DD280605A1 - Vorrichtung zur probenpraeparation fuer ultraschallmessungen unter hochdruck-hochtemperatur-bedingungen mit fluessigen und gasfoermigen druckuebertragungsmitteln - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Probenpraeparation fuer Ultraschallmessungen unter Hochdruck-Hochtemperatur-Bedingungen mit fluessigen und gasfoermigen Druckuebertragungsmitteln. Die Erfindung findet in der hydrostatischen Hochdruck-Hochtemperaturtechnik Verwendung, insbesondere bei der Praeparation von Messanordnungen fuer Ultraschallmessungen an zylindrischen Gesteinsproben bis zur partiellen Aufschmelzung bzw. bei deren Qualitaetskontrolle vor Versuchsbeginn. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung jeweils spezieller Vorrichtungen, die die reproduzierbare Versuchsvorbereitung der Probenanordnungen zur Erfassung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten elastischer Longitudinal- und Transversalwellen in hydrostatischen Druckkammern mit fluessigen Druckuebertragungsmitteln bis 400 Grad Celsius und in Gasdruckkammern bis 1 000 Grad Celsius erlauben. Die erfindungsgemaesse Loesung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung durch ihre Formgebung, ihren Aufbau und die entsprechenden Passungen auch ohne spezielles Zutun des Experimentators keine andere als die fuer die Durchfuehrung der Hochdruck-Hochtemperatur-Experimente erforderliche Praeparationsart und -qualitaet ermoeglicht.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Präparation mehrteiliger Probenanordnungen für die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten longitudinaler und transversaler Ultraschallwellen in zylindrischen Prüfkörpern als Vorbereitung von Hochdruck-Hochtemperatur-Experimenten in hydrostatischen Hochdruck-Kammern und bis zur partiellen Aufschmelzung der Proben in Gasdruckkammern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der Patentliteratur gibt es keine Angaben zu Vorrichtungen für die Erfassung der elastischen Eigenschaften von Prüfkörpern unter den Bedingungen hoher Drücke und hoher Temperaturen. Alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen bauen entweder auf einer technologischen Anwendung des Ultraschalls, beispielsweise zur Oberflächenreinigung, auf, messen den Flüssigkeitsfüllstand bzw. die Wandstärke bei Rohren o.a. oder nutzen die Möglichkeiten des Defektnachweises. Dementsprechend werden auch keine Vorrichtungen zur Präparation bzw. Versuchsvorbereitung für entsprechend anspruchsvolle Meßverfahren beschrieben.

Die bekannten Verfahren zur Untersuchung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Ultraschallwellen unter Hochdruck-Hochtemperatur-Bedingungen reichen nicht bis zur partiellen Aufschmelzung der Proben und nutzen entweder lediglich die Temperaturbeständigkeit spezieller Schwingermaterialien, beschränken sich meist nur auf Longitudinalwellenmessungen oder wenden die quasihydrostatische Druckerzeugung an. Bei den sehr seltenen Scherwellenmessungen werden einfache metallische Laufstrecken benutzt. In jedem Fall entstehen keine so extremen Anforderungen an die Präparation, daß speziell zugeschnittene, komplizierte Verfahren und Vorrichtungen erforderlich werden.

Aus der wissenschaftlichen Literatur lassen sich für die Hochdruck-Hochtemperatur-Meßverfahren die folgenden Beispiele angeben:

- Bajuk, E.I.; Subkowskaja, E.I.; Konyschewa, R. A.:

Ismenenije fisitscheskich i strukturnych charakteristik kwarza pri wysokich dawlenijach i temperaturach. - In: Publ. Techn. Univ. Heavy Ind., Ser. A: Mining. - Miskolc 36 (1981). - S.45-^9

- Birch, F.:

The velocity of compressional waves in rocks to lOkbar,-In: l.geophys. Res.-Washington, D. C, part 1:65 (1960).-S. 1083-1102 part2: 66(1961).-S.2149-2224

- Burkhardt, H.; Keller, F.; Sommer, J.:

Compressional and shear wave velocities in metamorphic rocks under high pressures and temperatures. - In: High-pressure researches in Geoscience/ Hrsg.: W.Schreyer.-Stuttgart, 1982.-S.47-65

- Christensen, N.I.:

