CN103954516B - 低温环境下冰的硬度和抗压强度测试装置 - Google Patents

低温环境下冰的硬度和抗压强度测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温环境下冰的硬度和抗压强度测试装置，是由低温冷柜、硬度测试台、参数采集及控制系统组成，硬度测试台设置在低温冷柜中，参数采集及控制系统位于低温冷柜外部，硬度测试台的低温压力传感器和低温位移传感器的数据线和电动升降机的电源线通过低温冷柜侧面小孔引至低温冷柜外，并与控制箱连接；低温冷柜可以为测试样品提供低温环境；参数采集及控制系统控制硬度测试台中电动升降机的运动和采集低温位移传感器、低温压力传感器的信号，并为低温位移传感器、低温压力传感器和电动升降机提供电源，同时负责采集信号和实时显示和存储相关测试数据；采用低温位移传感器和压力传感器采集信号，参数采集及控制系统位于常温环境下，降低了元器件对环境温度的要求。

Description

低温环境下冰的硬度和抗压强度测试装置
技术领域
本发明涉及一种低温环境下冰的硬度和抗压强度测试装置。
背景技术
我国低温科学发展迅速，低温材料的性质也多有测量，而硬度和强度的测量数据却相对较少，特别是对冰的硬度和强度的测量，国内相关研究更少。在极地钻探领域中，冰的硬度和强度都对钻井工艺和设备有重要意义。但查阅国内资料，尚未见相关测试实验；在国外，也只在五六十年代，有部分专家对冰的硬度和强度做过一些初步测量，相关数据资料极其贫乏。
目前市场上普售的硬度计试验台采用了大量的常规的电子元件和液压元件，这些元器件在温度低于零下20℃时无法获取准确的参数。
发明内容
本发明的目的提供一种低温环境下冰的硬度和抗压强度测试装置。
本发明是由低温冷柜、硬度测试台、参数采集及控制系统组成，硬度测试台设置在低温冷柜中，参数采集及控制系统位于低温冷柜外部，硬度测试台的低温压力传感器和低温位移传感器的数据线和电动升降机的电源线通过低温冷柜侧面小孔引至低温冷柜外，并与控制箱连接。低温冷柜为市场上购买的低温设备，冷柜内温度最低可达-60℃。低温冷柜可以为测试样品提供低温环境；
参数采集及控制系统是由上位机和控制箱组成，主要用来控制硬度测试台中电动升降机的运动和采集低温位移传感器、低温压力传感器的信号；控制箱通过导线与硬度测试台连接，为低温位移传感器、低温压力传感器和电动升降机提供电源，同时负责采集信号，并通过串口线将信号传输至上位机中，上位机实时显示和存储相关测试数据；控制箱中控制系统可以在很大范围内对电动升降机的升降速度进行无级调速。
硬度测试台是由第一定位螺钉、顶板、转接接头、支撑杆、电动升降机、位移传感器安装板、底脚螺帽、低温压力传感器、紧固螺钉、标准硬度压头、样品托盘、低温位移传感器、第二定位螺钉和底板构成，顶板和底板分别套设在四根支撑杆的上下部，各支撑杆的上下端以螺母固定顶板和底板，各支撑杆的底部螺接有底脚螺帽，电动升降机安装在底板上，样品托盘固定在电动升降机顶部，样品托盘可随着电动升降机上下运动，位移传感器安装板固定在底板上，低温位移传感器的底部通过第二定位螺钉固定在位移传感器安装板中，低温位移传感器的上端与样品托盘边缘连接，低温压力传感器通过第一定位螺钉固定在顶板的底部，转接接头固定在低温压力传感器的底部，标准硬度压头插接在转接接头下部并通过紧固螺钉固定。
所述的转接接头的下部固定有平压板。
所述的标准硬度压头为标准布氏硬度压头。
本发明的工作过程：
首先将硬度测试台放入低温冷柜内，低温压力传感器和低温位移传感器的数据线和电动升降机的电源线通过低温冷柜侧面小孔引至低温冷柜外，并与控制箱连接。
开通低温冷柜电源，并将温度调节至待检测的温度，在此过程中，硬度测试台始终放置在冷柜内，温度对测试样品温度产生影响。测试样品放置于样品托盘中心，启动电动升降机，使样品上升至与标准硬度压头恰好接触，此时将位移传感器数值清零。接通电动升降机电源，调节电动升降机缓慢上升，标准硬度压头挤压测试样品，低温压力传感器输出压力值，低温位移传感器输出位移值。当压力值达到某一设定值时，电机停止，通过监测软件系统即可得到压力值和压入深度，通过压力和压入深度可计算出测试样品硬度值。
标准硬度压头可更换为岩石压入硬度压头、洛氏压头等，就可测量出相应的压入硬度和洛氏硬度。
更换大量程压力传感器，并将标准硬度压头更换为平压板，即可测量冰的抗压强度，并结合位移传感器数据可得出冰样的应力—应变曲线。测试过程同上。
利用该试验台还可测量其他材料在低温环境下的硬度和强度。测试过程同冰样测试相同。
本发明的有益效果：
本发明很好地解决了低温环境下冰硬度检测问题，本发明采用低温位移传感器和低温压力传感器采集信号，并将参数采集及控制系统放置在常温环境下，降低了元器件对环境温度的要求。
本发明结构简单，工作可靠，操作方便，并且可实现多种功能，更换标准硬度压头后可以测试材料不同种类硬度值，如布氏硬度、压入硬度等。同时除冰以外还可以用来检测其他低温材料的硬度性能，当更换大量程传感器后，也可以用来测试材料的抗压强度等参数，具有一定的通用性。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明的硬度测试台立体示意图。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，本实施例是由低温冷柜A、硬度测试台B、参数采集及控制系统C组成，硬度测试台B设置在低温冷柜A中，参数采集及控制系统C位于低温冷柜A外部，硬度测试台B的低温压力传感器12和低温位移传感器16的数据线和电动升降机9的电源线通过低温冷柜A侧面小孔引至低温冷柜A外，并与控制箱3连接。低温冷柜A为市场上购买的低温设备，冷柜内温度最低可达-60℃。低温冷柜A可以为测试样品8提供低温环境；
参数采集及控制系统C是由上位机2和控制箱3组成，主要用来控制硬度测试台B中电动升降机9的运动和采集低温位移传感器16、低温压力传感器12的信号；控制箱3通过导线1与硬度测试台B连接，为低温位移传感器16、低温压力传感器12和电动升降机提供电源，同时负责采集信号，并通过串口线将信号传输至上位机2中，上位机2实时显示和存储相关测试数据；控制箱3中控制系统可以在很大范围内对电动升降机9的升降速度进行无级调速。
硬度测试台B是由第一定位螺钉4、顶板5、转接接头6、支撑杆7、电动升降机9、位移传感器安装板10、底脚螺帽11、低温压力传感器12、紧固螺钉13、标准硬度压头14、样品托盘15、低温位移传感器16、第二定位螺钉17和底板18构成，顶板5和底板18分别套设在四根支撑杆7的上下部，各支撑杆7的上下端以螺母固定顶板5和底板18，各支撑杆7的底部螺接有底脚螺帽11，电动升降机9安装在底板18上，样品托盘15固定在电动升降机9顶部，样品托盘15可随着电动升降机9上下运动，位移传感器安装板10固定在底板18上，低温位移传感器16的底部通过第二定位螺钉17固定在位移传感器安装板10中，低温位移传感器16的上端与样品托盘15边缘连接，低温压力传感器12通过第一定位螺钉4固定在顶板5的底部，转接接头6固定在低温压力传感器12的底部，标准硬度压头14插接在转接接头6下部并通过紧固螺钉13固定。
所述的转接接头6的下部固定有平压板。
所述的标准硬度压头14为标准布氏硬度压头。
本发明的工作过程：
首先将硬度测试台B放入低温冷柜A内，低温压力传感器12和低温位移传感器16的数据线和电动升降机9的电源线通过低温冷柜A侧面小孔引至低温冷柜A外，并与控制箱3连接。
开通低温冷柜A电源，并将温度调节至待检测的温度，在此过程中，硬度测试台B始终放置在冷柜A内，温度对测试样品8温度产生影响。测试样品8放置于样品托盘15中心，启动电动升降机9并使测试样品8上升至与标准硬度压头14恰好接触，此时将低温位移传感器16清零。接通电动升降机9电源，调节电动升降机9缓慢上升，标准硬度压头14挤压测试样品8，低温压力传感器12输出压力值，低温位移传感器16输出位移值。当压力值达到某一设定值时，电机停止，通过检测即可得到压力值和压入深度，通过压力和压入深度可计算出测试样品硬度值。
标准硬度压头14可更换为岩石压入硬度压头、洛氏压头等，就可测量出相应的压入硬度和洛氏硬度。
更换大量程压力传感器，并将标准硬度压头14更换为平压板，即可测量冰的抗压强度，并结合位移传感器数据可得出冰样的应力—应变曲线。测试过程同上。
利用该试验台还可测量其他材料在低温环境下的硬度和强度。测试过程同冰样测试相同。

