Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля ультразвуковыми методами. Оно может быть использовано при определении свойств упругости изотропных или анизотропных сред, например, горных пород, бетонов, пластмасс, керамики, дерева и др. Таким образом, устройство может быть использовано в геологии и геофизике, в горной,строительной и др.отраслях промышленности,

Известно устройство для измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний и акустополяризационных характеристик горных пород, которое содержит основание, укрепленную на нем стойку, а на стойке - кронштейн. Через втулку кронштейна проходит подвижный шток. На верхнем конце штока имеется грузовая площадка. На нижнем конце штока находится гнездо, в котором закреплен верхний ультразвуковой преобразователь. Соосно с ним в гнезде расположенном на основании, закреплен второй, нижний ультразвуковой преобразователь. Для синхронного поворота верхнего и нижнего преобразователя относительно образца имеется подвижная рукоять. Образец закрепляется неподвижно относительно основания и между преобразователями при помощи держателя образца. В свою очередь держатель образца закрепляется зажимом на стойке. Поворотная рукоять имеет указатель, а на основании закреплена градуированная в градусах круговая шкала - для отсчета угла поворота преобразователей относительно образца. В описанной конструкции имеется механизм, позволяющий приводить в контакт преобразователи и образец. Имеется

держатель образца и конструкция, обеспечивающая синхронный поворот преобразователей относительно образца. Однако наличие держателя образца на пути движения подвижной рукояти образует некоторую мертвую зону. Для проведения измерений в пределах мертвой зоны приходится перекреплять держатель образца, что снижает производительность и точность измерений.

Известен акустополярископ для измерения упругости образцов твердых пород, содержащий основание, стойку, соединенный с ней кронштейн со втулкой, проходящий сквозь втулку подвижный шток,

установленную на стойке с возможностью фиксации подвижную втулку, жестко соединенный с ней дополнительный кронштейн, держатели образца, подвижно установленные в обоймах с возможностью фиксации

верхний и нижний ультразвуковые преобразователи, круговую шкалу и указатель углов поворота образца, соединенную с дополнительным кронштейном поворотную платформу с центральным отверстием для

размещения на ней образца, причем размер отверстия больше размера ультразвуковых преобразователей, указатель углов поворота размещен на дополнительном кронштейне, а круговая шкала отсчета углов поворота

и держатели образца установлены на поворотной платформе. Кроме того обоймы нижнего и верхнего ультразвуковых преобразователей выполнены в виде внешнего и внутреннего стаканов, во внешнем стакане

нижнего ультразвукового преобразователя выполнен кольцевой паз на угол 90°, внутренний стакан снабжен входящей в кояьце- врй паз рукояткой для поворота внутреннего

стакана с возможностью фиксации относительно внешнего стакана, причем обоймы подпружинены, соответственно, относительно основания и штока, путем установки в обечайках пружин, устройства в обечайках прорезей, установки в прорезях штифтов. Втулки основного и дополнительного кронштейна снабжены шпонками и фиксаторами, обоймы преобразователей снабжены шкалами и указателями угла поворота преобразователей, а вдоль стойки и подвижного штока выполнены пазы под шпонки.

Для обеспечения необходимой точности измерений очень важно обеспечить соосность верхнего и нижнего ультразвуковых преобразователей, а также поворотной платформы, В процессе передвижения кронштейна по стойке и закрепления его фиксатором в новом месте соосность верхнего преобразователя относительно оси нижнего может быть нарушена. Величина отклонения осей зависит от зазора между шпонкой и пазом, выполненным вдоль стойки. Степень отклонения осей пропорциональна отношению расстояния между осью верхнего преобразователя и стойки R к радиусу г стойки. Аналогично, в процессе передвиженияизакреплениядополнительного кронштейна и соединенной с ним поворотной платформы нарушается соосность оси вращения поворотной платформы и осей верхнего и нижнего ультразвуковых преобразователей. Величина отклонения осей также зависит от соотношения R/r. Значительное увеличение радиуса стойки утяжеляет конструкцию. Снижению точности измерений способствует наличие зазоров между пазами и шпонками, штифтами и прорезями в подвижном штоке, штифтами и прорезями в обечайке нижнего ультразвукового преобразователя. Опыт эксплуатации акустополярископа показал, что для обеспечения необходимой точности измерений в процессе поворота образца, закрепленного на платформе, очень важно обеспечить акустический контакт по всей контактной плоскости ультразвукового преобразователя с соответствующей гранью образца. В случае непараллельности контактной плоскости и грани образца, акустический контакт происходит не по всей плоскости контакта образца и преобразователя, а в отдельных точках. Это существенно снижает точность измерений. Для точных измерений необходимо контролировать силу прижатия контактных поверхностей преобразователей к граням образца. Однако существующее устройство не позволяет это делать. Наличие большого числа фиксаторов, шпонок, пазов, штифтов

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

в прорезях, положение которых необходимо контролировать в процессе измерений, чрезмерно усложняет работу с акустополя- рископом.

