ТВЕРДОМЕР ПОРТАТИВНЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ Российский патент 2005 года по МПК G01N3/40 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к измерению твердости металлов и сплавов, комбинированный твердомер является портативным измерительным прибором, осуществляющим механические испытания материалов.

Существует множество конструкций ультразвуковых (электроакустических твердомеров), основанных на внедрении стержневых акустических резонаторов с индентором на конце.

Известен ультразвуковой твердомер, включающий стержневой акустический резонатор с индентором на одном конце, нагрузочную пружину, закрепленные на резонаторе пьезопреобразователи, генератор, цифровой электронный блок обработки и регистрации [1].

Известен переносной электронный динамический твердомер [2], комплектующийся датчиком, в корпусе которого размещен ударный механизм с бойком и встроенным в него постоянным магнитом, на другом конце бойка установлен твердосплавный шарик. В корпусе датчика находится индукционная катушка, сигнал о скорости движения бойка с которой поступает в цифровой электронный блок обработки и регистрации.

В зависимости от свойств материала изделия, а также от его массы, конфигурации и степени обработки необходимо применять электроакустический либо динамический метод измерения твердости, т.е. использовать для работы либо ультразвуковой, либо динамический датчик.

Недостатком перечисленных выше твердомеров является отсутствие возможности совмещения разных методов измерения (и датчиков) в одном приборе, который имел бы возможность сам опознавать тип датчика, присоединенного к цифровому электронному блоку обработки и регистрации.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является оперативное обеспечение возможности использования одного цифрового электронного блока обработки и регистрации для работы как с ультразвуковым, так и с динамическим датчиком, причем комбинированный твердомер имеет возможность опознавать тип датчика, присоединенного к цифровому электронному блоку обработки и регистрации.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известный ультразвуковой твердомер, включающий в себя цифровой электронный блок обработки и регистрации, датчик которого содержит стержневой акустический резонатор с индентором на одном конце и нагрузочной пружиной на другом, закрепленные на резонаторе пьезопреобразователи, генератор. Цифровой электронный блок обработки и регистрации, который состоит из соединенных последовательно схемы питания, микроконтроллера, графического матричного ЖКИ и клавиатуры, согласно изобретению в него дополнительно введен динамический датчик, содержащий метаемый пружиной боек с твердосплавным шариком и встроенным магнитом, индуцирующим знакопеременную ЭДС в катушке индуктивности, охватывающей корпус динамического датчика. Динамический датчик соединен с устройством выборки-хранения и аналого-цифровым преобразователем, дополнительно включенными в цифровой электронный блок обработки и регистрации. Устройство выборки-хранения состоит из двух соединенных параллельно модулей выборки-хранения с различными полярностями включенных в них диодов. Выходы обоих модулей выборки-хранения подключены к соответствующим входным каналам аналого-цифрового преобразователя, подключенного к входу микроконтроллера.

Твердомер представляет собой портативный прибор, состоящий из регистрирующего цифрового электронного блока обработки и регистрации, соединяемого кабелем со сменными датчиками - электроакустическим (ультразвуковым) и динамическим.

В качестве преобразователя ультразвукового датчика используется стальной стержень с алмазной пирамидой Виккерса на торце, являющийся акустическим резонатором встроенного автогенератора ультразвуковой частоты. При внедрении пирамиды в испытуемое изделие под действием фиксированного усилия калиброванной пружины происходит изменение собственной частоты резонатора, определяемое твердостью материала. Это изменение частоты зависит от силовой нагрузки резонатора, зависящей, в свою очередь, от состояния акустического контакта (а значит и от показателей твердости) с исследуемым изделием.

В динамическом датчике используется метаемый пружиной боек с твердосплавным шариком и встроенным магнитом. Скорости до и после соударения бойка с испытуемым материалом измеряются по знакопеременной электродвижущей силе (ЭДС), индуцируемой магнитом в катушке, закрепленной на корпусе датчика.

Цифровой электронный блок обработки и регистрации твердомера обеспечивает распознавание и обработку сигналов обоих типов датчиков-преобразователей и представляет на индикаторе результаты измерения в числах твердости выбранной шкалы.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где изображена функциональная схема комбинированного твердомера.

Схема питания твердомера содержит аккумуляторную батарею 1, преобразователь-стабилизатор напряжения 2 и супервизор 3 первичного питания. Процессорная секция состоит из микроконтроллера 4 со встроенным АЦП (аналого-цифровым преобразователем), устройством выборки-хранения 11 и энергонезависимой памяти 6 (EEPROM). Модуль индикации и клавиатуры содержит графический матричный ЖКИ 7 и четырехкнопочную клавиатуру 8. Ультразвуковой датчик 9 напрямую соединен с микроконтроллером 4. Динамический датчик 10 соединен с микроконтроллером через устройство выборки-хранения 11.