Claims (1)

1.一种低温环境下冰的硬度和抗压强度测试装置，其特征在于：是由低温冷柜(A)、硬度测试台(B)、参数采集及控制系统(C)组成，硬度测试台(B)设置在低温冷柜(A)中，参数采集及控制系统(C)位于低温冷柜(A)外部，硬度测试台(B)的低温压力传感器(12)和低温位移传感器(16)的数据线和电动升降机(9)的电源线通过低温冷柜(A)侧面小孔引至低温冷柜(A)外，并与控制箱(3)连接；
所述的参数采集及控制系统(C)是由上位机(2)和控制箱(3)组成，控制箱(3)通过导线(1)与硬度测试台(B)连接，控制箱(3)为低温位移传感器(16)、低温压力传感器(12)和电动升降机提供电源，同时负责采集信号，并通过串口线将信号传输至上位机(2)中，上位机(2)实时显示和存储相关测试数据；控制箱(3)中控制系统对电动升降机(9)的升降速度进行无级调速；
所述的硬度测试台(B)是由第一定位螺钉(4)、顶板(5)、转接接头(6)、支撑杆(7)、电动升降机(9)、位移传感器安装板(10)、底脚螺帽(11)、低温压力传感器(12)、紧固螺钉(13)、标准硬度压头(14)、样品托盘(15)、低温位移传感器(16)、第二定位螺钉(17)和底板(18)构成，顶板(5)和底板(18)分别套设在四根支撑杆(7)的上下部，各支撑杆(7)的上下端以螺母固定顶板(5)和底板(18)，各支撑杆(7)的底部螺接有底脚螺帽(11)，电动升降机(9)安装在底板(18)上，样品托盘(15)固定在电动升降机(9)顶部，样品托盘(15)可随着电动升降机(9)上下运动，位移传感器安装板(10)固定在底板(18)上，低温位移传感器(16)的底部通过第二定位螺钉(17)固定在位移传感器安装板(10)中，低温位移传感器(16)的上端与样品托盘(15)边缘连接，低温压力传感器(12)通过第一定位螺钉(4)固定在顶板(5)的底部，转接接头(6)固定在低温压力传感器(12)的底部，标准硬度压头(14)插接在转接接头(6)下部并通过紧固螺钉(13)固定；所述的转接接头(6)的下部固定有平压板。
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