Цель изобретения - увеличение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее основание, стойку, соединенный с ней кронштейн с втулкой, подвижной шток, проходящий сквозь втулку, дополнительный кронштейн с размещенными на нем поворотной платформой с центральным отверстием, держателями образца и круговой шкалой отсчета углов поворота, указателем углов, размещенным на дополнительном кроонштейне, обоймы в виде внешнего и внутреннего стаканов, первый и второй ультразвуковые преобразователи, подвижно установленные в соответствующих обоймах и пружинный механизм, снабжено второй стойкой и дополнительной платформой со втулками, вторая стойка расположена диаметрально противоположно первой и жестко соединена с основанием, кронштейном и дополнительным кронштейном, дополнительная платформа подвижно соединена со стойками и жестко с внешним стаканом обоймы первого преобразователя и через пружинный механизм - с торцом подвижного штока, втулка кронштейна выполнена с откидной частью, имеющей резьбу и фиксатор, обоймы первого и второго ультразвуковых преобразователей двумя стаканами, соединенными между собой штифтами таким образом, что их оси вращения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости. Увеличение точности также достигается и тем, что пружинный механизм снабжен основанием с крышкой и указателем силы сжатия пружины, установленным между кронштейном и дополнительной платформой, основание жестко связано с обоймой первого преобразователя, а крышка соединена с торцом подвижного штока. Наличие второй стойки, расположенной диаметрально противоположно первой, а также дополнительной платформы с втулками позволяет обеспечить точную соосность первого, второго ультразвуковых преобразователей и оси вращения поворотной платформы. Наличие пружинного механизма с указателем силы сжатия пружины позволяет контролировать усилие прижатия контактных поверхностей преобразователей к граням образца. Проведение измерений при одной и той же силе прижатия обеспечивает более точные измерения. Наличие на подвижном штоке и на откидной части втулки резьбы позволяет более точно устанавливать силу

сжатия пружины. Введение в обоймы первого и второго ультразвуковых преобразователей двух стаканов, соединенных между собой таким образом, что их оси вращения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости (шарниром Гука) обеспечивает при прижатии с помощью пружинного механизма строгую параллельность и взаимный акустический контакт по всей плоскости контактных поверхностей преобразовате- лей и граней образца. Взаимный акустический контакт будет обеспечен также и в том случае, если противоположные грани образца непараллельны. Таким образом, заявляемое устройство за счет наличия шарниров Гука обеспечивает акустический контакт, исключает погрешность измерений при непараллельности граней образца, увеличивая тем самым точность измерений.

При проведении патентного поиска не обнаружены технические решения аналогичного назначения, которые имели бы при- знаки, идентичные с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа и, следовательно, они являются новыми, а указанные отличия - существенными.

На фиг. 1 показан конкретный вариант выполнения акустополярископа для измерения упругости образцов твердых матери- алов, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.

Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых материалов содержит основание 1, жестко закрепленные на нем стойки 2 и 3, жестко соединенный с ними кронштейн 4 с втулкой 5, которая снабжена откидной частью б с резьбой и фиксатором 7, проходящий сквозь втулку 5 снабженный резьбой подвижный шток 8, жестко соединенный со стойками дополнительный кронштейн 9, держатели 10 образца 11, подвижно установленные в обоймах 12 с возможностью фиксации первый 13 и второй 14 ультразвуковые преобразовате- ли, круговую шкалу 15, указатель 16 углов поворота образца 11,соединенную с допол- нительным кронштейном 9 поворотную платформу 17 с центральным отверстием 18, размер отверстия 18 больше размеров ультразвуковых преобразователей 13 и 14, указатель 16 углов поворота размещен на дополнительном кронштейне 9, круговая шкала отсчета углов поворота 15 и держатели 10 образца 11 установлены на поворот- ной патформе 17, обоймы 12 выполнены в виде внешнего 19 и внутреннего 20 стаканов, первого 21 и второго 22 промежуточных стаканов, соединенных штифтами 23, во внешнем стакане 19 обоймы второго ультразвукового преобразователя 14 выполнен кольцевой паз 24 на угол 90°, второй промежуточный стакан 22 снабжен входящий в кольцевой паз 24 рукояткой 25 для поворота второго промежуточного стакана 22 с возможностью фиксации относительно внешнего стакана 19, обойма 12 первого ультразвукового преобразователя 13 снабжена шкалой 26, указателем 27 угла поворотапервогоультразвуковогопреобразователя 13, а также фиксатором 28.

