Устройство для измерения скоростей распространения упругих волн и плотности твердых тел Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к области создания аппаратуры высокого давления и разработки методов исследования физических свойств твердых материалов и горных пород при высоких давлениях и температурах. Изобретение связано с разработкой способа определения скорости ультразвука в твердотельных установках высокого давления типа поршень цилиндр. Оно позволяет повысить точность измерений скорости ультразвука, сжимаемости, температуры и расширить диапазон давления, получить более равномерное поле температур.

Известны устройства для определения скорости распространения ультразвука и плотности, использующие импульсный метод прозвучивания и метод смещения поршня. Скорость распространения ультразвука определяется путем измерения

времени пробега ультразвукового импульса, которое зависит от точности отсчета момента первого вступления импульса, а также от точности определения температуры и давления. Форма импульса и четкость первого вступления связаны с условиями прохождения УЗ от излучателя к приемнику через образец.

Известно также устройство, которое следует рассматривать как прототип, содержащее излучатель и приемник УЗ-волн, поршни, термопару, образец и нагреватель. В нем излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, нагреватель и термопары помещены внутрь рабочего объема камеры высокого давления и температуры. Ввод термопары и экранированных проводов к излучателю и приемнику ультразвука осуществляется через каналы в поршнях.

vj о о

К числу недостатков прототипа можно отнесли следующие:

высокие градиенты температуры и неравномерный нагрев вызывают термоупругие напряжения в образце и тем самым сказывают влияние на показания ультразвуковых измерений;

давление и температура оказывают влияние на работу излучателя и приемника ультразвука, которые разрушаются при давлении 0,1 ГПа;

влияние давления на показания термопары;

исследования сжимаемости практически проводить невозможно;

предел допустимых давлений в опытах снижается за счет каналов в поршнях

Размещение излучателей ультразвука, термопары и нагревателя внутри камеры значительно уменьшает размеры исследуемого образца.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости распространения УЗ-волн в образце и его сжимаемости за счет создания равномерного температурного поля в образце.

Достижение поставленной цели обеспечивается тем, что поршни выполнены с углублениями на наружных торцах, в которых установлены соответственно излучатель и приемник УЗ-волн, при этом нагреватель и термопары смонтированы на наружной поверхности камеры,

На фиг. 1 и 2 изображена схема предполагаемого устройства.

Здесь: 1 - излучатель и приемник ультразвука;

2- камера для размещения испытываемого образца с поршнями;

3- образец,

4- термопара,

5- нагреватель.

Работа устройства характеризуется циклами опытов в следующей последовательности.

Из одной мелкозернистой горной породы была подготовлена се,рия образцов, в которых монтировались термопары следующим образом: на торцах, на боковой поверхности по диаметру, а также в центре образца.

Образцы вместе с термопарами заключались в оболочку из пластического минера- ла-пиросфоллита, и помещались в канал камеры высокого давления. К торцам образца подводились поршни, через которые осуществлялся вывод термопар.

Образцы с помощью пресса через поршни подвергались сжатию до определенного давления, которое поддерживалось постоянным во время испытаний.

При строго определенных режимах нагрева одновременно снижались показания

термопар 3, расположенных в образце, и рабочей термопэры 4, расположенной вне образца. Такие циклы измерений проводились на 2-3 образцах и повторялись несколько раз для каждого образца.

0 Строился график зависимости показаний рабочей термопары 4 от показаний термопар, расположенных в образце при различных Р и Т. Таким образом, при определенном режиме нагрева Т в образце мож5 но установить по показанию рабочей термопары 4 (см. фиг. 2).

Одновременно с измерением Т в образце проводятся измерения изменений длины и времени пробега ультразвука в поршнях и

0 образце.

Для определения сжимаемости и скорости распространения ультразвука в образце используются данные тарировочных кратких определений изменения длины порш5 ней и скорости пробега в них ультразвука при соответствующих режимах нагрева.

В качестве примера приведены данные определения скорости УЗ (продольные волны) на частоте 1 МГц в образце базальта при

0 нагреве до 500°С и фиксированном давлении - 5 кбар.

Точность в определении Т не более ± 3,0°С в измерении длины образца ±0,01 мм и времени пробега УЗ в образце ±0,02

5 мкс. Максимально возможный разброс значений в определении Vp в данном примере при Т 200°С составляет

Урмакс 2034 : 3,28 6201 м/с VPMMH 2032 : 3,32 6120 м/с

0 AVP 6201-6120 81 м/с, что соответствует 1,2%.

Различия от полученного в опыте значения Vp 6160 составляет 40 и 41 м/с ( 0.6%).

Т.е. опытные данные полностью подтверждают достижение поставленной цели. Конструктивное расположение элементов устройства обеспечивает использование и создание в образцах больших размеров равномерного поля Т, что повышает точность измеряемых параметров образца, позволяет использовать легко сжимаемые образцы. Вынос излучателя и приемника из зоны высоких давлений и температур обеспечивает стационарный режим их работы, что важно для сопоставления данных опытов, исключает возможное разрушение, позволяет также определять изменение длины образца во время опыта, что отсутствует в прототипе

5

0

5

Формула изобретения Устройство для измерения скоростей распространения упругих волн и плотности твердых тел, содержащее камеру для размещения испытуемого образца с поршнями, излучатель и приемник УЗ-волн, нагреватель и термопары, отличающееся тем,

что, с целью повышения точности измерения, поршни выполнены с углублениями на наружных торцах, в которых установлены соответственно излучатель и приемник УЗ- волн, при этом нагреватель и термопары смонтированы на наружной поверхности камеры.

Использование; для измерения в установках поршень-цилиндр скорости распространения упругих волн и плотности в образцах при высоких давлениях и температурах. Сущность изобретения, устройство содержит камеру для размещения испытываемого образца с поршнями излучатель и приемник УЗ-волн, нагреватель и термопары. В нем поршни выполнены с углублениями на наружных торцах, в которых установлены соответственно излучатель и приемник УЗ-волн, при этом нагреватель и термопары смонтированы на наружной поверхности камеры. Устанавливают в камеру исследуемый образец и осуществляют одновременное его нагружение с ультразвуковым прозвучиванием Регистрируют скорость распространения упругих волн и плотность образца в зависимости от температуры и давления. 2 ил 00 С

Фиг.1

Фигг