УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

Полезная модель относится к области определения механических свойств снега, а именно к устройствам для измерения твердости снежного покрова пастбищ в районах вечной мерзлоты и может быть использовано для экологических исследований в полевых условиях.
Известно устройство - пенетрометр для определения механических свойств снега, содержащий цилиндрический стакан для образца, штамп-поршень, Связанный с нагрузочным и измерительным элементами и средство перемещения. /1/
Недостатком известного устройства является то, что оно предназначено только для определения компрессионных свойств снега и дает возможности судить о твердости снежного покрова весьма приблизительно.
Известен пенетрометр для измерения твердости пористых материалов, содержащий стержень с индентором, размещенный на нем пьезоэлемент, груз, измерительный блок./2/
Недостатками известного пенетрометра является сложность изготовления оборудования, недолговечность точных приборов для измерений и затруднение использования их в полевых условиях, кроме того, индентор в виде обоюдоострого ножа не позволяет определить твердость снежного покрова с заданной точностью.
Наиболее близким по конструкции является устройство для определения механических свойств грунта, содержащее стержень-штангу с конусным индентором и закрепленные на штанге, набор стандартных грузов, упор, индикатор погружения и шаблон - реечную шкалу измерения погружения индентора /3/.
Недостатком известного устройства - пенетрометра является то, что он не может эксплуатироваться в полевых условиях;, и предназначен для
исследования отобранных проб грунта в лабораторных условиях, которое не требует большого усилия для проникновения индентора в грунт. Кроме того, оно является громоздким и неудобным при эксплуатации в полевых условиях.
Техническая задача заключается в упрощении устройства, снижении веса и себестоимости, достижении простоты и доступности при эксплуатации в полевых условиях, увеличения срока службы и обеспечении возможности измерения твердости и определения структуры снежного покрова для экологической обстановки в течение всего годичного цикла.
Поставленная задача решается таким образом, что в устройстве для измерения твердости и определения структуры снежного покрова, содержащем штангу с коническим индентором и закрепленными на ней: набором стандартных грузов, упором, индикатором погружения и реечной шкалой измерения, отличающееся тем, что индикатор погружения индентора выполнен в виде иглового указателя и жестко закреплен на конце штанги, набор стандартных грузов размещен между игловым указателем и упором с возможностью свободного перемещения и фиксацией на штанге на расстоянии, равном заданной высоте свободного падения грузов, а упор закреплен на штанге на расстоянии от вершины индентора, превышающем толщину исследуемого снежного покрова, при этом конический индентор имеет угол внедрения 45°, а реечная измерительная шкала смонтирована с возможностью свободной вертикальной установки на уровне снежного покрова. Кроме того, штанга может быть выполнена из твердого алюминия и сборно-разборной.
Предлагаемая конструкция устройства отличается от известной тем, что индикатор погружения индентора выполнен в виде иглового указателя и жестко закреплен на конце штанги, набор стандартных грузов размещен
между игловым указателем и упором с возможностью свободного перемещения и фиксации на штанге на расстоянии, равном заданной высоте свободного падения грузов, а упор закреплен на штанге на расстоянии от вершины индентора превышающем высоту исследуемого снежного покрова, при этом конический индентор имеет угол внедрения 45°, а реечная измерительная шкала смонтирована с возможностью свободной вертикальной установки.
Устройство позволяет измерять твердость всей толщи, а также отдельных слоев снежного покрова, то есть определять его структуру и, таким образом, вести наблюдения за климатическими изменениями в природе труднодоступных районов.
Устройство позволяет достаточно точно вычислить количество энергии, которое надо затратить, чтоб вытеснить 1 кубический сантиметр снега. При этом исполнение индентора обеспечивает сопоставимость удара с ударом копыта животного (оленя или овцебыка), что позволяет оценить доступность подснежного растительного корма для животных, что позволяет оценивать твердость не только всей толщи, но и отдельных слоев снежного покрова, то есть его структуру.
Размещение указателя на вершине штанги позволяет фиксировать глубину погружения прибора без больших физических нагрузок, выполнение прибора из легкого металла, к тому же с разъемной штангой, обеспечивает снижение веса и мобильность устройства, что особенно важно для исследований в полевых условиях Крайнего Севера и труднодоступных районах.
На чертеже представлено устройство для измерения твердости и структуры снежного покрова.
Устройство состоит из составной алюминиевой штанги 1 со стальным наконечником - индентором 2 на конце. Индентор выполнен
конусным, с углом конусности 45°. На вершине штанги 1 закреплен игловой указатель 3. В средней части штанги смонтирован набор грузов 4, с возможностью скольжения по штанге и фиксирования в заданном положении фиксатором 5. Между фиксатором 5 и индентором 2 жестко смонтирован упор 6. Устройство снабжено съемной реечной шкалой измерения 7, взаимодействующей с игловым указателем 3.
Устройство работает по принципу ударного пенетрометра. Набор стандартных грузов 4 закрепляют на расчетном расстоянии от упора 6. При съеме фиксации грузов они свободно падают на упор 6, передавая энергию удара всему устройству, и индентор 2 проникает на определенную глубину в снежный покров. Параллельно штанге установлена реечная шкала измерения 7, с помощью которой по перемещению иглового указателя 3 определяют глубину проникновения индентора 2 после удара стандартных грузов в упор 6.
Пример.
Груз, падая на платформу, передает энергию падения (удар) всему прибору и проникает на определенную глубину в снежный покров, что позволяет оценивать твердость не только всей толщи, но и отдельных слоев снежного покрова, то есть его структуру. На протяжении зимы происходит процесс перекристаллизации, образуется наст, снежный покров оседает и уплотняется. Разрезы снежного покрова к концу зимы отражают историю прошедших снегопадов и сопровождающих их климатических изменений, что важно для исследований в труднодоступных и отдаленных районах.
Калибруя прибор на местности, выбрана высота падения груза равная 30,7 см. При глубине снежного покрова порядка 20-25 см устройство достигает травяного покрова, в среднем, через 25-30 ударов груза (что соответствует 13-15 ударам копыта). В точке замера, рядом с
пенетрометром устанавливается мерная рейка, посредством которой измеряется глубина проникновения пенетрометра в толщу снега после каждого падения груза на упор. Предварительно, стальным метровым штырем измеряется (проверяется) глубина снежного покрова в точке измерения.
Для каждой точки производится, как правило, 5 измерений: одно в центре, четыре других в направлениях «север-юг», «восток-запад». Расчет твердости снега производят по формуле:
2
ΔE/V*100/g (кг/см),
где ΔЕ=m'Δh g+m"(h+Δh)g,
V=SΔh,
2
S=πD/4,
ΔЕ, джоули,
3
V, м- объем вытесненного снега,
2
S, м- площадь основания конуса,
D, м - диаметр основания конуса,
m', кг - масса прибора (без груза),
m", кг - масса груза,
h, м - высота падения груза (постоянная),
Δh, м - глубина погружения прибора за 1 удар груза,
2
g=9,81 м/сек - ускорение свободного падения,
π=3,14 - постоянная величина.
Источники информации:
1. SU №853472, кл. G01N 3/00, публ.07.08.81, БИ №29.
2. SU №1539583, кл. G01N 3/48, публ. 30.01.90, БИ №4
3. SU №520535, кл. GO1N 3/42, публ. 05.07.76, БИ№25/прототип/.