Shear wave velocities in metamorphic rocks at pressures to ЮкЬаг.-In: J. geophys. Res. - Washington, D. С. 71 (1966). - S. 3549-3556

- Christensen, N.I.:

Compressional wave velocities in rocks at high temperatures and pressures, critical thermal gradients, and crustal low-velocity zones.-

In: J. geophys. Res.-Washington, D.C.84 (1979).-S.6849-6857

- Fisher, E.S.; Renken, CJ.:

Coupling cements for ultrasonic-wave velocity measurements at high temperatures. In: J. acoust. Soc. America. - New York 35 (1963). - S. 1055

- Kern, H

ρ- and s-wave velocities in crustal and mantle rocks under simultaneous action of high confining pressure and high temperature and the effect of the rock microstructure In High-pressure researches in Geoscience/ Hrsg W Schreyer -Stuttgart, 1982 -S 15-45

- Lebedew, T S , Korniez, D W , Schapowal, W I

Uprugiesvoistwa gornych porod pn wysokich dawlemjach -Kiew, 1972 - 184S Kortschin, W A

- Lebedew, T S , Oristschenko, I W , Kortschin, W A

Kriteru pobodija pn srawnitelnom analise skorosti rasprostranemja uprugich woln w modelnych ι naturnych uslowijach In Geofis Sh -Kiewi (1979) 1 -S 48-55

- Manghnam, M H , Ramananantoandro, R , Clark, S P

Compressional and shear wave velocities in granulitefacies rocks and eclogitesto IOkbar In J geophys Res -Washington, D C 79(1974) -S 5427-5446

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, Praparationsvorrichtungen zu entwickeln, die die reproduzierbare Versuchsvorbereitung der Meßanordnungen zur Erfassung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten elastischer Longitudinal- und Transversalwellen bis 400⁰C fur hydrostatische Druckkammern mit flussigen Druckubertragungsmitteln und bis 1 000°C fur Gasdruckkammern erlauben

Im einzelnen werden die folgenden Anforderungen erfüllt

- Erzeugung des bis zur Aushärtung aller Kittstellen notwendigen Andrucks,

- Sicherstellung einer genau axialen Stellung der einzelnen Teile der Probenanordnung, falls diese mehrteilig ist, d h der zwei Laufstrecken und der Probe zueinander durch Verhinderung von seitlichen Verschiebungen und Winkelabweichungen der Teilstucke zueinander, die ein Einfuhren in den Innenaufbau der Druckkammer unmöglich machen wurden,

- Ausrichtung der Ultraschallschwinger,

- Umrustbarkeit fur verschiedene Schwingerabmessungen, -paarungen und -anordnungen,

- sichere Entnahme der fertig präparierten Probenanordnung auch bei Austreten von überschüssigem Koppelmittel,

- ausreichende Belüftung fur die Benutzung losemittelhaltiger Koppelmittel,

- wahlweise Benutzung zur Einkittung einer Probe oder zum Wechsel eines oder beider Ultraschallschwinger,

- mögliche Benutzung als Meßanordnung, um die Qualität der Ultraschall-Kopplung außerhalb des Innenaufbaus der Druckkammer überprüfen zu können,

- schnelle und sichere Ausfuhrung der Probenpraparation

Darlegung des Wesens der Erfindung

Das Wesen der erfinderischen Aufgabe besteht darin, Praparationsvorrichtungen zu entwickeln, die es erlauben, außerhalb der Druckkammern in reproduzierbarer Weise, die Meßanordnungen fur Hochdruck-Hochtemperatur-Experimente so vorzubereiten, daß den extremen Anforderungen des speziellen Meßverfahrens und der entsprechenden Innenaufbauten entsprochen wird Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß eine spezielle Kittvornchtung entwickelt wird, die es möglich macht, durch ihre Formgebung, ihren Aufbau und die dazugehörigen Passungen auch ohne spezielles Zutun des Experimentators keine andere als die fur die Durchfuhrung der Hochdruck-Hochtemperatur-Expenmente erforderliche Praparationsart und -qualitat zu realisieren

Das Prinzip besteht in der Nutzung eines rohrförmigen Grundkorpers, der mit enger Toleranz die Einzelteile der Probenanordnung umschließt und so die maßhaltige Kittung sichert Zur Beschickung und Entnahme ist der Grundkorper in zwei Halbschalen zerlegbar

