ДИЛАТОМЕТР
DILATOMETER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам, определяющим коэффициент линейного расширения образцов.
Изобретение может быть использовано для измерения линейных перемещений образца под воздействием температуры из различных материалов и для определения содержания углерода в углеродистых сталях.
Известен дилатометр (а.с. №200820, МПК G01B 5/02, от 28.03.66 г.), содержащий камеру для образца, печь, размещенную в камере, толкатель, крышку и измеритель перемещения. В верхней части толкателя укреплена игла, выведенная наружу через канал в крышке. Между иглой и стенкой канала имеется иммерсионный слой вакуумной замазки.
К недостаткам известного устройства относится то, что известное устройство ограничено функционально, так как рассчитано на использование материала образца, изменяющего длину в процессе нагрева, только при температуре выше 100°C (т.е. в основном для металлов). Кроме того, известное устройство конструктивно представляет собой неустойчивую систему установки толкателя и образца, следовательно, точность измерения недостаточна, особенно для материалов образца, меняющих объем, например, для полимеров и низкотемпературных материалов.
Наиболее близким к заявляемому устройству является дилатометр (Методические указания к лабораторным работам. Составители: Ярмонов Н.А. и др. ППИ, Пермь, кафедра «Общей физики», с.42-44, 1990 г.), который выбран в качестве прототипа. Устройство содержит измерительную ячейку, индикаторную головку, печь, размещенную в металлическом цилиндре на основании, асбоцементную втулку, опору для измерительного блока, ЛАТР. Измерительная ячейка включает кварцевую пробирку, кварцевый цилиндр, устанавливаемый под образец. Образец помещен в медный цилиндр. На образце размещена кварцевая пластинка. Имеется накидная гайка, жестко соединенная с верхней частью (торцом) кварцевой пробирки. В накидной гайке завернут до упора несущий цилиндр, в полости которого перемещается промежуточный толкатель. В верхнюю часть несущего цилиндра ввернута гайка, фиксируемая винтом, внутрь которой введен хвостовик измерительной головки, зафиксированной винтом. Прибор устанавливается вертикально.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - измерительный узел; нагревательная печь, подключенная к блоку регистрации температуры и блоку управления температурой; измерительный узел включает индикаторную головку с неподвижной и подвижной осями; толкатель, соединенный с подвижной осью индикаторной головки; кварцевую пробирку для исследуемого образца, установленную в нагревательную печь; кварцевый упор с диаметром, равным внутреннему диаметру кварцевой пробирки, размещенный в кварцевой пробирки и контактирующий с образцом; индикаторная головка и кварцевая пробирка соединены переходником, выполненным в виде полового цилиндра.
К недостаткам известного устройства, принятого за прототип, относится то, что известное устройство усложнено элементами взаимосвязи. Переходник состоит из двух элементов - стального несущего цилиндра и ввернутой в него стальной гайки, внутрь которой введена неподвижная ось измерительной головки и закреплена винтом; стальной несущий цилиндр и стальная гайка также закреплены винтом. Использование стали в качестве материала элементов переходника снижает точность результатов измерений. Верхняя часть кварцевой пробирки залита полиуретаном в накидной гайке, в которую до контакта со слоем полиуретана завернут несущий цилиндр, образуя неразъемное соединение. Что значительно усложняет процесс замены кварцевой пробирки в случае проведения исследований образцов с большим диаметром или при ее повреждении. Толкатель выполнен из двух элементов - собственно стального промежуточного толкателя и жестко соединенного с ним кварцевого стержня малого диаметра при помощи затяжки винта. Использование стального промежуточного толкателя снижает точность результатов измерений; винт для соединения элементов толкателя может привести к слому кварцевого стержня из-за его хрупкости. Кроме того, для исключения продавливания образца кварцевым стержнем, на верхний торец образца устанавливают кварцевую пластинку. Образец помещают внутри медного цилиндра, устанавливаемого в кварцевую пробирку (медный цилиндр служит для равномерного нагрева образца). Но так как медь сильный окислитель, то возможна реакция окисления одного из составляющих компонентов в зависимости от состава или всего исследуемого образца. Вертикальное положение измерительного узла также уменьшает точность результатов измерений для материалов с малым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), так как образец испытывает давление от элементов конструкции до проведения исследований. Толкатель и особенно подвижная ось измерительного прибора не защищены от нагрева, что сказывается на точности измерения длины образца в процессе испытаний. Устройство ограничено определением температурного коэффициента линейного расширения образца.