Кроме того, акустополярископ содержит дополнительную платформу 29 со втулками 30, соединенными подвижно со стойками 2, 3 и пружинный механизм 31, состоящий из крышки 32, основания 33, пружины 34, винтов 35, шкалы 36, размещенной на основании 33 v указатель 37 силы сжатия пружины на крышке 32, пружина 34 размещена в основании 33, винты 35 жестко прикрепляют основание 33 к обойме 12 первого ультразвукового 32 преобразователя 13 и удерживают крышку 32, причем последняя соединена с торцом подвижного штока 8, внешний стакан 19 второго 14 ультразвукового преобразователя жестко соединен с основанием 1, а первый 13 ультразвуковой преобразователь имеет метку 38 вектора поляризации (ВП), второй 14 ультразвуковой преобразователь имеет метку 39, отмечающую положение его ВП.

На образец 11 наносят слой 40 контактной среды. На ультразвуковой прибор 41 поступают данные ультразвукового контроля образца 11.

Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых материалов работает следующим образом.

Перед проведением измерений на рабочие поверхности первого 13 и второго 14 ультразвуковых преобразователей наносят слой 40 контактной среды. Затем второй преобразователь 14 ручкой - фиксатором 25 устанавливается в крайнее, например, правое положение и фиксируется в этом положении той же ручкой 25. Фиксатором 28 освобождают первый преобразователь 13 совмещают метку 38 ВП с меткой 39 ВП и с помощью того же фиксатора 28 осуществляют закрепление первого преобразователя 13 в этом положении. Фиксатором 7 освобождают гайку 6 и выводят ее из взаимодей- ствия со штоком 8, после чего перемещением вверх штока 8 совместно с дополнительной платформой 29 и обоймой 12, подают первый преобразователь 13 вверх на расстояние, большее, чем высота контролируемого образца 11. На второй преобразователь 14 по центру центрального отверстия 18 поворотной платформы 17

устанавливают контролируемый образец 11 и закрепляют его держателями 10 образца 11. Освобождают фиксатор 7, выводят откидную часть втулки 6 из взаимодействия со штоком 8, после чего шток 8 совместно с дополнительной платформой 29, обоймой 12 и первым преобразователем 13 подают вниз до контакта преобразователя 13 с образцом 11. При этом за счет наличия на дополнительной платформе 29 втулок 30 соединенных подвижно со стойками 2 и 3 не происходит взаимного нарушения положе- ния меток ВП 33 и 34. Вводят откидную часть 6 во взаимодействие со штоком 8 и фиксируют ее фиксатором 7, после чего вращая шток 8 с помощью пружинного меха- низма 31 устанавливают необходимую нагрузку на контактные поверхности преобразователей 13, 14 и образца 11. Силу сжатия пружины 34 пружинного механизма контролируют при помощи шкалы 36 и указателя 37.

Первый цикл измерений выполняют при так называемых параллельных векторах поляризации излучателя и приемника (см. Статью Горбацевича Ф. Ф. Акустололяриза- ционный метод изучения анизотропии горных пород. Физика Земли №11, 1986. с. 74-79). При этом поворачивая платформу 17, отсчитывают показания круговой шкалы 15 относительно указателя 1 б углов и наблюдают за амплитудой проходящих сдвиговых колебаний по ультразвуковому прибору 41. Измерения выполняют в пределах угла поворота поворотной платформы 17, равного 360°. Затем освобождают ручку-фиксатор 25 в обойме 12 второго ультразвукового преобразователя 14, переводят ручку-фиксатор до упора направо и закрепляют ее, осуществляя тем самым поворот второго ультразвукового преобразователя точно на 90°.