Der bis zur Aushärtung der Kittung erforderliche Andruck wird über Gewindeteile an beiden Enden des Grundkorpers realisiert Mit Hilfe von verschiedenen Adaptern ist die Aufkittung unterschiedlicher Wandler bzw Wandlerkombinationen möglich Die Formgebung der Wandler-Andruckstucke sichert durch ihre Anpassung an die Ultraschall-Wandler-Abmessungen bzw an die Schwingerboden der Hochdruck-Hochtemperatur-Meßvorrichtung die zentrische und zueinander ausgerichtete Aufkittung der Wandler Fur den schnellen Abzug von Losermtteldampfen sind Durchbruche an den entsprechenden Stellen der Vorrichtung ausgearbeitet

Durch den Einbau von Meßelektroden in die Andruckstucke und mit Hilfe der Kontaktstoßel zu den Schwingerboden kann die Vorrichtung auch zu Ultraschall-Messungen unter Normalbedingungen eingesetzt werden und so die Qualität der Präparation vor dem Einbau in die Druckkammer überprüft werden

Ausfuhrungsbeispiele

Das allgemeine Funktionsprinzip der Vorrichtung wird erst durch die jeweilige Anpassung an einen speziellen Meßaufbau voll wirksam Dadurch entstehen Varianten der Vorrichtung

Die Erfindung soll durch folgende Ausfuhrungsbeispiele erläutert werden

1 Ausfuhrungsbeispiel

Die Variante zur Präparation mehrteiliger Probenanordnungen fur die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten longitudinaler und transversaler Ultraschallwellen in hydrostatischen Druckkammern mit flussigen Druckubertragungsmitteln bis 400⁰C wird anhand der Abbildung 1 erläutert

Die Konstruktion baut auf zwei Halbschalen auf, um die Vorrichtung gunstig beschicken und entleeren zu können Das Rahmen-Unterteil 2 ist mit dem Rahmen-Oberteil 3 durch vier Paßstifte 4 und vier Schrauben verbunden Die innere Bohrung wird erst im montierten Zustand auf das endgültige Maß gebracht Diese Arbeiten müssen mit großer Sorgfalt ausgeführt werden, da die maximal zulassige Winkelabweichung der Bohrung von der Axiahtat weniger als 0,1 Grad betragt Nach erfolgter Kittung und Entfernen der vier Verbindungsschrauben laßt sich Teil 3 von Teil 2 durch zwei Abdruckschrauben in den Gewindebohrungen von Teil 3trennen Durch leichtes Einfetten der Innenflachen wird ein Festkleben der Probenanordnung durch überschüssiges Koppelmittel verhindert

Das Oberteil 3 ist kurzer ausgeführt als der Freiraum in Teil 2, um die Kittung im Schwingerbereich besser beobachten zu können und um den Abzug von evtl Losemitteldampfen zu erleichtern

Das Unterteil 2 nimmt alle Bauteile an den Stirnseiten der Vorrichtung und die Masseanschlüsse 13 auf Der mit einer Verdrehsicherung ausgestattete Haltering 5 tragt den eingepreßten Schwingerhalter 6 aus PTFE Seine Form sorgt bei minimaler Berührungsfläche zum Schwinger (gegen Kapillarwirkung bei niedrigviskosen Koppelmitteln) fur eine genaue Ausrichtung der Ultraschall-Wandler zueinander

Die Matenalwahl verhindert ein Verkleben durch austretendes Koppelmittel Die inneren Gewinderinge 7 sorgen über die Teile 5 und 6 fur den Andruck der beiden Laufstrecken auf die Probe Die aus PTFE gefertigten Andruckblocke 8 liegen auf den Gebern Sie nehmen die Elektroden 9 auf Die Schraubenfedern 10 sorgen fur den Andruck DieMuttern 11 verhindern ein Herausgleiten der Elektroden bei der Demontage Die äußeren Gewindennge 12 sorgen fur den Andruck der Schwinger Montage bzw Demontage der Teile 7 und 12 erfolgen mit einem speziell zur Vorrichtung passenden Stiftschlussel Muß lediglich die Probe eingekittet werden, so kann die Montage der Teile 8 bis 12 unterbleiben Zur Anpassung an verschiedene Schwingerabmessungen werden die Teile 6 und 8 mit unterschiedlichen Maßen hergestellt Em stabiler Fuß 1 gestattet die um 10 Grad zur Senkrechten geneigte, sichere Aufstellung der Gesamtanordnung Zur Komplettierung gehören passende Anschlußstucke zu den Teilen 9 und 13, um die elektrische Verbindung mit dem Ultraschallmeßgerat herstellen zu können

