CN108931450A - 一种高低温原位硬度测量仪 - Google Patents

Abstract

一种高低温原位硬度测量仪，属于材料检测仪器领域，它由硬度测量仪、双作用试台、加热装置、降温装置、控制系统组成，其特征是硬度测量仪上设置双作用试台；所述双作用试台包括双作用炉、X‑Y移动试台、自动升降装置；所述双作用炉包括外壳、内仓、仓盖，仓盖与外壳铰接，外壳与内仓之间设置加热装置，内仓腔内设置降温装置；所述自动升降装置由位移计、单片机、伺服电机、丝杆升降机组成。本发明不受传统硬度测量仪自身的工作条件的限制，可测量‑40℃至800℃环境下的试块硬度，且测量误差小、精度高；本发明采用原位加热，不用移动试块，操作便捷且能保证试验人员的安全。

Description

一种高低温原位硬度测量仪

技术领域

本发明属于材料检测仪器领域，具体涉及一种高低温原位硬度测量仪。

背景技术

硬度测量仪广泛应用于各种金属、非金属等材料的测试，通过在材料表面进行精密的多点测量、对压痕面积的测定，来求材料的硬度。现已经成为研究材料微观性质的必备仪器，然而由于突发状况或材料存储环境的影响，比如在火灾情况下或者在严寒地区，材料会受到高温火焰的炙烤（低温环境的冷冻），其自身的温度升高（降低），会使其硬度发生变化，仅仅测量常温下的性质已经不能满足实际的需求；因此有必要对材料在高温（低温）环境下的微观硬度进行测量，但目前硬度测量仪只能测量材料常温下的硬度，因此研发一种可以测量材料在极端温度下的硬度值就显得十分迫切。

发明内容

本发明旨在提供可以使试块在硬度测量仪上直接加热或降温至所需温度，同时不影响硬度测量仪的精度，使试验能够顺利的进行的一种高低温原位硬度测量仪。

一种高低温原位硬度测量仪，由硬度测量仪、双作用试台、加热装置、降温装置、控制系统组成，其特征是硬度测量仪上设置双作用试台；所述双作用试台包括双作用炉、X-Y移动试台、自动升降装置；

所述双作用炉包括外壳、内仓、仓盖，仓盖与外壳铰接，外壳与内仓之间设置加热装置，内仓腔内设置降温装置；

所述自动升降装置由位移计、单片机、伺服电机、丝杆升降机组成；

所述的丝杆升降机上部与X-Y移动试台相连接，下部与硬度测量仪的底座内部相连接，丝杆升降机的横向转轴与伺服电机的输出轴相连接，伺服电机与单片机相连，且单片机与电脑相连以便控制，位移计的滑动杆前端与丝杆升降机相连，位移计主体安装于硬度测量仪的底座内部，且位移计的传输数据线与单片机相连。

所述降温装置由液氮排放罐、液氮回收罐、排放管、增压泵、暂存箱、回收管组成，液氮排放罐内充满液氮，通过排放管将液氮排放至制冷管道，将试件降温，多余的液氮会排入暂存箱，再通过增压泵、回收管将液氮回收至液氮回收罐中。

本发明的硬度测量仪：硬度测量仪采用普通数显自动转塔硬度测量仪，位移计检测X-Y移动试台的高度，将此时X-Y移动试台升降的高度转化成电压信号U₁传输给单片机，在单片机上设定有电压信号U₂，即X-Y移动试台所需的高度，当U₁≠U₂时，单片机控制伺服电机运转，进而控制丝杆升降机将X-Y移动试台上升或下降到合适的高度，在此过程中位移计始终输出电压信号U₁；当U₁= U₂时，单片机控制伺服电机停止运转，使X-Y移动试台停止在一定的高度。

