EA016899B1 - Устройство для измерения твердости - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к определению твердости эластичных оттискных материалов. Устройство согласно изобретению обеспечивает повышение точности измерения и упрощение конструкции. Оно содержит двухэлементный шток (1) с закрепленными на концах устройством нагружения (2) и индентором (3), индуктивный преобразователь, состоящий из ферромагнитной вставки (4) и двух одинаковых катушек (5, 6) индуктивности, корпус (7) индуктивного преобразователя, консоль (8), опорную втулку (9) и измерительный блок (10). Дополнительно устройство снабжено основанием (11), вертикальной стойкой (12), предметным столиком (13) с цилиндрическим хвостовиком (14), гайкой (16) и шариковыми направляющими (17, 18). Консоль (8) закреплена на стойке (12) с возможностью вертикального перемещения, а корпус (7) преобразователя закреплен на консоли (8) и выполнен в виде двухэлементной втулки, внутри которой концентрично на направляющих (17, 18) установлен шток (1). Нижний конец опорной втулки (9) жестко соединен с основанием (11), а ее верхняя часть снабжена резьбой (21) с навинченной гайкой (16), на которую опирается предметный столик (13). В корпусе (7) индуктивного преобразователя между направляющими (17, 18) по одной оси последовательно расположены катушки (5, 6) индуктивности, а в штоке (1) преимущественно на уровне середины осевой длины катушек (5, 6) закреплена ферромагнитная вставка (4). Измерительный блок (10) выполнен в виде мостовой схемы переменного тока, в разные измерительные плечи которой включены катушки (5, 6) индуктивности, а в диагонали - измерительный индикатор, в качестве которого используется цифровой вольтметр.

Description

Изобретение относится к исследованиям механических свойств материалов и, в частности, может быть использовано для определения твердости эластичных оттискных материалов, применяемых в стоматологии при изготовлении зубных протезов.

Известен микротвердомер, содержащий основание с предметным столиком, стойку, установленную на стойке траверсу, первую направляющую в форме стакана с осевым отверстием под индентор, механизм нагружения с датчиком силы, выполненную в виде опоры вторую направляющую, установленный в корпусе опоры магнитоуправляемый датчик перемещений индентора, каретку со сменными грузами, узел привода нагружения и регулировочный микровинт, при этом стакан жестко закреплен на траверсе, а каретка со сменными грузами и механизм нагружения соосно размещены в полости опоры с возможностью вертикального перемещения относительно нее (см. описание изобретения к патенту РФ № 2231041).

Недостатком описанного известного микротвердомера является недостаточная точность измерения, так как она определяется записью диаграммы вдавливания индентора, а диаграмма, как известно, строится на основе сигнала преобразователя перемещения индентора под нагрузкой и сигнала преобразователя нагрузки на индентор в электрический сигнал. Однако любая диаграмма всегда ограничена размерным диапазоном. Точность отсчета на диаграмме в линейных размерах находится в пределах ±0,5 мм, т.е. даже при вертикальном перемещении пишущего датчика на 200 мм будет всего 200 единиц информации (точек отсчета), так что за счет этого улучшение точности измерений окажется незначительным, поскольку любой цифровой вольтметр способен по меньшей мере в 10 раз уменьшить данную погрешность измерений, поскольку может регистрировать сигнал преобразователя величиной 2000 мВ с шаговой дискретой между измерительными точками в 1 мВ, что позволяет получить 2000, а не 200 точек отсчета при вдавливании индентора. К тому же понижение точности измерения усугубляется тем, что измерительное устройство характеризуется наличием сложных механических узлов, образующих измерительную цепь, например арретирующие звенья, требующие определенного силового воздействия. А чем больше элементов содержится в любой системе преобразования, тем больше вероятность возникновения погрешности.

В описании патента РФ на полезную модель № 37218 приводится портативный комбинированный твердомер, который содержит ультразвуковой датчик, состоящий из стержневого акустического резонатора с индентором на одном конце, нагрузочной пружины на другом, закрепленных на резонаторе пьезопреобразователей и генератора. Кроме того, имеется также цифровой электронный блок обработки и регистрации и охваченный катушкой индуктивности динамический датчик, оснащенный метаемым пружиной бойком и встроенным магнитом. При этом в электронный блок обработки и регистрации включены устройство выборки-хранения и аналого-цифровой преобразователь, подключенный к входу микроконтроллера.

В данном устройстве контроль твердости осуществляется путем преобразования электрического сигнала, характеризующего скорость отскока бойка от контролируемой поверхности. Динамический метод обеспечивает достаточную точность в основном при контроле твердых упругих материалов, а не эластичных, поэтому он принципиально непригоден для измерения твердости эластичных оттискных материалов, несмотря на использование дополнительных блоков выборки-хранения и аналого-цифровых преобразователей.

Известен также способ определения начальной пластической деформации при вдавливании индентора, основанный на контроле возникновения пластической деформации в зоне отпечатка путем осуществления разгрузки индентора, намагничивания металла при вдавливании индентора и контроля пластической деформации посредством измерения локальной намагниченности металла в зоне отпечатка (см. описание изобретения к патенту РФ № 2122719). Описанный метод пригоден только для контроля металлов и только обладающих ферромагнитными свойствами, поскольку требует намагничивание зоны, где происходит вдавливание индентора, поэтому не может быть использован для определения твердости эластичных оттискных материалов, у которых указанные физические свойства отсутствуют.

В описании изобретения к патенту РФ № 2143106 приводится способ определения механических характеристик материалов, заключающийся в том, что вдавливают индентор в поверхность испытуемого материала и измеряют глубину его проникновения. При достижении заданной глубины внедрения горизонтально перемещают индентор, при этом непрерывно регистрируют усилие перемещения и глубину образующейся царапины. Перемещение прекращают, когда данное усилие достигает максимального значения. По величине этого усилия и длине царапины определяют механические свойства материала.