Второй цикл измерений, для выполнения которого необходима предыдущая опе- рация, выполняют при скрещенных векторах поляризации излучателя и приемника. Как и при первом цикле, поворачивают платформу 17, отсчитывая показания круговой шкалы 15 относительно указателя 16 углов, наблюдают за амплитудой прохо- дящих колебаний по ультразвуковому прибору 41. Если требуется установить угол между ВП первого 13 и второго 14 ультразвуковых преобразователей, отличный от 90°, освобождают фиксатор 28, используя шкалу 26 обоймы 12 и указатель 27 угла поворота первого ультразвукового преобразователя 13, производят поворот первого ультразвукового преобразователя 13 на любой желаемый угол.

После завершения испытаний освобождают фиксатор 7, выводят откидную часть втулки 6 из взаимодействия со штоком 8, после чего перемещением вверх штока 8

совместно с дополнительной платформой 29 и обоймой 12 подают первый преобразователь 13 вверх, держателями 10 образца 11 освобождают контролируемый образец 11. Предлагаемое устройство повышает

0 производительно9ть измерений упругости образцов твердых материалов. По сравнению с прототипом она увеличена за счет устранения операций, связанных с освобождением фиксаторов при изменении по5 ложения на стойке дополнительного кронштейна, на котором размещена дополнительная платформа; фиксаторов кронштейна, а также первого и второго ультразвуковых преобразователей. Анало0 гично исключено время, необходимое на закрепление перечисленных элементов указанными фиксаторами. По экспериментальной оценке, за счет снижения числа фиксаторов производительность измере5 ний повышена на 25%. Производительность измерений и процессов подготовки образцов повышена также за счет снижения требований к тщательности пришлифовки противоположных граней образца до опре0 деленной степени их непараллельности. Как правило, камнерезные работы по пришли- фовке граней образца в общем объеме работ, включая и измерения, занимают основную долю. Опытные данные показыва5 ют, что допустимое снижение требований к точности обработки граней образца позволяет сократить время на подготовку образца примерно на одну треть.

За счет второй стойки, дополнительной

0 платформы, устройства обойм первого и второго ультразвуковых преобразователей в виде шарнира Гука, пружинного механизма со шкалой и указателем усилия прижатия контактных поверхностей ультразвуковых

5 преобразователей к граням образца, предлагаемое устройство повышает точность измерения характеристик упругости твердых материалов. Получение более точных характеристик упругости позволяет не проводить

0 повторных измерений, что в свою очередь также повышает производительность труда и сокращает время, затрачиваемое на измерения.

Формула изобретения

5 1. Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых материалов, содержащий основание, стойку, соединенный с ней кронштейн с втулкой, подвижной шток, проходящий сквозь втулку, дополнительный кронштейн с размещенными на

нем поворотной платформой с центральным отверстием, держателями образца и круговой шкалой отсчета углов поворота, указате- лем углов, размещенным на дополнительном кронштейне, обоймы в виде внешнего и внутреннего стаканов, первый и второй ультразвуковые преобразователи, подвижно установленные в соответствующих обоймах и пружинный механизм, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, он снабжен второй стойкой и дополнительной платформой со втулками, вторая стойка расположена диаметрально противоположно первой и жестко соединена с основанием, кронштейном и дополнительным кронштейном, дополнительная платформа подвижно соединена со стойками и жестко

А-А

5

с внешним стаканом обоймы первого преобразователя и через пружинный механизм - с торцом аодвижного штока, втулка кронштейна выполнена с откидной частью, имеющей резьбу и фиксатор, обоймы первого и второго ультразвуковых преобразователей снабжены двумя стаканами, соединенными между собой, штифтами таким образом, что их оси вращения взаимоперпендикулярны и лежат в одной плоскости.

2. Акустополярископ по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что пружинный механизм снабжен основанием с крышкой и указателем силы сжатия пружины, установленным между кронштейном и дополнительной платформой, основание жестко связано с обоймой первого преобразователя, а крышка соединена с торцом подвижного штока.

Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых сред относится к средствам неразрушающего контроля ульт2 развуковыми методами и предназначен для определения свойств изотропных и анизотропных сред, например горных пород, бетона, пластмасс, дерева, композитов и др. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет улучшения акустического контакта по всей контактной плоскости ультразвукового преобразователя с соответствующей гранью образца. Цель изобретения достигается тем, что акустополярископ, содержащий основание 1, стойку 2, соединенный с ней кронштейн 4 с втулкой 5, подвижной шток 8, дополнительный кронштейн 9 с размещенными на нем поворотной платформой 17 с центральным отверстием

23

22

37

Фиг.З