УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТВЕРДОМЕР

Полезная модель относится к устройствам для измерения прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий с использованием ультразвуковых колебаний и исследования упругой твердости. Устройство может быть использовано для неразрушающего измерения твердости металлических изделий.
Известно множество способов и устройств неразрушающего измерения твердости конструкций [1], являющихся аналогами заявляемого технического решения.
Недостатками этих способов и устройств являются устаревшие конструктивные и схемотехнические решения.
Известен электороакустический твердомер [2], содержащий стержневой акустический резонатор с индентором на одном конце и с жестко установленным на нем опорным диском, два пьезоэлектрических преобразователя, автогенератор и электронный блок. Опорный диск располагается в узле автоколебаний стержневого акустического резонатора. Задачей, решаемой данным изобретением является минимизация влияния опорного диска на точность измерений.
Недостатками устройства [2] являются низкая точность, обусловленная тем, что один опорный диск не обеспечивает надежную фиксацию измерительного стержня, в результате чего возникают поперечные изгибные нагрузки, существенно влияющие на точность измерений. Кроме того, для колебаний, возбуждаемых и принимаемых пьезоэлектрическими преобразователями, сложно добиться монохроматичности. Причина такого явления заключается в том, что пьезоэлектрические преобразователи преобразуют электрическую энергию в энергию ультразвука в кристалле, которые, будучи прикрепленным к стержневому акустическому резонатору, в свою очередь возбуждают в нем ультразвуковые колебания. Переходы от электродов генератора возбуждения через пьезоэлектрический преобразователь к стержневому резонатору имеют сложные электрические и механические характеристики и возбуждают колебания не только основной, но и побочных гармоник. Аналогичные проблемы имеет и измерительный тракт твердомера. Наличие побочных гармоник приводит к нелинейности характеристик измерителя и, тем самым, так же к снижению точности.
Наиболее близким к заявляемому является ультразвуковой твердомер [3], содержащий корпус с внутренней цилиндрической поверхностью, стержневой акустический резонатор с индентором на одном конце и с жестко установленным на нем опорным диском, контактирующим с внутренней поверхностью корпуса с возможностью свободного перемещения вдоль нее, калиброванную нагрузочную пружину, расположенную между дном корпуса и первым опорным диском, автогенератор и электронный блок, имеющий внешний интерфейс.
Недостатками этого устройства также является низкая точность, обусловленная помимо особенностей, отмеченных у предыдущего аналога, сложностью калибровки механических усилий, прилагаемых при измерениях.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является повышение точности измерений.
Для решения поставленной задачи ультразвуковой твердомер, содержащий корпус с внутренней цилиндрической поверхностью, стержневой акустический резонатор с индентором на одном конце и с жестко установленным на нем первым опорным диском, контактирующим с внутренней поверхностью корпуса с возможностью свободного перемещения вдоль нее, калиброванную нагрузочную пружину, расположенную между дном корпуса и первым опорным диском, автогенератор и электронный блок, имеющий внешний интерфейс, содержит второй опорный диск, закрепленный на внутренней поверхности корпуса и контактирующий со стержневым акустическим резонатором, с возможностью свободного перемещения последнего вдоль оси, две катушки - возбуждения и измерительную, закрепленные внутри корпуса и расположенные вокруг стержневого акустического резонатора, стержневой акустический резонатор имеет ограничители перемещения вдоль оси, длина волны возбуждения стержневого акустического резонатора выбрана совпадающей с его длиной, опорные диски располагаются в окрестности узлов, а катушки в окрестности максимальных амплитуд стоячих волн упругих колебаний стержневого акустического резонатора, катушки возбуждения и измерительная соединены с автогенератором, выход которого соединен со входом электронного блока.
Существенными отличиями заявляемой полезной модели являются:
Наличие второго опорного диска, закрепленного на внутренней поверхности корпуса и контактирующего со стержневым акустическим резонатором, с возможностью свободного перемещения последнего вдоль оси, позволяет в значительной степени снизить поперечные изгибные нагрузки на измерительный стержень.
В прототипе используется один опорный диск, а роль второй опоры выполняет сужающаяся внутренняя поверхность корпуса. Если диаметр этой поверхности существенно больше диаметра стержневого акустического резонатора, то она не оказывает должного влияния на возникновение поперечных изгибов стерня. Если диаметр этой поверхности близок к диаметру стержня, то корпус может оказывать диссипативное влияние на колебания, что снижает точность измерений.
Использование катушек для возбуждения и измерения, закрепленных внутри корпуса и расположенных вокруг стержневого акустического резонатора позволяет просто решить проблему возбуждения монохроматических магнитострикционных колебаний внутри измерительного стержня. Катушки возбуждения создают магнитное поле, которое непосредственно воздействует на магнитострикционный стержень, который начинает попеременно сокращаться и удлиняться, т.е. испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной индукции. Такие преобразователи наиболее эффективно работают на собственной частоте механических колебаний стержня, так как на ней происходит наилучшее преобразование энергии из одной формы в другую.
В прототипе используются пьезоэлектрические преобразователи, недостатки которых отмечены выше.
Стержневой акустический резонатор имеет ограничители перемещения вдоль оси. Наличие калиброванной нагрузочной пружины, как в прототипе, так и в заявляемом устройстве, позволяет обеспечить постоянство первичной механической нагрузки на измеряемый материал F=kx, где к - коэффициент, х - перемещение стержня индентора. Указанное ограничение позволяет сделать изменения величины х малой, а, следовательно, силу F практически постоянной.
В прототипе ограничение перемещения стержневого акустического резонатора вдоль оси не рассматривается.