双作用试台包括内仓与外壳，内仓位于外壳内部，外壳采用双层耐高温钢板无缝焊接而成，两层钢板内外均喷涂耐高温隔热保温涂料，且两层钢板之间为无缝焊接，并将其抽成真空状态，以便隔热保温；内仓由双层0Cr19Ni9不锈钢（304）焊接而成，在内仓的底部接有与其材质相同的钢管，钢管外接抽气真空机，可通过此钢管抽气、送气，使内仓双层钢板之间保持真空或大气压状态，在内仓的底部与外壳之间的空隙采用石棉作垫层，内仓内侧为制冷管道，管道由紫铜制成，盘结在内仓内侧四周，并通过仓盖上的排放管与第一液氮装置相连，在制冷管道的下方有回收管道，回收管道与第二液氮装置相连，回收管道与排放管为丝扣连接，与回收管道为卡扣式连接。

加热装置：采用电阻丝作为发热元件，其最高温度采用可达1400℃，通过人工智能控温调温，在设定好温度后，按一定速率升温；在加热到所需温度后，进入保温状态，使试件温度保持在一定范围内。

控制系统：加热时采用热电偶测量试件的温度，采用温度控制器来控制电阻丝的发热温度，通过接收所连接热电偶的信号实现温度控制，温度控制器与电阻丝的电源相连，当温度高于或者低于设定的温度时，控制电阻丝电源的通断来控制仓内的温度。

降温时采用热电阻来测量试件的温度，热电阻与温度控制器相连，将测得的温度与设定的温度相比较，温度控制器通过控制与其相连的电磁阀的开关来控制液氮的输送。

本发明不受传统硬度测量仪自身的工作条件的限制，可测量-40℃至800℃环境下的试块硬度，且测量误差小、精度高；本发明采用原位加热，不用移动试块，操作便捷，劳动强度小且能保证试验人员的安全。

附图说明

图1为本发明高低温原位硬度测量仪的结构图；

图2为本发明中双作用试台的结构图；

图3为本发明中双作用试台的外观图；

图4为图2的俯视图；

图5为图2的仰视图；

图6为双作用试台的仓盖图；

图7为降温流程图；

图8为加热流程图；

图9为X-Y移动试台升降控制图。

图中，1、硬度测量仪，2、X-Y移动试台，3、双作用炉，4、内仓，5、电阻丝，6、制冷管道，7、排放管，8、回收管道，9、钢管，10、耐高温钢板，11、硅酸铝纤维板，12、石棉，13、手动止气阀，14、丝扣，15、电磁阀，16、卡扣，17、搭扣，18、液氮排放罐，19、暂存箱，20、液氮回收罐，21、试件，22、热电阻，23、温度控制器，24、电源开关，25、热电偶，26、增压泵，27、位移计，28、单片机，29、伺服电机，30、丝杆升降机，31、仓盖，32、真空机，33、止气阀，34、外壳，35、自动升降装置。

具体实施方式

图1所示，硬度测量仪1的底座与自动升降装置35的下端固定，自动升降装置35的上面与X-Y移动试台2相连接。

X-Y移动试台2上面安装了既能加热还能降温的双作用炉3。

图8所示，所述自动升降装置35由位移计27、单片机28、伺服电机29、丝杆升降机30组成；丝杆升降机30的横向转轴与伺服电机29的输出轴相连接，伺服电机29与单片机28相连，且单片机与电脑相连以便控制，位移计的滑动杆前端与丝杆升降机30相连，位移计主体安装于硬度测量仪的底座内部，且位移计的传输数据线与单片机相连。

图2、图3所示，所述双作用炉3包括外壳34、内仓4、仓盖31，仓盖31与外壳3通过搭扣17连接，内仓4位于外壳3内部，外壳34与内仓4之间设置加热装置(即电阻丝5)，内仓4腔内设置制冷管道6。

