ТВЕРДОМЕР ПО ЛЕЕБУ

Полезная модель относится к приборам неразрушающего контроля, предназначенным для измерения прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий, в частности, за счет измерения характера отскока бойка от поверхности измеряемого изделия. Использование заявляемой полезной модели позволяет проводить измерения с произвольным пространственным положением датчика.
a
b
Общий принцип действия динамических твердомеров заключается в том, что в корпусе с отверстием подвижно установлен боек. Под воздействием силы (пружины, соленоида и т.п.) боек разгоняется до определенной скорости, ударяет по поверхности измеряемого изделия и отскакивает от нее. Твердость изделия HL определяется сопоставлением скоростей бойка до V и после V столкновения (по Леебу) [1] по формуле:
a
b
HL=1000(V/V). (1)
Этот метод получил наиболее широкое применение благодаря простоте реализации и достигаемой точности.
Недостаток всех динамических твердомеров заключается в зависимости результатов измерений от ориентации чувствительного элемента в пространстве. После начального толчка боек должен двигаться с постоянной скоростью, однако из-за действия сил трения и веса самого бойка скорость меняется. Сила трения тормозит боек, однако степень ее воздействия зависит от ориентации бойка и, очевидно, что она максимальна при горизонтальном полете. При движении сверху вниз сила тяжести ускоряет боек, при движении снизу вверх - замедляет.
a
a
a
a
На достоверность показаний твердомера значительное влияние оказывает скорость полета бойка V. Стандарт ASTM а956 [2] регламентирует скорости V=2,05±1% м/с для преобразователей типа D, DC, E, D+15, DL, V=1,39±2% м/с для преобразователей тип С, V=2,98±l% м/с для преобразователей тип G.
В современных динамических твердомерах указывается, что они инвариантны к углу поворота датчика, но предлагаются различные способы учета и компенсации неточностей, связанных с пространственным положением твердомера.
В описании твердомера DynaMIC [3], стр.12-2 указано, что поскольку в формуле (1) используется отношение скоростей, то ориентацию датчика можно не учитывать. Такой подход не позволяет получить достаточную точность измерений.
В приборе ТН 130 [4] угол ориентации датчика: 0°, ±90°, ±45° предлагается вводить оператору вручную перед измерением. После чего используется хранящаяся в приборе калибровочная зависимость. Очевидно, что и такой подход груб и не обеспечивает высокую точность измерений.
В [5] предлагают снижать массу бойка, что возможно в определенных пределах.
В [6] предлагается компенсировать изменение свойств разгоняющей пружины и (или) изменение угла датчика коррекцией жесткости специальным эксцентриком. Однако такие действия требую сложных действий оператора предваряющих измерения.
а
b
a
b
a
а
а
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является твердомер по Леебу EQUOTIP 3 [7] фирмы Proceq SA, содержащий корпус с отверстием, в котором подвижно установлен боек, в корпусе установлен датчик скорости бойка, связанный с электронным блоком. Датчик скорости - катушка индуктивности измеряет напряжения, вызванные пролетом бойка до Е и после Е отскока, которые соответственно пропорциональны скоростям бойка V и V. Эти значения вводят в электронный блок и по формуле (1) определяют твердость изделия. Скорость V (напряжение Е) зависит от угла α - поворота датчика по отношению к вертикали и можно построить калибровочную зависимость α(Е), которую учесть при определении твердости изделия. Разработчики EQUOTIP 3 утверждают, что этот прибор обеспечивает высокую точность ±4 HL (0.5% на 800 HL) с автоматической или ручной коррекцией пространственного положения датчика. При автоматической коррекции калибровочная зависимость закладывается в электронный блок производителем, при ручной - калибровка осуществляется пользователем.
а
Недостатком твердомера EQUOTIP 3 [7] является невысокая точность, связанная с тем, что напряжение Е зависит не только от угла поворота датчика, но и от других факторов, в частности температуры, износа деталей и т.п., что непосредственно сказывается на результатах измерений.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является повышение точности измерений за счет прямого измерения пространственного положения датчика твердомера и учета его при определении твердости.
Для решения поставленной задачи твердомер по Леебу, содержащий корпус с отверстием, в котором расположен подвижный боек, в корпусе установлен датчик скорости бойка, связанный с электронным блоком, дополнительно снабжен акселерометром, размещенным на корпусе твердомера и связанным с электронным блоком.
