Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых материалов

(21) 4840141/28 (22) 18.06.90 (46) 23.12.92, Бюл, (71) Геологический ного центра АН СС (72) Ф, Ф. Горбаце 56) Авторское сви М 1281993, кл. О 0(57) Акустополяригости образцов тсредствам нераз 3 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР%47институт Кольского научСРвич и А. А, Филяшкиндетельство СССР1 й 29/04, 1987. ИСКОП ДЛЯ ИЗМЕРЕОБРАЗЦОВ ТВЕРДЫХ скоп для измерения упру вердых сред относится к ушающего контроля ульт 2раэвуковыми методами и предназначен для определения свойств изотропных и анизотропных сред, например горных пород, бетона, пластмасс, дерева, композитов и др. Цель изобретения - повышение точности измерений эа 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 отверстием1783412 15 20 25 30 18, держателями образца 10 и круговой шкалой отсчета углов поворота 15, указателем углов 16, размещенным на дополнительном кронштейне 9, обоймы 12 в виде внешнего 19 и внутреннего 20 стаканов, первый 13 и второй 14 ультразвуковые преобразователи, подвижно установленные в соответствующих обоймах, и пружинный механизм 31, снабжен второй стойкой 3 и дополнительной платформой 29 с втулками 30, вторая стойка "распОложена диаметрально противоположно первой и жестко соединена с основанием 1, кронштейном 4 и дополнительным кронштейном 9, дополнительная платформа подвижно соединена со стойками и жестко с внешним стаканом обоймы первого преобразователя 13 и через пружинный механизм 31 - с торцом подвижноИзобретение относится к средствам не- разрушающего контроля ультразвуковыми методами, Оно может быть использовано при определении свойств упругости иэотропных 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 оснований 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 го штока 8, втулка кронштейна выполнена с откидной частью 6 с резьбой и фиксатором 7, обоймы первого и второго ультразвуковых преобразователей снабжены двумя стаканами 21 и 22, соединенными между собой штифтами 23 таким образом, что их оси вращения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости. Кроме того, пружинный механизм 31 снабжен основанием 33 с крышкой 32 и указателем силы сжатия пружины 34, установленным между кронштейном и дополнительной платформой, основание 33 жестко связано с обоймой первого преобразователя 13, а крышка сое- . динена с торцом подвижного штока 8. Устройство повышает производительность труда и сокращает время, необходимое для измерений. 1 3, и. ф-лы, 3 ил. 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 10 Известен акустополярископ для изме рения 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 преоб. разователей выполнены в виде внешнего и внутреннего стаканов, во внешнем стакане 35 нижнего ультразвукового преобразователя выполнен кольцевой паз на угол 900, внутренний стакан снабжен входящей в кольцевой паэ рукояткой для поворота внутреннегопрорезей, установки в прорезях штифтов, Втулки основного и дополнительного кронштейна снабжены шпонками и фиксаторами, обоймы преобразователей снабжены 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 верхнего преобразователя и стойки й к радиусу г стойки, Аналогично, в процессе передвижения и закрепления платформы и осей верхнего и нижнего ультразвуковых преобразователей. Величина 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 измереконтролировать силу прижатия контактных поверхностей преобразователей к граням образца, Однако существующее устройство не позволяет это делать. Наличие большого стакана с возможностью фиксации относи- в прорезях, положенйе которйхнеобходимотельно внешнего стакана, причем обоймыконтролировать в процессе измерений,подпружинены, соответственно, относи- чрезмерно усложняет работу с акустополятельнооснованияиштока,путемустановки 5 рископом.в обечайках пружин, устройства в обечайках . Цель изобретения - увеличение точности измерений,Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее основа 1 О ние, стойку, соединенный с ней кронштейншкалами и указателями угла поворота пре- с втулкой, подвижной шток, проходящийобразователей, а вдоль стойки и подвижно- сквозь втулку, дополнительный кронштейнго штока выполнены пазы под шпанки с размещеннымина немповоротнойплатДля обеспечения необходимой точно- формой с центральным отверстием, держасти измерений очень важно обеспечить со- телями образца и круговой шкалой отсчетаосностьверхнегоинижнегоультразвуковых углов поворота, указателем углов, размепреобразователей, а также поворотной щенным на дополнительном кроонштейне,обоймы в виде внешнего