ПЕНЕТРОМЕТР

Полезная модель относится к контрольно-испытательной технике и может быть использована для измерения твердости слоистых материалов.
Известен ультразвуковой твердомер, содержащий корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и расположенные внутри корпуса акустический стержневой резонатор с опорным диском, имеющим сферическую боковую поверхность, контактирующую с внутренней поверхностью корпуса с возможностью свободного перемещения вдоль нее и поворота в любом направлении. Индентор закреплен на конце стержневого резонатора, а нагрузочная пружина, установлена соосно корпусу между опорным диском и торцевой поверхностью корпуса. Со стержневым резонатором акустически согласованы первый и второй пьезопреобразователи.
Твердомер содержит блок питания, микроконтроллер, интерфейс, энергонезависимую память и дисплей, причем блок питания соединен с микроконтроллером, подключенным выходами к интерфейсу, энергонезависимой памяти и дисплею, а первый пьезопреобразователь соединен с выходом микроконтроллера, а второй - с его входом (RU 88805 [1]). Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет определять свойства слоистых структур, слои которых отстоят друг от друга на значительном расстоянии.
Известен пенетрометр для растущих деревьев, содержащий полый корпус, внутри которого размещены нагружающее и измерительное устройства, а снаружи установлена направляющая трубка. Внутри трубки, с возможностью продольного перемещения, размещен силовой шток, взаимодействующий одним концом с последовательно расположенными измерительным и нагружающим устройствами, а другим концом с индентором, выполненным в виде шарнирно установленной на штоке поворотной пластины с измерительной площадкой. Площадка выполнена на боковой стороне пластины, и закругленным торцом, взаимодействующим с упором, установленным на заглушке трубки, при этом измерительное устройство выполнено в виде указателя, установленного на штоке с возможностью перемещения по щели в корпусе вдоль нанесенной на нем шкалы перемещений штока. Шток оборудован возвратной пружиной и взаимодействует своим торцом с силовой пружиной нагружающего устройства, также снабженной указателем перемещения ее заднего торца относительно корпуса вдоль второй шкалы, нанесенной на корпусе, в который упирается нагружающий винт, завинченный в корпус (RU 93989 [2]). Недостатком известного устройства является ограниченность применения, поскольку оно предназначено только для измерения качества древесины на корню.
Известен пенетрометр для определения консистентных свойств битумов, включающий корпус, на котором смонтированы рабочее и измерительное устройства. Первое содержит пенетрационную иглу с грузиками, кинематически связанную с пусковым механизмом, а второе - измерительную метрологическую шкалу с делениями. На пенетрационной игле установлена оптопара, образованная оппозитно размещенными источником света и приемником, электрически замкнутыми на блок управления, между которыми на просвет помещена измерительная шкала из светопроницаемого материала, при этом пусковой механизм так же электрически связан с блоком управления (RU 25796 [3]). Недостатком известного устройства является ограниченность применения, поскольку оно предназначено только для измерения консистентных свойств битумов.
2
3
Наиболее близким по своей технической сущности является пенетрометр, известный из SU 1539583 [4]. Известный пенетрометр содержит связанный с измерительным блоком пьезоэлемент, размещенный на инденторе, выполненном в виде стержня с наконечником в виде обоюдоострого ножа переменного сечения. Боковые кромки ножа во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных оси стержня, выполнены криволинейными и отношение площадей в указанных плоскостях выбрано в пределах 1:3-1:10. При этом огибающие этих сечений представляют собой параболы с кривизной y=ax, где a=0,8-5,0 для большего и y=bx, где b=190-290, для меньшего, где x,y - размеры наконечника во взаимно перпендикулярных направлениях.
Недостатком известного устройства является то, что он не позволяет в процессе одного измерения определить анизотропию исследуемого материала, поскольку в некоторых случаях наконечник пенетрометра может перемещаться внутри тонкого однородного слоя и чтобы исключить это, приходится проводить неоднократные измерения в нескольких разных точках с изменением ориентации плоскости наконечника.
Предлагаемый пенетрометр направлен на обеспечение возможности определения анизотропии исследуемого слоистого материала, например, снежного покрова, за одно измерение.
2
3
Указанный результат достигается тем, что пенетрометр содержит связанный с измерительным блоком пьезоэлемент, размещенный на инденторе, выполненном в виде стержня с наконечником в виде обоюдоострого ножа переменного сечения, боковые кромки которого во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных оси стержня, выполнены криволинейными и отношение площадей в указанных плоскостях выбрано в пределах 1:3-1:10 при этом огибающие этих сечений представляют собой параболы с кривизной y=ах, где а=0,8-5,0 для большего и y=bx, где b=190-290, для меньшего, где x, y - размеры наконечника во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом наконечник снабжен вторым элементом в виде обоюдоострого ножа переменного сечения, идентичным первому и размещенным так, что каждое из сечений наконечника в плоскости, перпендикулярной оси стержня представляет собой крестообразную фигуру, симметричную оси симметрии четвертого порядка.
