Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой при повышенных температурах Российский патент 2019 года по МПК G01N19/02 

Описание патента на изобретение RU2680976C2

Изобретение относится к технике определения физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала при крутильных колебаниях.

Известен способ измерения добротности струнных датчиков Q (а.с. №416571. Способ определения добротности струнных датчиков. // Приоритет изобретения 03.04.72). Коэффициент гистерезисных потерь С связан с добротностью соотношением C=π/Q. Способ обладает рядом несомненных достоинств, обеспечивает низкую погрешность измерений, но пригоден только для измерения гистерезисных потерь в вакууме на тонких нитях в диапазоне частот от 500 Гц до 20 кГц.

Более близким по своей сущности к заявляемому способу является способ определения гистерезисных потерь маятниковым трибометром (патент №2559120. Способ определения гистерезисных потерь маятниковым трибометром. // Приоритет изобретения 14.05.2014). Достоинство способа заключается в возможности проведения оперативных измерений в воздухе на различных материалах, изготовленных в виде плоских образцов. Измерения проводятся только на малых амплитудах при наклонах пятен контакта. Потери за счет вязкого трения о воздух сводятся к минимуму.

Его недостаток состоит в том, что шаровые опоры маятника могут контактировать только с плоскими образцами. При этом предполагается, что гистерезисные потери в опорах качения маятника существенно меньше, чем в испытуемых образцах.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому способу является способ определения гистерезисных потерь крутильной системой (патент РФ №2614647. Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой. // Приоритет изобретения 23.11.2015). Главное достоинство способа заключается в возможности проведения оперативных измерений в воздухе на нитях из различных материалов. Измерения проводятся только на малых амплитудах. Потери за счет вязкого трения о воздух сводятся к минимуму.

Его недостаток состоит в том, что измерения можно проводить только при комнатной температуре. Измерения при более высоких температурах не предусматриваются.

Задачей изобретения является проведение аналогичных измерений в воздухе в диапазоне температур от комнатной до 360°С на образцах, выполненных в виде длинных нитей. По-прежнему надо учитывать потери за счет вязкого трения о воздух подвешенного к нижнему концу нити крутильной системы рабочего тела. Поэтому приходится использовать нити большого диаметра. На них можно подвесить шаровые тела большой массы, при которых сохраняется примерно пятикратный запас прочности.

Поставленная цель достигается тем, что измерения проводят в диапазоне амплитуд от 2 до 30 мрад, когда при закручивании нити строго соблюдается закон Гука, а произведение максимального угла отклонения нити на ее диаметр, деленное на ее длину, не превышает безразмерную величину 30 ppm, т.е. 3⋅10-5.

Способ поясняется чертежом (фиг.), где 1 - указатель угла поворота, 2 - ручка поворота, 3 - подшипник, 4 - верхняя крышка, 5 - верхний зажим нити, 6 - стойка, 7 - нить подвеса, 8 - кварцевая трубка, 9 - спираль из нихрома, 10 - измеритель тока, 11 - измеритель напряжения, 12 - ЛАТР, 13 - головка термопары, 14 - индикатор термопары, 15 - нижний зажим нити, 16 - зеркало системы индикации, 17 - подвес груза, 18 - защитный экран, 19 - шаровой груз, 20 - установочный винт, 21 - основание крутильной системы, 22 - лазерный диод, 23 - платформа с микровинтом для настройки положения фотоприемников, 24 - блок двух фотоприемников, 25 - компаратор, 26 - компьютер, 27 - кварцевый генератор, 28 - программа управления, 29 - носитель информации.

Указатель 1 с ручкой поворота 2 позволяет контролировать угол поворота системы в подшипнике 3, укрепленном на верхней крышке 4. Верхний зажим 5 нити 7 связан с ручкой 2. На стойках 6 крепится верхняя крышка 4. Нить 7 проходит внутри прозрачной кварцевой трубки 8, на поверхность которой намотана спираль 9 из нихрома диаметром 0.4 мм. На спираль 9 через амперметр 10 от источника тока 12 подается регулируемое по амплитуде напряжение сети. Напряжение источника тока 12 контролируется вольтметром И. Температура внутри трубки 8 измеряется термопарой 13 с блоком индикации 14. Термопара 13 вводится внутрь трубки 8 через небольшое отверстие, что позволяет уменьшить погрешность при измерении температуры нити 7. К нижнему концу нити 7 зажимом 15 крепится зеркало индикации 16 и подвес груза 17. К подвесу груза 17 крепится размещенный внутри защитного экрана 18 груз 19. Установочные винты 20 основания 21 позволяют найти удобное для измерений положение крутильной системы. Луч лазерного диода 22 направляет на зеркало 16 луч света. После отражения от зеркала 16 луч попадает на блок фотоприемников 24. Они расположены на платформе 23 содержащей микровинт для настройки их положения. С фотоприемников 24 сигналы с пологими фронтами подаются на компаратор 25. Его импульсы поступают на входной порт компьютера 26. В компьютер 26 с программой 27 от внешнего генератора 28 вводится частота 5000 Гц. Результаты измерений фиксируются на носителе информации 29.

