УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ ДЕТАЛИ Российский патент 2013 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к устройствам неразрушающего контроля и может быть использовано для измерения высоты (толщины) металлических деталей или их износа.

Известен ультразвуковой толщиномер, содержащий последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, пьезоэлектрический преобразователь, усилитель, нормализатор, временной селектор, измеритель временных интервалов, см. патент РФ №2163232. Толщиномер снабжен устройством управления и вычисления, генератором опорной частоты, схемой задержки, цифроаналоговым преобразователем и индикатором. Первый вход нормализатора подключен к выходу усилителя, второй вход - к выходу цифроаналогового преобразователя, а выход - к первому входу временного селектора, второй вход которого соединен с выходом схемы задержки, а выход соединен с первым входом измерителя временных интервалов. Выход измерителя временных интервалов подключен ко входу устройства управления и вычисления. Выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом измерителя временных интервалов и с первым входом схемы задержки. Первый выход устройства управления и вычисления соединен со входом генератора зондирующих импульсов и с третьим входом измерителя временных интервалов, второй выход - со вторым входом схемы задержки, третий выход - со входом цифроналогового преобразователя, четвертый выход - со входом индикатора.

К недостаткам известного толщиномера можно отнести сложность конструкции.

Известен ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер, см. патент РФ №2034236, G01B 17/02, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, пьезоэлектрический преобразователь, усилитель, временной селектор полезных сигналов, нормализатор амплитуд и измеритель временных интервалов, а второй вход временного селектора связан с выходом синхронизатора, при этом толщиномер снабжен временным селектором начального полезного импульса и подключенным к нему измерителем амплитуды, первый вход временного селектора начального полезного импульса соединен с выходом синхронизатора, а второй вход с выходом усилителя или с выходом временного селектора полезных сигналов.

В известном толщиномере используются раздельно-совмещенные преобразователи для измерения эхометодом малых толщин изделий.

К недостаткам известного устройства можно отнести зависимость показаний от качества акустического контакта, сложность конструкции устройства. Измеряемый временной интервал зависит от амплитуды донного сигнала. Амплитуда донного сигнала изменяется в зависимости от толщины измеряемого изделия вследствие расхождения и затухания упругих волн, поэтому коэффициент усиления усилителя изменяют таким образом, чтобы скомпенсировать изменение амплитуды. Кроме этого, амплитуда принимаемого сигнала зависит от качества акустического контакта, который обусловлен шероховатостью поверхности измеряемого изделия, иммерсионным слоем и усилием прижима датчика к поверхности. К тому же при работе на шероховатой поверхности сигнал от поверхности может превысить уровень фиксации и сбить показания прибора.

Известен пьезоэлектрический преобразователь в пьезоэлектрических динамометрах, не требующих наличия упругих элементов в конструкции устройств, см. Учебник для профессионального образования, С.А.Зайцев и др., М., Издательский центр «Академия», ПрофОбрИздат, 2002 г., стр.140-141. Пьезоэлектрический преобразователь включает в себя кварцевые пластины с металлизированными обкладками, зажатый по периметру между обоймами и резонатор. При приложении усилия вдоль блока изменяется толщина пластины, что приводит к ее резонансной частоте. Для измерения знакопеременных сил применяют предварительное напряжение пьезопластин до величин, составляющих 50% от измеряемого номинального усилия. Измеряемое усилие воспринимается непосредственно пьезоэлектрическим элементом, выполненным в виде пластин.

Известно, что в условиях обратного пьезоэффекта в результате действия электрического поля на пьезоэлемент возникают силы, линейные по полю, которые меняют свои направления на противоположные при изменении знака электрического поля, см. стр.156-157, Учебник физики, Сивухин Д.В. В этой связи уместно выразить продольный обратный пьезоэффект как δh=d₁₁·h·E_x=d₁₁·ϕ,

поперечный соответственно

δl=-d₁₁· l·E_x=-(l/h)·d₁₁,

где h - толщина пьезоэлектрической пластины,

l - длина пьезоэлектрической пластины,

ϕ - разность потенциалов,

d₁₁ - пьезоэлектрический модуль,

Е_х - напряженность электрического поля.

В результате применяемая в качестве пьезоэлектрического элемента пластина изменяет размер δh на противоположное значение, происходит деформация уменьшения или деформация увеличения h. Это явление и взято автором за основу осуществления измерений.

Известно устройство для измерения высоты (толщины) деталей штангенрейсмас, состоящее из основания, устанавливаемого на ровную поверхность с закрепленной на нем штангой-линейкой со шкалой деления и рамкой с нониусом, имеющей возможность перемещаться по поверхности штанги по вертикали, см. учебник профессионального образования авторов С.А.Зайцева, Д.Д.Грибанова и др. «Контрольно-измерительные приборы и инструменты», Москва, Академия, 2002 год, стр.65 - прототип. На державке закреплен рабочий орган (зонд) контактирующий с измеряемой деталью. В качестве нониусной шкалы в некоторых типах штангенрейсмасов предусматривается установка индикатора часового типа с ценой деления 0,05 и 0,01 мм.