Указанный результат достигается также тем, что острия обоих обоюдоострых ножей совмещены в одной точке.
Указанный результат достигается также тем, что острия обоих обоюдоострых ножей смещены относительно друг друга вдоль оси симметрии четвертого порядка наконечника.
Выполнение наконечника в форме обоюдоострого ножа переменного сечения, боковые кромки которого во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных оси стержня, выполнены криволинейными и отношение площадей в указанных плоскостях выбрано в пределах 1:3-1:10 обеспечивает ассиметричность, обтекаемость при сохранении необходимой жесткости и оптимального затухания собственных колебаний в наконечнике, как акустическом волноводе.
Применение наконечника ассиметричной формы с отношением миделевых сечений в перпендикулярных плоскостях 1:3-1: 10 способствует созданию максимальных сдвиговых напряжений при минимальных сжимающих напряжениях, при этом также создаются условия, при которых обломки среды успевают «вытечь» из зоны давления и способствует оптимальному выделению полезного сигнала, а, следовательно, и достоверности измерений.
2
В результате проведенных экспериментов с наконечниками, имеющими различную кривизну боковых кромок, установлены их оптимальные формы. В частности, при кривизне кромок в большем сечении, описываемой функцией y=ax с коэффициентом «а» меньшем, чем 0,8 начинает сказываться эффект уплотнения перед индентором вследствие уменьшения обтекаемости наконечника, а при коэффициенте «а» большем 5 теряется ассиметричность, что влияет на точность определения механических характеристик исследуемого материала.
3
При кривизне кромок в плоскости с меньшим сечением, описываемой функцией y=bx с коэффициентом «b» меньшем, чем 190, начинает сказываться начинает проявляться эффект уплотнения перед индентором вследствие уменьшения обтекаемости наконечника, а при большем, чем 290 начинает сказываться потеря жесткости и потеря полезных функциональных свойств.
Снабжение наконечника вторым элементом в виде обоюдоострого ножа переменного сечения, идентичным первому и размещенным так, что каждое из сечений наконечника в плоскости, перпендикулярной оси стержня представляет собой крестообразную фигуру, симметричную оси симметрии четвертого порядка обеспечивает синхронное измерение механических характеристик слоистого материала в двух ортогональных плоскостях.
Выполнение наконечника так, что острия обоих обоюдоострых ножей совмещены в одной точке, позволяет определять постоянную составляющую анизотропии структуры исследуемого материала.
Выполнение наконечника так, что острия обоих обоюдоострых ножей смещены относительно друг друга вдоль оси симметрии четвертого порядка наконечника позволяет определять морфологические отклонения в слоях исследуемого материала.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примерами реализации и чертежами.
На фиг. 1 схематично показана принципиальная схема устройства, когда острия обоих обоюдоострых ножей совмещены в одной точке.
На фиг. 2 схематично показана принципиальная схема устройства, когда острия обоих обоюдоострых ножей смещены относительно друг друга вдоль оси симметрии четвертого порядка наконечника.
На фиг. 3 показаны проекции наконечника, когда острия обоих обоюдоострых ножей совмещены в одной точке.
Пример. Пенетрометр содержит полый стержень 1, приводимый в движение метателем (на чертеже не показан), жестко соединенный с наконечником 2. Пьезоэлектрический элемент 3 жестко соединен нижним основанием с наконечником 2, а верхним - с грузом 4. Электроды, нанесенные на торцевые поверхности пьезоэлектрического элемента 3, электрически соединены с входом предусилителя 5. Питание предусилителя 5 осуществляется от стандартного источника питания 6 с напряжением 9 вольт. Выход предусилителя соединен с показывающим прибором или прибором оперативной памяти 7, в качестве которого может использоваться, например, наладонный компьютер или ноутбук или планшет с соответствующим программным обеспечением. Показания могут быть сохранены на жестком диске 8 компьютера. Для надежной работы устройства при отрицательных температурах компьютер (блоки 7 и 8) может размещаться в термостате 9, выбираемом из числа известных. Электрическая связь пьезоэлемента 3 с предусилителем 5 и компьютером осуществляется с помощью высокочастотного кабеля 10.
Пенетрометр работает следующим образом. Включают привод, сообщающий индентору фиксированную начальную скорость. Пенетрометр находится в свободном поступательном движении до момента соприкосновения с исследуемым телом. При торможении наконечника 2 исследуемым телом груз 4 давит на пьезоэлемент 3 с усилием пропорциональным реакции опоры. Генерируемый пьезоэлементом электрический сигнал поступает на вход предусилителя 5, с выхода которого поступает в блок 7 и 8. Зная коэффициент преобразования измерительной системы, массу индентора, его начальную скорость и эффективное сечение по полученному сигналу рассчитывается твердость материала. При наличии соответствующего программного обеспечения, блок 7 будет показывать измеренную характеристику сразу в цифровом виде.