Задача изобретения - разработка устройства, позволяющего повысить точность определения температурного коэффициента линейного расширения образцов, изготовленных из различных материалов, и расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном дилатометре, содержащем измерительный узел и нагревательную печь, подключенную к блоку регистрации температуры и блоку управления температурой, при этом измерительный узел включает индикаторную головку с неподвижной и подвижной осями, толкатель, соединенный с подвижной осью индикаторной головки, кварцевую пробирку для исследуемого образца, установленную в нагревательную печь, размещенный в кварцевой пробирке кварцевый упор с диаметром, равным внутреннему диаметру кварцевой пробирки, и контактирующий с образцом, при этом индикаторная головка и кварцевая пробирка соединены переходником, выполненным в виде полового цилиндра, согласно изобретению измерительный узел и нагревательная печь установлены горизонтально, толкатель выполнен в виде монолитного цилиндра из кварца с диаметром, равным внутреннему диаметру кварцевой пробирки, и с плоской нижней торцевой поверхностью, контактирующей с образцом, на торце переходника со стороны крепления кварцевой пробирки установлен ограничитель, выполненный в виде кольца, переходник установлен с возможностью перемещения вдоль оси кварцевой пробирки и образования зазора между корпусом нагревательной печи и ограничителем переходника, при этом переходник выполнен из кварца со сквозными радиальными отверстиями под болты, посредством которых индикаторная головка и кварцевая пробирка соединены с переходником, причем переходник и кварцевая пробирка соединены болтом через металлическое кольцо, жестко закрепленное на боковой поверхности переходника, переходник и неподвижная ось индикаторной головки соединены болтом через металлическое кольцо, жестко закрепленное на внутренней поверхности переходника, при этом в металлических кольцах и боковых поверхностях переходника выполнены соосные сквозные радиальные отверстия под болт, а сквозное отверстие в кольцах имеет резьбу.
Целесообразно наличие наборов кварцевых упоров и кварцевых толкателей, отличающихся друг от друга длиной, зависящей от длины испытуемого образца.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - измерительный узел и нагревательная печь установлены горизонтально; толкатель выполнен в виде монолитного цилиндра из кварца с диаметром, равным внутреннему диаметру кварцевой пробирки, и с плоской нижней торцевой поверхностью, контактирующей с образцом; на торце переходника со стороны крепления кварцевой пробирки установлен ограничитель, выполненный в виде кольца; переходник установлен с возможностью перемещения вдоль оси кварцевой пробирки и образования зазора между нагревательной печью и ограничителем переходника; переходник выполнен из кварца со сквозными радиальными отверстиями под болты, посредством которых индикаторная головка и кварцевая пробирка соединены с переходником; переходник и кварцевая пробирка соединены болтом через металлическое кольцо, жестко закрепленное на боковой поверхности переходника; переходник и неподвижная ось индикаторной головки соединены болтом через металлическое кольцо, жестко закрепленное на внутренней поверхности переходника; в металлических кольцах и боковых поверхностях переходника выполнены соосные сквозные радиальные отверстия под болт; сквозное отверстие в кольцах имеет резьбу; наличие наборов кварцевых упоров и кварцевых толкателей, отличающихся друг от друга длиной, зависящей от длины испытуемого образца.
Расположение основных элементов дилатометра - измерительного узла и нагревательной печи горизонтально значительно упрощает установку испытуемого образца в кварцевую пробирку, позволяет избежать несоосности контактирующих элементов устройства - кварцевого толкателя и кварцевого упора (при условии взаимной параллельности их торцов) и дополнительного нагружения образца элементами конструкции, повышая, тем самым точность измерения.
Выполнение толкателя из кварца в виде монолитного цилиндра с диаметром, равным номинальному диаметру отверстия кварцевой пробирки, обеспечивает ему соосность с подвижной осью измерительного прибора, что упрощает конструкцию измерительного узла и повышает точность измерений.
Наличие на торце переходника со стороны крепления кварцевой пробирки ограничителя, выполненного в виде кольца, и кварцевого упора в пробирке обеспечивает регулирование положения образца в канале нагревательной печи таким образом, чтобы разница в температуре по длине образца была минимальной, что позволяет повысить точность измерений.
Переходник, установленный с возможностью перемещения вдоль оси кварцевой пробирки, выполненный из кварца, обеспечивает соединение кварцевой пробирки, кварцевого толкателя и измерительного прибора с образованием зазора между корпусом нагревательной печи и ограничителем переходника, изолирующего кварцевую пробирку и измерительный прибор (индикаторную головку) от теплового воздействия, что позволяет исключить влияние возможных изменений линейных размеров переходника и подвижной оси измерительного прибора на результаты измерений. Таким образом, переходник позволяет удалить зону воздействия температуры от измерительного прибора, а использование кварцевого стекла в качестве основного материала переходного элемента позволяет повысить точность измерений и облегчает визуальный контроль сборки измерительного узла.