К недостаткам известного устройства можно отнести низкую точность измерений.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего высокоточные замеры высоты (толщины) детали или величины ее износа.

Поставленная предлагаемым изобретением задача достигается сочетанием использования известных признаков, таких как наличие основания, штанги со смонтированной на ней рамкой с державкой и зондом и средства для визуального наблюдения результата измерения, и новых признаков, заключающихся в том, что державка снабжена датчиком, выполненным в виде полого корпуса, на внутренней тыльной стороне которого жестко закреплен электрод-контакт, связанный с пьезоэлектрическим элементом, который через подвижный электрод-контакт, смонтированный на обратной стороне пьезоэлектрического элемента, упруго поджат зондом при помощи пружины, электроды-контакты соединены через ЛАТР и диод с источником питания, при этом устройство снабжено индикатором контакта зонда с измеряемой деталью.

Между неподвижным электродом-контактом и корпусом установлена диэлектрическая проставка.

Корпус державки выполнен из неэлектропроводного материала.

Новизной предлагаемого устройства является наличие в устройстве датчика, смонтированного на державке и выполненного в виде полого корпуса, на внутренней тыльной стороне которого жестко закреплен электрод-контакт, связанный с пьезоэлектрическим элементом, который через подвижный электрод-контакт, смонтированный на обратной стороне пьезоэлектрического элемента, упруго поджат зондом при помощи пружины, электроды-контакты соединены через ЛАТР и диод с источником питания, при этом устройство снабжено индикатором контакта зонда с измеряемой деталью.

Так, наличие пьезоэлектрического элемента с неподвижным и подвижным электродами-контактами позволяет при подаче питания осуществлять замер различных по толщине или высоте деталей, включая износ их поверхности, или отклонений от требуемых размеров деталей при их изготовлении. При этом плавная подача питания к электродам-контактам пьезоэлектрического элемента при помощи ЛАТРа позволяет фиксировать измеряемые размеры детали в пределах от -22 мкм до +22 мкм. Значения линейного перемещения подвижного электрода-контакта с подпружиненным зондом определяются величиной подаваемого напряжения на пьезоэлектрический элемент в рамках обратного пьезоэффекта.

Согласно проведенным патентно-информационным исследованиям признаки предлагаемого устройства являются новыми, имеют изобретательский уровень, промышленную применимость и направлены на достижение поставленной изобретением задачи.

На фиг.1 схематично представлено предлагаемое устройство.

На фиг.2 показана электрическая схема подачи питания к электродам-контактам пьезоэлектрического элемента.

На фиг.3 представлена электрическая схема включения сигнальной лампы индикатора.

На фиг.4 представлен в увеличенном масштабе пьезоэлектрический элемент, размещенный между электродами-контактами, зондом и корпусом датчика.

Предлагаемое устройство состоит из разметочной плиты 1, на которой установлена штанга 2 с закрепленной на ней рамкой 3 с устройством регулирования величины перемещения рамки, выполненным в виде фиксирующего механизма 4, закрепляемого на штанге 2 и регулирующего перемещение винта 5. На державке 6 закреплен пьезоэлектрический преобразователь 7, выполненный в виде полого корпуса, в котором между неподвижным 8 и подвижным 9 электродами-контактами смонтирован пьезоэлектрический элемент 10. Между зондом 11 и подвижным контактом 9 установлена диэлектрическая вставка 12 или диэлектрический колпачок 13. Зонд 11 поджат пружиной 14 к подвижному электроду-контакту 9 и постоянно с ним контактирует. Измеряемая деталь 15 устанавливается на калиброванную плиту 16, к которой, как и к зонду 11, подведено питание для включения сигнальной лампы 17 индикатора 18. Измеритель 19 значений высоты детали или ее износа выполнен в виде дополнительной шкалы в мкм, на шкале оттарированного вольтметра, отражающей максимальное изменение толщины пьезоэлектрического элемента. В схеме включения сигнальной лампы 17 имеется автономный источник питания 20 и выключатель 23, при этом сигнальная лампа 17 может быть подключена через трансформатор (на чертеже не показан) к источнику питания электродов-контактов 8 и 9. При осуществлении замеров используют калибр. Подачу питания к пьезоэлектрическому элементу 10 осуществляют при помощи ЛАТРа 22. Схема подачи питания к электродам-контактам 8 и 9 состоит из переключателя S2, подающего напряжение на ЛАТР 22, который в свою очередь подает питание через выбранный диод 21 пьезоэлектрическому элементу 10. Подаваемое напряжение отслеживается по шкале вольтметра измерителя 19.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