и внутреннего стаканов, первый и второй ультразвуковые преобразователи, подвижно установленные всоответствующих обоймах и пружинный механизм, снабжено второй стойкой и дополнительной платформой со втулками, втораяшпонкойипазом,выполненнымвдольстой-стойка расположена диаметрально протики, Степень отклонения осей пропорцио- воположно первой и жестко соединена снальна отношению расстояния между осью основанием, кронштейном и дополнительным кронштейном, дополнительная платформа подвижно соединена со стойками ижестко с внешним стаканом обоймы перводополнительного кронштейна и соединен- го преобразователя и через пружинный меной с ним поворотной платформы наруша- ханизм - с торцом подвижного штока,ется соосность оси вращения поворотной втулка кронштейна выполнена с откиднойчастью, имеющей резьбу и фиксатор, обоймы первого и второго ультразвуковых преотклонения осей также зависит от соотно- обрэзователей двумя стаканами,шения й/гл Значительное увеличение ради- З 5 соединенными между собой штифтами тауса стойки утяжеляет конструкцию. ким образом, что их оси вращения взаимноСнижению точности измерений способству- перпендикулярны и лежат в одной плоскости,ет наличие зазоров между пазами и шпон- Увеличение точности также достигается иками, штифтами и прорезями в подвижном тем, что пружинный механизм снабжен осно 4 О ванием с крышкой и указателем силы сжатияпружины, установленным между кронштейном и дополнительной платформой, основание жестко связано с обоймой первогопреобразователя, а крышка соединена с45 торцом подвижного штока, Наличие второйстойки, расположенной диаметрально противоположно первой, а также дополнительной платформы с втулками позволяетобеспечить точную соосность первого, вто 5 О рого ультразвуковых преобразователей иоси вращения поворотной платформы. Наличие пружинного механизма с указателемсилы сжатия пружины позволяет контролировать усилие прижатия контактных повер-.ний, Для точных измерений необходимо 55 хностей преобразователей к гранямобразца, Проведение измерений при однойи той же силе прижатия обеспечивает болееточные измерения. Наличие на подвижномштоке и на откидной части втулки резьбы,числа фиксаторов, шпонок, пазов, штифтов позаоллет более точно устанаалиаать силусжатия 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 преобразователей 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 не- параллельности граней образца, увеличивая тем самым точность измерений.При проведении патентного поиска не обнаружены технические решения аналогичного назначения, которые имели бы призна кй, 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 материалов, 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 материаловсодержит основание 1, жестко закрепленные на нем стойки 2 и 3, жестко соединенный с ними кройштейн 4 с втулкой 5, которая снабжена откидной частью 6 с резьбой и фиксаторомм 7, и роходя щий с квоз ь втул ку 5 снабженный резьбой подвижный шток 8, жестко соединенный со стойками дополнительный кронштейн 9, держатели 10 образца 11, подвйжно установленные в обоймах 12 с возможностью фиксации первый 13 и второй 14 ультразвуковые преобразователи, круговую шкалу 15, указатель 16 углов поворота образца 11, соединенную с дополнительным 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 поворотной патформе 17, обоймы 12 выполнены в виде внешнего 19 и внутреннего 20 стака. нов, первого 21 и второго 22 промежуточных стаканов, соединенных штифтами 23, во внешнем стакане 19 обоймы второго ультра 10 20 щена в основании 33, винты 35 жестко прикрепляют основание 33 к обойме 12 первого 25 35 40 45 50 55 звукового преобразователя 14 выполнен кольцевой паз 24 на угол 90 О, второй промежуточный стакан 22 снабжен входящий в кольцевой паэ 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 поворота первого ультразвукового преобразователя 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 и указатель 37 силы сжатия пружины на крышке 32, пружина 34 размеультразвукового 32 преобразователя 13 и удерживают крышку 32, причем последняя соединенас 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 контакт- ной 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 взаимодействия 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 17устанавливают контролируемый образец 11и закрепляют его держателями 10 образца11. Освобождают фиксатор 7, выводят откидную часть втулки 6 из взаимодействия соштоком 8, после чего шток 8 совместно с 5дополнительной платформой 29, обоймой12 и первым преобразователем 13 подаютвниз до контакта преобразователя 13 с образцом 11, При этом за счет наличия надополнительной платформе 29 втулок 30 соединенных подвижно со стойками 2 и 3 непроисходит, взаимного нарушения положе ния меток ВП 33 и 34. Вводят откиднуючасть 6 во взаимодействие со штоком 8 ификсируют ее фиксатором 7, после чего вращая шток 8 с помощью пружинного механизма 31 устанавливают необходимуюнагрузку на контактные поверхности преобразоаателей 13, 14 и образца 11. Силу сжатия пружины 34 пружинного механизма 20контролируют при помощи шкалы 36 и указателя 37.