Существенным отличием заявляемого твердомера является наличие акселерометра, связанного с электронным блоком. Акселерометр позволяет определить пространственное положение датчика, а электронный блок - скомпенсировать ошибки связанные с не вертикальностью датчика.
В прототипе пространственное положение твердомера определяется косвенно и не точно.
Заявляемый динамический твердомер иллюстрирует Фиг.1, где:
1. Корпус твердомера.
2. Боек.
3. Датчик скорости.
4. Электронный блок.
5. Акселерометр.
6. Пружина.
7. Спусковой механизм.
8. Объект измерений.
Корпус твердомера 1, фиг.1, имеет отверстие, в котором подвижно размещен боек 2. В корпусе также располагается механизм придания заданной скорости, например, пружина 6 и спусковой механизм 7.
а
b
a
b
Датчик скорости 3 выполнен в виде катушки индуктивности, формирующей сигналы Е и Е пропорциональные скоростям движения V и V до и после столкновения бойка 2 с объектом измерений 8 соответственно.
Электронный блок 4 предназначен для обработки и отображения результатов измерений и содержит микроконтроллер, пульт управления и дисплей, которые на фиг.1 не показаны для упрощения. Задание режимов работы твердомера осуществляется с пульта управления, а результаты измерений отображаются на дисплее. Электронный блок 4 может быть интегрирован с измерительной частью твердомера или выполнен в качестве отдельного конструктивного элемента.
Акселерометр 5 является трехосным и предназначен для формирования сигналов (х, у, z) пропорциональных текущей ориентации корпуса твердомера относительно вектора силы тяжести бойка Р и определяющих угол α.
а
b
a
b
а
b
a
b
а
b
Заявляемая полезная модель работает следующим образом. Для проведения измерений, сжимают пружину 6 бойком 2 и фиксируют последний спусковым механизмом 7. При высвобождении боек 2 под воздействием пружины 6 набирает определенную скорость, ударяется об объект измерений 8 и отскакивает от него. Датчик скорости 3 формирует сигналы Е и Е пропорциональные скоростям движения V и V до и после столкновения, которые поступают на вход электронного блока, который выделяет из них максимальные значения Е и Е. Значение твердости по Леебу HL рассчитывается по формуле (1), заменяя V и V на Е и Есоответственно.
Акселерометр 5 формирует сигналы (х, у, z), которые поступают также на вход электронного блока, в котором рассчитывается угол а положения датчика по отношению к вертикали по формуле:
В стандарте ASTM а956 [2] приведены таблицы корректировки значений HL с учетом угла ориентации твердомера, которые рассчитаны только для углов α=0°, ±90°, ±45°. В заявляемом твердомере угол α определяется точно, поэтому аппроксимируем указанные таблицы полиномом:
y
2
HL=HL+a*(α+90)+b*(α+90), (3)
где:
HL - значения твердости до корректировки;
y
HL - значения твердости после корректировки;
а, b - коэффициенты, выбираемые в зависимости от значений HL и типа преобразователя.
Коэффициенты а и b определяются изготовителем твердомера, исходя из соответствия получаемой аппроксимирующей формулы таблицам корректировки значений HL, указанным в ASTM а956. Например, для преобразователей тип D коэффициенты а, b рассчитаны и приведены в таблице 1:
Таблица 1
КоэффициентДиапазон значений HL
а
b
200-250
-0,000282
-0,243
250-300
-0,000282
-0,219
300-350
-0,000282
-0,194
350-400
-0,000176
-0,187
400-450
-0,000176
-0,165
450-500
-0,000212
-0,139
500-550
-0,000106
-0,143
550-600
-0,000106
-0,131
600-650
-0,000142
-0,114
650-700
-0,000106
-0,114
700-750
-0,000176
-0,097
750-800
-0,000212
-0,084
800-850
-0,000176
-0,084
850-900
-0,000247
-0,066
Данные этой таблицы хранятся в в электронном блоке 4. Там же производятся вычисления по формулам 1, 2 и 3.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет автоматически измерить и учесть пространственное положение твердомера и за счет этого повысить точность измерений.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. АС СССР 971119.
2.
3. dynamic-EN.pdf.
4.
5. Патент US 2010307258.
6. Патент RU 2357226
7. http://www.proceq.com/fileadmin/documents/proceq/products/Hardness/Equotip_3/Russian/equotip3_SF_R_2012.12.20_low.pdf