Выполнение переходника со сквозными радиальными отверстиями под болты, посредством которых индикаторная головка и кварцевая пробирка соединены с переходником, обеспечивает соосность и возможность перемещения вдоль оси кварцевой пробирки в случае изменения размеров образца, упора и толкателя, что расширяет возможности исследований образцов различных размеров и образцов, изготовленных из различных материалов. А также позволяет повысить точность измерений за счет удаленности индикаторной головки от печи и за счет этого снижения температурного воздействия на нее.
Выполнение измерительного узла полностью разъемным значительно упрощает процесс замены кварцевой пробирки в случае проведения исследований образцов с большим диаметром или при ее повреждении.
Наличие наборов толкателей и упоров функционально расширяет возможности дилатометра: подбор длин упора и толкателя позволяет устанавливать испытуемые образцы различной длины.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 показан дилатометр в разрезе.
На фиг.2 показан измерительный узел в разрезе.
На фиг.3 показан график влияния содержания углерода в образцах из углеродистых сталей на увеличение их длины при нагреве до 1050°C.
Устройство содержит измерительный узел, нагревательную печь 1 (фиг.1), подключенную к блоку регистрации температуры и блоку управления температурой (на чертеже не показаны). Измерительный узел и нагревательная печь расположены горизонтально. Измерительный узел включает (фиг.1, 2) индикаторную головку 2 с неподвижной 3 (например, ИЧТ-10) и подвижной 4 (крепежной) осями, кварцевую пробирку 5 для исследуемого образца 6, вставленную в нагревательную печь 1. Подвижная ось 4 индикаторной головки 2 контактирует с кварцевым толкателем 7. Кварцевый толкатель 7 выполнен в виде монолитного цилиндра с диаметром, равным внутреннему диаметру кварцевой пробирки 5, и с плоской нижней торцевой поверхностью, контактирующей с образцом 6.
В кварцевой пробирке 5 размещен кварцевый упор 8 с диаметром, равным внутреннему диаметру кварцевой пробирки 5, контактирующий с образцом 6.
Устройство может быть снабжено набором кварцевых толкателей 7 и упоров 8. Кварцевые толкатели 7 отличаются друг от друга длиной и имеют диаметр, равный внутреннему диаметру кварцевой пробирки 4, и плоскую нижнюю торцевую поверхность, контактирующую с образцом 5. Кварцевые упоры 8 отличаются друг от друга длиной, зависящей от длины испытуемого образца 5. Неподвижная ось 3 индикаторной головки 2 и кварцевая пробирка 5 соединены переходником 9, выполненным в виде полового цилиндра. На торце переходника 9 со стороны крепления кварцевой пробирки 5 установлен ограничитель 10, выполненный в виде кольца. Переходник 9 установлен с возможностью перемещения вдоль оси кварцевой пробирки 5 и возможностью образования зазора между корпусом нагревательной печи 1 и ограничителем 10 переходника 9.
Переходиик 9 выполнен из кварца со сквозными радиальными отверстиями под болты 11, 12, посредством которых индикаторная головка 2 и кварцевая пробирка 5 соединены с переходником 9. Переходник 9 и кварцевая пробирка 5 соединены болтом 11 через металлическое кольцо 13, жестко закрепленное на боковой поверхности переходника 9. В кольце 13 и боковой поверхности переходника 9 выполнены соосные сквозные радиальные отверстия под болт 11. Сквозное отверстие в кольце 13 имеет резьбу. Переходник 9 и неподвижная ось 3 индикаторной головки 2 соединены болтом 12 через металлическое кольцо 14, жестко закрепленное на внутренней поверхности переходника 9. В кольце 14 и боковой поверхности переходника 9 выполнены соосные сквозные радиальные отверстия под болт 12, сквозное отверстие в кольце 14 имеет резьбу.
При измерении линейных перемещений образца под воздействием температуры устройство работает следующим образом (фиг.1-2).
Измеряют длину исследуемого образца с точностью до ±0,01 мм. Собирают измерительный узел на базе индикатора часового типа: испытуемый образец 6 осторожно помещают в кварцевую пробирку 5 до контакта с кварцевым упором 8. В кварцевую пробирку 5 вводят кварцевый толкатель 7. Длины кварцевого упора 8 и кварцевого толкателя 7 подбирают в зависимости от длины испытуемого образца 6. Кварцевую пробирку 5 с образцом 6 и кварцевым толкателем 7 вставляют в переходник 9. В переходник 9 с другой стороны вводят подвижную 4 и неподвижную 3 ось индикаторной головки 2. Взаимным перемещением в переходнике 9 кварцевой пробирки 5 и индикаторной головки 2 приводят в контакт кварцевый толкатель 7 и подвижную 4 ось индикаторной головки 2, таким образом, чтобы малая стрелка индикаторной головки 2 установилась на делении 2 мм. Закрепляют болтами 11, 12 в переходнике 9 кварцевую пробирку 5 с образцом 6 и кварцевым толкателем 7 с помощью прижимного кольца 13 и неподвижную ось 3 индикаторной головки 2 с помощью кольца 14. Такое положение обеспечивает оптимальное усилие поджатия образца 6. Устанавливают большую стрелку индикаторной головки 2 на "0". Вводят кварцевую пробирку 5 в отверстие печи 1 до находящегося на переходнике 9 ограничителя 10. Включают печь 1 - задают требуемую температуру и мощность нагрева печи 1. Снимают и фиксируют показания через необходимые интервалы времени. После достижения установленной температуры выключают печь 1 и записывают показания при последовательном медленном охлаждении образца 6.