На фиг.2 представлена схема устройства выборки-хранения, которое состоит из двух модулей, выполненных по общепринятой схеме [3] и различающихся полярностью запоминаемого сигнала - первый модуль (U1) запоминает максимальное значение импульса, а второй модуль (U2) - минимальное значение. Это обусловлено обратной полярностью включения диодов (D3, D4) во втором модуле по сравнению с первым (Dl, D2). Во время отсутствия импульсного сигнала в обоих модулях на выходах сохраняется одинаковое напряжение. При появлении на входе знакопеременного импульсного сигнала его максимальное значение запоминается на конденсаторе С1, а минимальное значение - на С2. Усилители U1 и U2 охвачены компенсационной обратной связью через резисторы R1 и R3 соответственно. Резисторы R2 и R4 служат для увеличения времени хранения значений сигналов на конденсаторах С1 и С2 соответственно. Далее запоминаемые максимальное и минимальное значения импульсного сигнала поступают на соответствующие каналы аналого-цифрового преобразователя (ADC1 и ADC2), содержащегося дополнительно в цифровом электронном блоке обработки и регистрации.

Твердомер может быть подключен к компьютеру через порт RS232 для переноса результатов измерений, находящихся в энергонезависимой памяти 6 твердомера.

Программа для комбинированного твердомера изменена - введены модуль распознавания подключенных датчиков и модуль математической обработки сигналов от динамического датчика. Также разделены области хранения калибровок и измеренных разными датчиками результатов.

При измерении твердости образца электроакустическим методом изменяется частота генератора, и сигнал поступает в процессорную секцию. Изменение частоты при нагружении отслеживается микроконтроллером, вычисляется число твердости образца по заранее выбранной шкале, результат измерения индицируется на дисплее и, по желанию оператора, может быть занесен в энергонезависимую память.

При измерении твердости образца динамическим методом в устройстве выборки-хранения запоминаются сигналы с индукционной катушки, пропорциональные скоростям до и после соударения бойка с образцом. Микроконтроллер оцифровывает сигналы и вычисляет твердость образца по заранее выбранной шкале, калибруемой индивидуально. Результат измерения также индицируется на дисплее и, по желанию оператора, может быть занесен в энергонезависимую память.

Программное обеспечение микроконтроллера состоит из измерительной части, интерфейсных и обрабатывающей программ. Измерительная часть вместе с интерфейсной программой написана на языке ассемблера-51. Она находится в EEPROM микропроцессора CYGNAL 8051F005. На лицевой панели твердомера расположены дисплей и четыре клавиши. Дисплей индицирует три типа надписей: служебные, подсказки и числа. Служебные надписи и символы позволяют индицировать текущий режим работы твердомера, подсказки (мигающие надписи) помогают выбрать следующий режим работы, числа показывают значения параметров.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2196316, МКИ G 01 N 3/40, БИПМ №1, 10.01.2003 г.

2. Свидетельство на полезную модель №17732, МКИ G 01 N 3/48, БИПМ №11, 20.04.2001 г.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника - М., Мир, 1983.

Изобретение относится к испытательной технике. Твердомер содержит ультразвуковой датчик, состоящий из стержневого акустического резонатора с индентором на одном конце и нагрузочной пружины на другом, закрепленных на резонаторе пьезопреобразователей, генератора и цифрового электронного блока обработки и регистрации, выполненного из соединенных последовательно схемы питания, микроконтроллера, графического матричного ЖКИ и клавиатуры. Причем в твердомер дополнительно введен динамический датчик, содержащий метаемый пружиной боек с твердосплавным шариком и встроенным магнитом, индуцирующим знакопеременную ЭДС в катушке индуктивности, охватывающей корпус динамического датчика, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, встроенным в микроконтроллер, через устройство выборки-хранения. Технический результат: обеспечение возможности использования одного цифрового электронного блока обработки и регистрации для работы как с ультразвуковым, так и с динамическим датчиком. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Твердомер портативный комбинированный, содержащий ультразвуковой датчик, состоящий из стержневого акустического резонатора с индентором на одном конце, нагрузочной пружины - на другом, закрепленных на резонаторе пьезопреобразователей, генератора, и цифровой электронный блок обработки и регистрации, выполненный из соединенных последовательно схемы питания, микроконтроллера, графического матричного жидкокристаллического индикатора и клавиатуры, отличающийся тем, что в него дополнительно введен динамический датчик, содержащий метаемый пружиной боек с твердосплавным шариком и встроенным магнитом, индуцирующим знакопеременную ЭДС в катушке индуктивности, охватывающей корпус динамического датчика, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, встроенным в микроконтроллер, через устройство выборки-хранения.2. Твердомер по п.1, отличающийся тем, что устройство выборки-хранения состоит из двух параллельно соединенных модулей выборки-хранения с различными полярностями включенных в них диодов, выходы каждого из которых соединены с соответствующим каналом аналого-цифрового преобразователя.