образцов.