Для надежного измерения температуры термопару лучше всего разместить внутри трубки. Для этого в ней было просверлено небольшое круглое отверстие диаметром 2.5 мм. После успешного завершения операции термопара была введена в середину кварцевой трубки. При фиксированных значениях тока или напряжения была измерена температура. Оказалось, что при напряжении 250 В температура внутри трубки поднимается до 360°С. Этого вполне достаточно для проведения качественных измерений даже на тугоплавких материалах, поскольку не следует поднимать температуру выше 0.25 от точки плавления материала. В противном случае может произойти рекристаллизация материала, что осложнит проведение измерений.

Способ проверялся на длинных нитях из нихрома, вольфрама, молибдена, нержавеющей стали 1Х18Н9Т и меди. Поскольку измерения проводятся в воздухе, используются толстые нити, к которым подвешиваются грузы большой массы. При этом потери за счет вязкого трения о воздух сводятся к минимуму. Использовались шаровые тела массой от 0.786 кг до 8.0 кг. По массе тела М и его диаметру D определяют момент инерции J вокруг оси вращения. При шаровой форме тела J=MD2/10. Держат нить под нагрузкой. После значительного снижения скорости дрейфа положения равновесия задают начальную амплитуду колебаний. После затухания маятниковых качаний по амплитудам крутильных колебаний определяют период колебаний Т и добротность системы Q1=πn/ln(ϕ0n), где ϕ0 - начальная амплитуда колебаний, ϕn - амплитуда после n полных колебаний. При определении величины ϕn следует проконтролировать положение блока фотоприемников 24. В случае смещения положения равновесия крутильной системы вследствие дрейфа нити необходимо скорректировать микровинтом положение платформы 23. Отношение произведения ϕ0 на диаметр нити к ее длине не должно превышать 3⋅10-5.

Определяют крутильную жесткость нити k=4π2J/T2, модуль сдвига материала нити G=32kL/πd4, где L - длина нити, d - диаметр нити. С учетом коэффициента динамической вязкости воздуха μ=18.37⋅10-6 Па⋅с вычисляют добротность крутильной системы Q0=kT/(4πqμD3), g=1+ln(100/Т), ограниченную вязким трением подвешенного к нити тела диаметром D о воздух. При равномерном вращении шара или большом периоде колебаний q=1. Формула получена и проверена на базе экспериментов с крутильными системами. Находят добротность Q2=Q1Q0/(Q0-Q1), связанную с гистерезисными потерями в нити подвеса, и коэффициент гистерезисных потерь C=π/Q2. Погрешность определения Q0 не оказывает существенного влияния на величину Q2, поскольку Q0>Q1. С ростом периода колебаний Т погрешность определения Q0 уменьшается. Следует работать на длинных нитях при большом моменте инерции J подвешенного шара и периоде колебаний Т. В таблице приведены измерения на нихромовой нити. Малые гистерезисные потери в нити из нихрома затрудняют измерения, поскольку отношение Q0/Q2<1 при температурах до 200°С. При более высоких температурах погрешность измерения добротностей Q1 и Q2 уменьшается, что способствует более точному измерению коэффициента гистерезисных потерь С. При закручивании нити с ростом температуры повышается пластичность материала, увеличивается количество разрывов атомных связей вдоль линий дислокаций, которые ведут к необратимым потерям запасенной упругой энергии. При повышении температуры до 360°С период колебаний крутильной системы вырос на 0.593 с, то есть в 1.055 раза. При этом снизились крутильная жесткость нити, модуль сдвига материала, модуль Юнга, добротность системы Q1. Коэффициент гистерезисных потерь со значения 1.028⋅10-4 возрос до 29.528⋅10-4.

На нитях из вольфрама коэффициент гистерезисных потерь С со значения 2.196⋅10-3 возрос до 78.16⋅10-3.

На нитях из молибдена коэффициент гистерезисных потерь С со значения 3.812⋅10-3 возрос до 122.5⋅10-3.

Измерения на нитях из меди привели к аналогичным результатам, но имели более низкую погрешность измерений. Максимальная температура составила только 108°С. При этом коэффициент гистерезисных потерь со значения 8.588⋅10-3 возрос до 111.8⋅10-3.