所述外壳34采用双层耐高温钢板无缝焊接而成，两层钢板内外均喷涂耐高温隔热保温涂料，且两层钢板之间为无缝焊接，并将其抽成真空状态，以便隔热保温；

所述内仓4由双层0Cr19Ni9不锈钢焊接而成，在内仓的底部接有与内仓4材质相同的钢管9，钢管9外接抽气真空机32，通过钢管9抽气、送气，使内仓双层钢板之间保持真空或大气压状态；在降温试验操作时，将内仓4两层钢板之间抽气形成真空状态，以便保护电阻丝5，隔绝冷气；在加热状态下将两层钢板之间充气至与大气压相同，以便热传导，在钢管9的末端设有手动止气阀13，在抽气完成后手动关闭；在内仓4的底部与外壳3之间的空隙采用石棉12作垫层。

图4、图5所示，内仓4内侧为制冷管道6，管道由紫铜制成，盘结在内仓内侧四周，并通过仓盖上的排放管7以及电磁阀15与液氮排放罐18相连，制冷管道6与排放管7之间采用螺旋丝扣14连接，排放管与仓盖31固接，在制冷管道6的下方有回收管道8，回收管道8与制冷管道6之间采用卡扣16连接，便于拆卸，可在加热升温前将制冷管道6拆卸下来，保护制冷管道6，回收管8与暂存箱19相连，排放管道7与回收管道8均由双层紫铜管制成，双层紫铜之间为真空，避免在降温过程中伤到试验人员。

图2、图5、图6所示，电阻丝5分布排列在内仓4与外壳5之间的四周，使试件21均匀受热。

在双作用炉的上方有仓盖31，图2、图4所示，仓盖31由双层耐高温钢板10及硅酸铝纤维板11嵌合而成，耐高温钢板10双层之间为真空，以便隔热。

图7所示，降温装置由液氮排放罐、液氮回收罐、排放管、增压泵、暂存箱、回收管、制冷管道组成，液氮排放罐内充满液氮，通过排放管将液氮排放至制冷管道，将试件降温，多余的液氮会排入暂存箱，再通过增压泵、回收管将液氮回收至液氮回收罐中。

在进行降温试验时，液氮排放罐18将液氮经排放管7、电磁阀15（此时电磁阀15开启），排放入冷去管道6中，用以冷却试件21，热电阻22测量试件21的温度并将测得的温度信号传输给温度控制器23，温度控制器23与设定的温度相比较，当温度未达到设定要求时，温度控制器23设定电磁阀15打开，而当温度达到设定温度时，温度控制器23设定电磁阀15关闭；残余的液氮经回收管8进入暂存箱19中，在降温完毕后，关闭止气阀33，同时，增压泵26向暂存箱19中增大压强，进而将残余液氮回收至液氮回收罐20中。

图7所示，在进行加热试验时，电源开关24打开，开始向电阻丝5通电，以便加热试件21，同时，热电偶25实时测量试件21的温度并将温度信号传输给温度控制器23，当达到设定温度时，温度控制器23设定电源开关24断开，使其保持试验温度。

本发明的使用方法:

1、开启硬度测量仪及电脑电源，打开仓盖31，选择与试验契合的垫块将试块21放入X-Y移动试台2，调整好X-Y移动试台2的原始高度，使试块21能在电脑屏幕上形成清晰的图像；

2、控制单片机28将此时位移计27传输来的信号设为所需高度，将X-Y移动试台2下降至合适的高度，关闭仓盖31；

3、降温步骤

（1）打开抽气真空机32经钢管9将内仓4双层钢板之间的空气抽净，关闭止气阀13；

（2）打开液氮排放罐18，手动打开电磁阀15，待降温完毕后关闭液氮排放罐，关闭止气阀33，打开增压泵26，将暂存箱19内的液氮回收至液氮回收罐；

（3）打开仓盖31，控制X-Y移动试台2上升至原始高度，开始试验。

4、升温步骤

（1）打开止气阀13，使内仓4双层钢板之间充满空气，打开仓盖31，将制冷管道6从内仓4中拿出来，关闭仓盖4；

（2）在温度控制器23上设定好打开电源开关24，此时待加热完毕后打开仓盖31，控制X-Y移动试台2上升至原始高度，开始试验。

Claims (6)