2 Ausfuhrungsbeispiel

Die Variante zur Präparation der Probenanordnungen fur die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten longitudinaler und transversaler Ultraschallwellen in Gasdruckkammern bis 1 000°C unter den Bedingungen partieller Aufschmelzung wird anhand der Abbildung 2 erläutert

Grundlage der Konstruktion sind zwei Halbschalen Der Fuß 1 erlaubt eine um 10° zur Senkrechten geneigte Aufstellung Das Rahmen-Unterteil 2 ist mit dem Rahmen-Oberteil 3 durch vier Paßstifte 4 und vier Schrauben verbunden Zwei M4-Gewindebohrungen im Oberteil 3 erlauben ein Abdrucken vom Unterteil 2 nach Losen der Verbindungsschrauben Die innere Bohrung der Rahmenteile wird erst im montierten Zustand auf das endgültige Maß gebracht Diese Arbeiten müssen mit großer Sorgfalt ausgeführt werden, da die maximal zu lassige Winkelabweichung von der Axiahtat weniger als 0,1 Grad betragt Die Schlitze und Anordnungen mit jeweils acht Bohrungen dienen dem Abzug von Losemitteldampfen Das Unterteil 2 nimmt alle Bauteile an den Stirnseiten der Vorrichtung und die Masseanschlüsse 6 auf Die Stifte 5 sind die Verdrehsicherung fur das Fuhrungsstuck 9, das die Andrucksaule 10 aus PTFE aufnimmt Darm und in der eingeschraubten Abschlußhulse 11 ist der Kontaktstoßel 12 mit der Schraubenfeder 13 fur eine federnde Kontaktgabe zum äußeren Schwinger untergebracht Die Teile 9 sind bis auf schmale Stege ausgefrast, um in möglichst vielen Stellungen der Ultraschall-Meßkopfe ein einfaches Durchfuhren der Kontaktsaulen 14 zu den Anschlüssen der Schwingerboden sicherzustellen Die Gewindennge 17 sorgen fur den Andruck der Ultraschall-Schwinger Dazu gibt es einen speziellen zu Teil 17 passenden Stiftschlussel Ein Spezial-Nasenschlussel fur Teil 12 gehört ebenfalls zur Vorrichtung

Um auch nur jeweils ein Schwingerpaar aufkitten zu können, gibt es spezielle Adapter Zur Komplettierung gehören passende Anschiußstucke zu den Teilen 6,12 und 14, um die elektrische Verbindung mit dem Ultraschallmeßgerat herstellen zu können

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1. Vorrichtung zur Probenpräparation für Ultraschallmessungen unter Hochdruck-Hochtemperatur-Bedingungen mit flüssigen und gasförmigen Druckübertragungsmitteln, gekennzeichnet dadurch, daß der bis zur Aushärtung aller Kittstellen notwendige Andruck über Gewindestücke in einem zur Montage in Halbschalen zerlegbaren rohrförmigen Grundkörper erzeugt wird, der durch seine Formgestaltung die axiale Stellung der Bestandteile der Meßstrecke sowie die Ausrichtung der Ultraschallschwinger bzw. Schwingerhalterungen zueinander und zum Schallaufweg zwangsläufig gewährleistet, und daß in die Druckstücke Elektroden und in den Ultraschall-Schwingerböden Kontaktsäulen zur Qualitätskontrolle eingebaut sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch den nur zentral in der Längsachse aufgebrachten Andruck und die seitliche Führung eine wahlweise Benutzung zur Zusammenstellung eines Schallaufweges aus mehreren Teilstücken oder zum Wechsel der Ultraschall-Meßköpfe bzw. deren Einzelteile, d.h. der Schwingerhalterungen oder Schwinger, möglich ist, ohne die nicht bearbeiteten Bereiche bzw. Koppelstellen dabei zu beeinträchtigen.