Выбор длины волны возбуждения стержневого акустического резонатора, совпадающей с его длиной, позволяет получить в нем стоячую волну, фиг.2, и расположить опорные диски и катушки описанным способом.
В прототипе выбор частоты возбуждения не рассматривается.
Расположение опорных дисков в окрестности узлов стоячих волн упругих колебаний стержневого акустического резонатора позволяет снизить влияние опорных дисков на точность измерений.
В прототипе местоположение опорного диска не рассматривается.
Расположение катушек возбуждения и измерительной в окрестности максимальных амплитуд стоячих волн упругих колебаний стержневого акустического резонатора позволяет возбуждать и измерять максимальную амплитуду колебаний стержня, а, следовательно, работать с максимальной точностью. Понятие «окрестность» используется из-за физических размеров катушек, а также в тех случаях, когда точное расположение катушек в точках максимума невозможно из конструктивных соображений.
В прототипе места установки средств возбуждения и измерения не рассматриваются.
Катушки возбуждения и измерительная соединены с автогенератором, что позволяет достаточно просто определить различие частот нагруженного и ненагруженного стержня с индентором.
В прототипе с генератором соединены пьезоэлектрические преобразователи.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг.1 - схема устройства.
Фиг.2 - стоячая волна в стержневом акустическом резонаторе,
где:
1. корпус;
2. стержневой акустический резонатор;
3. индентор;
4. первый опорный диск;
5. нагрузочная пружина;
6. автогенератор;
7. электронный блок;
8. внешний интерфейс;
9. второй опорный диск;
10. катушка возбуждения;
11. катушка измерительная;
12. ограничитель.
Корпус 1 заявляемого устройства предназначен для установки остальных элементов, а его нижняя часть является ограничителем перемещения стержневого акустического резонатора.
Стержневой акустический резонатор 2 предназначен для проведения измерения твердости и должен быть выполнен из материала, обладающего магнитострикционными свойствами. С одной его стороны установлен индентор 3, выполненный из особопрочного материала.
Первый опорный диск 4 предназначен для фиксации положения стержневого акустического резонатора 2 внутри корпуса 1. Диск 4 жестко связан со стержневым акустическим резонатором 2 и имеет возможность свободно перемещаться по внутренней поверхности корпуса 1.
Нагрузочная калиброванная пружина 5 предназначена для создания фиксированного по величине усилия на измеряемый объект.
Автогенератор 6 предназначен для создания в катушке возбуждения 10 периодических колебаний с длиной волны, равной длине стержневого акустического резонатора 2. Автогенератор 6, катушка возбуждения 10 и измерительная 11 образуют резонансный контур.
Электронный блок 7 предназначен для:
- приема гармонических колебаний стержневого акустического резонатора 2;
- измерения частоты указанных колебаний;
- сравнения частот колебаний стержневого акустического резонатора 2 в свободном и нагруженном режимах;
- вычисления и отображения результатов измерений;
- связи с внешними устройствами через внешний интерфейс 8.
Электронный блок 7 может быть выполнен в виде микроконтроллера, имеющего в своем составе интерфейсы для подключения соответствующих устройств, преобразователь частота-код, блок управления (клавиатуру), блок индикации, а также внешний интерфейс 8.
Второй опорный диск 9 предназначен для создания второй опорной точки стержневого акустического резонатора 2. Этот диск жестко соединен с внутренней поверхностью корпуса 1, с возможностью свободного перемещения стержневого акустического резонатора 2 внутри него.
Ограничитель 12 предназначен для фиксации стержневого акустического резонатора 2 в определенном положении так, чтобы сила калиброванной нагрузочной пружины 5 оставалась постоянной.
Вторым ограничителем перемещения стержневого акустического резонатора 2 является корпус 1.
Рассмотрим работу заявляемого промышленного образца, фиг.1,2.
1
При включении питания ненагруженный электроакустический твердомер переходит в режим калибровки. При этом автогенератор 6 с помощью катушки возбуждения 10 генерирует ультразвуковые колебания стержневого акустического резонатора 2, которые по цепи обратной связи через измерительную катушку 11 обеспечивают формирование стоячей волны в стержневом акустическом резонаторе 2 (фиг.2). Длина волны сигнала, возбуждающего стержневой акустический резонатор, совпадает с его длиной. Катушки 10 и 11 располагаются в окрестности максимальных амплитуд указанной волны, что обеспечивает наибольшую амплитуду возбуждения и наибольшую чувствительность для повышения точности измерения. Опорные диски 4 и 9 располагаются в узлах стоячей волны и, таким образом, не оказывают существенного влияния на указанные колебания. Электронный блок 7 измеряет частоту f колебаний ненагруженного стержневого акустического резонатора 2 при текущих значениях внешних факторов, в частности температуры.
2
1
2
Для проведения измерений индентор 3 вдавливается в исследуемый образец. Величина усилия постоянна и известна, поскольку нагрузочная пружина 5 калибрована, а перемещение стержневого акустического резонатора 2 ограничены. В рассматриваемом варианте исполнения ограничителем перемещения является корпус устройства, который, упираясь в поверхность исследуемого материала, ограничивает перемещение стержневого акустического резонатора 2. При этом частота колебаний стержневого акустического резонатора 2 изменяется и становится f. Электронный блок 7 сравнивает частоты колебаний f и f и пересчитывает в твердость исследуемого образца в той или иной форме представления. Результаты измерений отображаются на блоке индикации или передаются через интерфейс 8.
Таким образом, заявляемая полезная модель, технически реализуема и обладает новыми свойствами по отношению к прототипу.
Источники информации:
1. Дорофеев А.Л. Неразрушающие физические методы измерения твердости. Москва, 1979.
2. АС СССР №1404891
3. Патент RU №2196316