Расчет коэффициента линейного термического расширения (ТКЛР) производят но формуле:
где ΔL - измеренное изменение длины образца в интересующем диапазоне температур, мм;
0
L - начальная длина образца, мм;
ΔT - разность температур образца, в диапазоне которых необходимо произвести расчет ТКЛР, °С;
-6
0,55·10 - коэффициент линейного расширения кварцевого стекла. Учитывает поправку от расширения кварцевой пробирки, которое на длине образца не компенсируется расширением кварцевого толкателя.
Строят дилатометрические кривые.
При определения содержания углерода в углеродистых сталях устройство работает следующим образом (фиг.1-2).
Измеряют длину исследуемого образца 6 с точностью до ±0,01 мм. Собирают измерительный узел на базе индикатора часового типа: испытуемый образец 6 осторожно помещают в кварцевую пробирку 5 до контакта с кварцевым упором 8. В кварцевую пробирку 5 вводят кварцевый толкатель 7. Длины кварцевого упора 8 и кварцевого толкателя 7 подбирают в зависимости от длины испытуемого образца 6. Кварцевую пробирку 5 с образцом 6 и кварцевым толкателем 7 вставляют в переходник 9. В переходнике 9 с другой стороны вводят подвижную 4 и неподвижную 3 ось индикаторной головки 2. Взаимным перемещением в переходнике 9 кварцевой пробирки 5 и индикаторной головки 2 приводят в контакт кварцевый толкатель 7 и подвижную ось 4 индикаторной головки 2, таким образом, чтобы малая стрелка индикаторной головки 2 установилась на делении 2 мм. Закрепляют болтами 11, 12 в переходнике 9 кварцевую пробирку 5 с образцом 6 и кварцевым толкателем 7 с помощью прижимного кольца 13 и неподвижную ось 3 индикаторной головки 2 с помощью кольца 14. Такое положение обеспечивает оптимальное усилие поджатая образца 6. Устанавливают большую стрелку индикаторной головки 2 на "0". Вводят кварцевую пробирку 5 в отверстие печи 1 до находящегося на переходнике 9 ограничителя 10. Включают печь 1 - задают требуемую температуру и мощность нагрева печи 1. Снимают и фиксируют показания через необходимые интервалы времени. Показания индикаторной головки 2 записывают в течение времени от момента ввода образца 6 в печь 1 до выхода печи 1 на 1050°C и затем выдержки при данной температуре до момента остановки стрелки индикаторной головки 2. Выключают печь 1 и ведут запись показаний индикаторной головки 2 и температуры до снижения температуры в печи 1 до 600°C.
По формуле (2) приводят удлинение образца при нагреве до 1050°C в делениях индикатора (0,01 мм) к образцу длиной 100 мм:
где ΔL - максимальная величина удлинения образца в делениях индикатора (0,01 мм);
0
L - начальная длина образца, мм;
100
ΔL - удлинение образца, приведенное к длине 100 мм.
По графику фиг.3 определяют содержание углерода в стали. Строят дилатометрические кривые. В точках перегиба кривой следует указать температуры, которые были в это время в рабочей зоне печи.
По сравнению с прототипом заявляемое устройство имеет преимущества:
1. позволяет более точно определять коэффициент линейного термического расширения за счет:
- введения в конструкцию кварцевого переходника, который удаляет зону воздействия температуры от измерительного прибора и облегчает визуальный контроль сборки измерительного узла;
- регулирования положения образца в канале нагревательной печи для его более равномерного нагрева в процессе исследования (с помощью кварцевого упора и кварцевого толкателя);
- горизонтального расположения нагревательной печи и измерительного узла, что исключает давление на образец от элементов конструкции до проведения исследований. Это особенно важно при испытании образцов из материалов с малым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР).
2. Позволяет исследовать образцы различной длины, изготовленные из различных материалов.
3. Измерительный узел изготовлен из кварца и включает меньше составных элементов, а значит менее материалоемок.
4. Имеет более широкие функциональные возможности (более универсально).