На разметочную плиту 1 устанавливается калиброванная плита 16 с электрически изолированными опорными поверхностями. Затем на плиту 1 устанавливается штанга 2 с рамкой 3 и державкой 6 и пьезоэлектрическим преобразователем 7. Рамка 3 с державкой 6 и преобразователем 7 поднимаются вверх и фиксируются винтом механизма фиксации 4. На калиброванную плиту 16 ставится калибр с номинальным значением размера для подготовки устройства к работе. Затем рамка 3 перемещается по штанге 2 вниз до просвета в 1-5 мм между зондом 11 и поверхностью калибра. Положение рамки 3 на штанге фиксируется винтом механизма фиксации 4. Дальнейшее перемещение рамки 3 и державки 6 с пьезоэлектрическим преобразователем 7 производится винтом 5 с малым шагом резьбы. Перемещение рамки 3 с зондом 11 при помощи винта 5 вниз производится до соприкосновения зонда 11 с поверхностью калибра. О соприкосновении зонда 11 с калибром сигнализирует сигнальная лампа 17. Для извлечения калибра и установки измеряемой детали на калиброванную плиту 16 осуществляется подъем зонда 11 на высоту, превышающую высоту измеряемой детали путем подачи питания, например, в 110 В при помощи переключателя S1, при котором происходит сжатие пьезоэлектрического элемента 10, который принимает минимальное значение по толщине и позволяет пружине 14 поднять зонд 11. Производим удаление калибра и осуществляем установку на его место измеряемой детали 15. ЛАТР 22 переводится в положение на «0» по шкале вольтметра измерителя 19. Далее установкой переключателя S1 в среднее положение схему приводим в положение выключено. Одновременно происходит снятие с пьезоэлектрического элемента 10 накопленного заряда.

Для осуществления операции замера степени изменения номинального размера Ан (высоты или величины износа детали) производится включение переключателя S2 и включение переключателя S1 в позицию для увеличения толщины пьезоэлектрического элемента 10. Затем перемещением ползуна ЛАТРа 22 постепенно повышаем напряжение, подаваемое на контакты-электроды 8 и 9 пьезоэлектрического элемента 10. При этом значение вольтметра измерителя 19 повышается от «0» до значения, при котором происходит медленное увеличение толщины пьезоэлектрической пластины и перемещение подвижного электрода-контакта 9 и связанного с ним зонда 11 до момента включения сигнальной лампы 17. Результатом соприкосновения зонда 11 с деталью 15 является загорание сигнальной лампы 17. При этом перемещение ползуна ЛАТРа 22 прекращается, а на тарированной шкале измерителя в мкм видим отклонение размера от номинального Ан, возникшее вследствие износа детали. При этом высота детали будет определяться разностью исходного размера и величиной износа поверхности детали.

В настоящее время автором изготовлен опытный образец устройства, произведены замеры высоты и величины износа различных деталей. Предлагаемое устройство может найти применение в мастерских и лабораториях, на производстве, где необходимо измерить высоту или величину износа детали или отклонения от ее размеров после ее изготовления. Испытания устройства показали положительные результаты.

Использование: изобретение относится к устройствам неразрушающего контроля и может быть использовано для измерения высоты (толщины) металлических деталей или их износа, на поверхности которых нанесены различные покрытия. Сущность: устройство для измерения высоты детали включает основание, штангу со смонтированной на ней рамкой с державкой, снабженной пьезоэлектрическим преобразователем, с зондом и средства для визуального отражения измерения, при этом пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде полого корпуса, в котором упруго смонтирован и поджат к тыльной внутренней стороне корпуса при помощи пружины пьезоэлектрический элемент, при этом пьезоэлектрический элемент снабжен двумя плоскими электродами-контактами, соединенными с подающим питание ЛАТРом, один - неподвижный - электрод-контакт смонтирован между пьезоэлектрическим элементом и тыльной внутренней стороной корпуса, а второй - подвижный - смонтирован между пьезоэлектрическим элементом и зондом, при этом устройство снабжено индикатором контакта зонда с измеряемой деталью, электрически связанными с источником питания. Технический результат: повышение точности измерения высоты (толщины) детали и величины ее износа. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения высоты детали, включающее основание, штангу со смонтированной на ней рамкой с державкой и зондом и средства для визуального отражения измерения, отличающееся тем, что державка снабжена пьезоэлектрическим преобразователем, выполненным в виде полого корпуса, на внутренней тыльной стороне которого жестко закреплен электрод-контакт, связанный с пьезоэлектрическим элементом, который через подвижный электрод-контакт, смонтированный на обратной стороне пьезоэлектрического элемента, упруго поджат при помощи пружины и связан с зондом, электроды-контакты соединены через ЛАТР и диод с источником питания, при этом устройство снабжено электрическим индикатором контакта зонда с измеряемой деталью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между корпусом пьезоэлектрического преобразователя и неподвижным жестко смонтированным электродом-контактом выполнена диэлектрическая проставка.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус пьезоэлектрического преобразователя выполнен из диэлектрического материала.