Первый цикл измерений выполняют притак называемых параллельных векторах поляризации излучателя и приемника (см. 25Статью Горбацевича Ф, Ф, Акустополяризационный метод изучения анизотропйи горных пород. Физика Земли М 11, 1986, с.74 - 79). При этом поворачивая платформу 17,отсчитывают показания круговой шкалы 15 30относительно указателя 16 углов и наблюдают эа амплитудой проходящих сдвиговыхколебаний по ультразвуковому прибору 41.Измерения выполняют в пределах угла поворота поворотной платформц 17, равного 35360 О. Затем освобождают ручку-фиксатор25 в обойме 12 второго ультразвукового преобразователя 14, переводят ручку-фиксатордо упора направо и закрепляют ее, осуществляя тем самым поворот второго ультразвукового преобразователя точно на 90 О,Второй цикл измерений, для выполнения которого необходима предыдущая операция, выполняют при скрещенных 45 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 О, освобождают фиксатор 28, используя 55 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 испйтаний 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 производительность измерений упругости образцов твердых материалов. По сравнению с прототйпом "ойа" увеличейа за счет устранения операций, связанных с освобождением фиксаторов при изменении положения на стойке дополнительного кронштейна, на котором размещена дополнительная платформа; фиксаторов кронштейна, а также первого и второго ультразвуковых йреобраэователей, Аналогично исключено время, необходимое на закрепление перечисленных элементов указанными фиксаторами. По экспериментальной оценке, за счет снижения числа фиксаторов производительность измерений повышена на 25. Производительность измерений и процессов подготовки образцов повышена также за счет снижения требований к тщательности пришлифовки противоположных граней образца до определенной степени их непараллельности, Как правило, камнерезные работы по пришлифовке граней образца в общем обьеме работ, включая и измерения, занимают основную долю. Опытные данные показывают, что допустимое снижение требований к точности обработки граней образца позволяет сократить время на подготовку образца примерно на одну треть,За счет второй стойки, дополнительной платформы, устройства обойм первого и второго ультразвуковых преобразователей в виде шарнира Гука, пружинного механизма со шкалой и указателем усилия прижатия контактных поверхностей ультразвуковых преобразователей к граням образца, предлагаемое устройство повышает точность измерения характерйстик упругости твердых материалов, Получение более точных характеристик упругости позволяет не проводить повторных измерений, что в свою очередь также повышает производительность труда и сокращает время, затрачйваемое на изме- рения.Формула изобретения 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 на1783412 Рог.,ЗцевичКорректорТ.Палий ь Ф,Го оргент Составит Техред М Редак 11 Тираж ПодписноеИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Заказ Втвенно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 из нем поворотной платформой с центральным отверстием, держателями образца и круговой шкалой отсчета углов. поворота, указателем углов, размещенным на дополнительном кронштейне, обоймы в ви де внешнего и внутреннего стаканов, первый и второй ультразвуковые преобразователи, подвижно установленные в соответствующих обоймах и пружинный механизм, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью 10 увеличения точности измерений, он снабжен второй стойкой и дополнительной платформой со втулками, вторая стойка расположена диаметрально противоположно первой и жестко соединена с основани ем, .кронштейном и дополнительным кронштейном, дополнительная платформа подвижно соединена со стойками и жесткоА А 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 снабжены двумя стаканами, соединенными между собой, штифтами таким образом, что их оси вращения взаимоперпендикулярны и лежат в одной плоскости.2. Акустополярископ по и, 1, о т л и ч аю щ и й 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.