1.一种高低温原位硬度测量仪，由硬度测量仪、双作用试台、加热装置、降温装置、控制系统组成，其特征是硬度测量仪上设置双作用试台；所述双作用试台包括双作用炉、X-Y移动试台、自动升降装置；

所述双作用炉包括外壳、内仓、仓盖，仓盖与外壳铰接，外壳与内仓之间设置加热装置，内仓腔内设置降温装置；

所述自动升降装置由位移计、单片机、伺服电机、丝杆升降机组成；

所述的丝杆升降机上部与X-Y移动试台相连接，下部与硬度测量仪的底座内部相连接，丝杆升降机的横向转轴与伺服电机的输出轴相连接，伺服电机与单片机相连，且单片机与电脑相连以便控制，位移计的滑动杆前端与丝杆升降机相连，位移计主体安装于硬度测量仪的底座内部，且位移计的传输数据线与单片机相连。

2.根据权利要求1所述一种高低温原位硬度测量仪，其特征是所述降温装置由液氮排放罐、液氮回收罐、排放管、增压泵、暂存箱、回收管组成，液氮排放罐内充满液氮，通过排放管将液氮排放至制冷管道，将试件降温，多余的液氮通过回收管排入暂存箱，再通过增压泵将液氮回收至液氮回收罐中。

3.根据权利要求1所述一种高低温原位硬度测量仪，其特征是所述加热装置为电阻丝。

4.根据权利要求1所述一种高低温原位硬度测量仪，其特征是所述控制系统包括热电偶、热电阻、温度控制器，热电偶测量试件的温度并传送给温度控制器，温度控制器接收到热电偶的信号并控制电阻丝的发热温度实现温度控制，温度控制器与电阻丝的电源相连，当温度高于或者低于设定的温度时，温度控制器控制电阻丝电源的通断来控制仓内的温度；

降温时采用热电阻来测量试件的温度，热电阻与温度控制器相连，温度控制器接收热电阻传送来的试件实测温度，并将试件实测温度与设定温度相比较，温度控制器通过控制与其相连的电磁阀的开关来控制液氮的输送。

5.根据权利要求1所述一种高低温原位硬度测量仪，其特征是位移计检测X-Y移动试台的高度，将此时X-Y移动试台升降的高度转化成实际电压信号U₁传输给单片机，在单片机上设定X-Y移动试台所需高度的设定电压信号U₂；当实际电压信号U₁≠设定电压信号U₂时，单片机控制伺服电机运转，进而控制丝杆升降机将X-Y移动试台上升或下降到合适的高度，在此过程中位移计始终输出实际电压信号U₁；当实际电压信号U₁=设定电压信号U₂时，单片机控制伺服电机停止运转，使X-Y移动试台停止在一定的高度。

6.根据权利要求1所述一种高低温原位硬度测量仪，其特征是它的使用方法包括下述内容：

（1）开启硬度测量仪及电脑电源，打开仓盖，选择与试验契合的垫块并将试块放入X-Y移动试台，调整好X-Y移动试台的原始高度，使试块能在电脑屏幕上形成清晰的图像；

（2）控制单片机将此时位移计传输来的信号设为所需高度，将X-Y移动试台下降至合适高度，关闭仓盖；

（3）降温步骤：

（a）打开抽气真空机经钢管将内仓双层钢板之间的空气抽净，关闭止气阀；

（b）打开液氮排放罐，打开电磁阀，待降温完毕后关闭液氮排放罐，关闭止气阀，打开增压泵，将暂存箱内的液氮回收至液氮回收罐；

（c）打开仓盖，控制X-Y移动试台上升至原始高度，开始试验；

（4）升温步骤：

（a）打开止气阀，使内仓双层钢板之间充满空气，打开仓盖，将制冷管道从内仓中拿出来，关闭仓盖；

（b）在温度控制器上设定温度并打开电源开关，此时待加热完毕后打开仓盖，控制X-Y移动试台上升至原始高度，开始试验。