Похожие патенты RU2680976C2

название год авторы номер документа
Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой 2015
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
RU2614647C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ 2015
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
RU2633000C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИСТЕРЕЗИСНЫХ ПОТЕРЬ МАЯТНИКОВЫМ ТРИБОМЕТРОМ 2014
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
RU2559120C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ 2015
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
RU2633804C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ 2008
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
RU2364896C1
Способ определения гравитационной постоянной с учётом вклада кареток в моменты притяжения 2018
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
  • Измайлов Валерий Петрович
RU2691622C2
Способ определения гравитационной постоянной с добавлением периода колебаний при отсутствии кареток 2019
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
  • Измайлов Валерий Петрович
RU2714518C2
Способ определения гравитационной постоянной 2016
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
RU2644437C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ 2015
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
RU2581765C1
Вакуумированные крутильные весы 1976
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Петров Олег Васильевич
  • Силин Аскольд Александрович
SU569989A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 680 976 C2

Реферат патента 2019 года Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой при повышенных температурах

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определении физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала в диапазоне температур до 360°С. Способ определения гистерезисных потерь в нитях подвеса крутильных систем, заключающийся в том, что после настройки положения равновесия крутильных систем задают начальную амплитуду колебаний, регистрируют амплитуды затухающих колебаний крутильных систем, определяют период колебаний, добротность системы и коэффициент гистерезисных потерь материала нити по логарифмическому декременту затухания. С целью расширения диапазона температур при измерениях гистерезисных потерь в нитях подвесов от комнатной до температуры порядка 360°С нить подвеса пропускают через кварцевую трубку, на которую намотана спираль из нихрома. Через спираль пропускают ток от источника, выполненного в виде лабораторного автотрансформатора, измеряют добротность крутильных систем при различных температурах и периоды их колебаний. Температуру измеряют термопарой, чувствительная часть которой вводится внутрь трубки через небольшое отверстие, причем с повышением температуры ухудшаются упругие свойства материала нити подвеса, растет период колебаний, увеличиваются гистерезисные потери, снижается добротность крутильных систем. С учетом диаметра шара и периода колебаний крутильной системы вычисляют потери за счет вязкого трения подвешенного к нити шарового груза о воздух. После чего по добротности системы, ограниченной только внутренним трением в нити, определяют гистерезисные потери в нити подвеса. Технический результат - расширение диапазона температур при измерениях гистерезисных потерь в нитях подвесов от комнатной до температуры порядка 360°С. 1 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 680 976 C2

Способ определения гистерезисных потерь в нитях подвеса крутильных систем, заключающийся в том, что после настройки положения равновесия крутильных систем задают начальную амплитуду колебаний, регистрируют амплитуды затухающих колебаний крутильных систем, определяют период колебаний, добротность системы и коэффициент гистерезисных потерь материала нити по логарифмическому декременту затухания, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона температур при измерениях гистерезисных потерь в нитях подвесов от комнатной до температуры порядка 360°С нить подвеса пропускают через кварцевую трубку, на которую намотана спираль из нихрома, через спираль пропускают ток от источника, выполненного в виде лабораторного автотрансформатора, измеряют добротность крутильных систем при различных температурах и периоды их колебаний, температуру измеряют термопарой, чувствительная часть которой вводится внутрь трубки через небольшое отверстие, с повышением температуры ухудшаются упругие свойства материала нити подвеса, растет период колебаний, увеличиваются гистерезисные потери, снижается добротность крутильных систем, с учетом диаметра шара и периода колебаний крутильной системы вычисляют потери за счет вязкого трения подвешенного к нити шарового груза о воздух, после чего по добротности системы, ограниченной только внутренним трением в нити, определяют гистерезисные потери в нити подвеса.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2680976C2

Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой 2015
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Шахпаронов Владимир Михайлович
RU2614647C1
Способ определения коэффициента гистерезисных потерь материала при качении 1980
  • Измайлов Валерий Петрович
  • Карагиоз Олег Всеволодович
  • Маркачев Владислав Вениаминович
  • Петров Олег Васильевич
  • Силин Аскольд Александрович
SU917070A1
Устройство для измерения внутрен-НЕгО ТРЕНия МАТЕРиАлОВ HA СВОбОдНыХКОлЕбАНияХ 1979
  • Коншин Борис Николаевич
  • Тарасенко Анатолий Пантелеевич
  • Ермина Елена Семеновна
  • Алякринский Борис Борисович
  • Новиков Виктор Устинович
SU832429A1
Способ полировки заготовок с внутренней параболической поверхностью 1947
  • Колявкин Б.М.
SU72117A1
Способ определения силы сухого трения и коэффициента вязкого трения в колебательных системах с параллельным соединением элементов 1987
  • Лушников Борис Владимирович
  • Цыфанский Семен Львович
  • Магоне Мартиньш Арвидович
SU1462165A1
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ 2011
  • Юхнин Марк Миронович
  • Маслов Максим Александрович
  • Лившиц Эмиль Яковлевич
  • Пузанов Виктор Геннадиевич
  • Харитонов Сергей Александрович
RU2482595C1

RU 2 680 976 C2

Авторы

Карагиоз Олег Всеволодович

Шахпаронов Владимир Михайлович

Измайлов Валерий Петрович

Даты

2019-03-01Публикация

2018-04-20Подача