Осуществление данного способа в отношении эластичные материалов неприемлемо, поскольку эластичный материал под индентором будет испытывать не царапание, а смятие.

Из описания изобретения к авторскому свидетельству СССР № 1793294 известен также прибор для испытания материалов на микротвердость, содержащий электромагнит с якорем, датчик перемещения, индентор, плоские упругие пружины, траверсу и блок управления. При этом якорь электромагнита выполнен в виде постоянного магнита, размещенного внутри и снаружи катушки электромагнита, а датчик перемещения выполнен в виде дифференциально соединенных катушек индуктивности с якорем, подключенных к катушке электромагнита и устройству регистрации посредством блока управления. Катуш

- 1 016899 ка электромагнита подключена к устройству регистрации и программному блоку посредством блока управления и соединена с якорем датчика перемещения и индентором посредством штока, а якорь электромагнита и корпус катушек индуктивности датчика перемещения соединены с траверсой.

Указанный прибор не может быть применен для контроля физических свойств эластичных материалов, потому что в нем создается незначительное измерительное перемещение индентора, которое допускают плоско-параллельные пружины, образующие параллелограммный механизм. При этом в данном приборе изначально заложена погрешность, так как в нем нарушен принцип Аббе из-за того, что индуктивный преобразователь находится не на оси приложения нагрузки. Кроме того, электромагнитное нагружающее устройство электродинамического типа пригодно в основном для создания малых нагрузок, которые нужны только при измерении микротвердости.

В описании полезной модели к патенту Республики Беларусь № 4039 приводится автоколебательное устройство для определения твердости материалов, предназначенное для экспресс-анализа свойств полимерных и металлических материалов.

Устройство содержит корпус, индентор с вмонтированным в нем постоянным магнитом, блоки управления, измерения и обратной связи, основную и дополнительную катушку индуктивности, а также соленоид, охватывающий индентор с возможностью его перемещения в нем, который соединен с измерительным и управляющим блоками.

Недостаток вышеупомянутого известного технического решения заключается в том, что информационный электрический сигнал при отскоке индентора от эластичных материалов будет незначителен и на скорость отскока от таких материалов не повлияет согласованный импульс ускорения индентора, создаваемый магнитным полем дополнительной катушки, в результате чего не обеспечивается достаточная точность измерения твердости эластичных материалов.

Известно также устройство определения твердости, содержащее корпус, размещенные в нем узел нагружения, шток, двухсторонний индентор, установленный между индентором и штоком эталонный стержень, втулку с пазом для эталонного стержня, подпружиненную в осевом направлении, две соосно установленные пары катушек, одна из которых жестко закреплена в корпусе, а другая размещена во втулке, две пластины, жестко закрепленные на инденторе и охватывающие его, каждая из которых установлена с возможностью взаимодействия с соответствующей парой катушек, и блок регистрации, соединенный с катушками. При этом узел нагружения выполнен в виде электромагнитной катушки, которая охватывает шток и закреплена в корпусе (см. описание изобретения к патенту РФ № 1778619). К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерения за счет того, что в одном корпусе находятся мощный электромагнит и катушки измерительного индуктивного преобразователя. В силу их несовместимости избавиться от погрешности, обусловленной воздействием силового магнитного поля на катушки индуктивного преобразователя, невозможно. Более того, погрешность измерения усугубляется вследствие неизбежного различия геометрических параметров концов индентора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является прибор для определения твердости, приведенный в описании изобретения к патенту РФ № 1601558. Данный прибор содержит индентор, узел нагружения, шток, на верхнем конце которого закреплен узел нагружения, а на нижнем - индентор, а также связанную с индентором консоль и датчик глубины отпечатка, которым является индуктивный преобразователь, состоящий из якоря, выполненного в виде двух ферритовых колец. Ферритовые кольца закреплены на верхней и нижней плоскостях консоли соосно с предусмотренным в ней отверстием. Устройство содержит также корпус, состоящий из верхней и нижней неметаллических пластин, скрепленных между собой винтом, и две одинаковые катушки индуктивности, размещенные соответственно на неметаллических пластинах корпуса соосно винту. Кроме того, в приборе имеются опорная коническая втулка, закрепленная на нижней неметаллической пластине корпуса индуктивного преобразователя и опирающаяся на поверхность испытываемого объекта, возвратно-поджимная пружина, взаимодействующая с консолью и корпусом индуктивного преобразователя, а также измерительный блок, выполненный в виде двух ЬС-генераторов, индуктивностями которых являются катушки индуктивности индуктивного преобразователя, и соединенных последовательно балансного модулятора, входы которого соединены с выходами ЬС-генераторов, усилителя, компаратора, цифрового частотного детектора и измерительного индикатора.

Существенными недостатком данного известного технического решения является то, что изначально в самой конструкции прибора заложена неизбежная погрешность измерения в силу того, что перемещение индентора, формирующее измерительный сигнал, пропорциональный глубине внедрения, передается якорю индуктивного преобразователя посредством консоли. А это, в свою очередь, приводит к нарушению принципа Аббе, согласно которому вектор силы действия нагружающего устройства, ось перемещения индентора и ось перемещения якоря индуктивного преобразователя должны находиться на одной оси. Ухудшению точности измерения будет способствовать возможность захвата частоты одного ЬС-генератора другим при малых перемещениях индентора (автосинхронизация). Кроме того, имеет место значительная погрешность измерения, обусловленная нелинейностью индуктивного преобразователя вследствие больших магнитных потоков рассеяния от катушек и неидентичностью магнитных и геометрических параметров ферритовых колец. К недостаткам прототипа следует отнести также сложную элек

- 2 016899 трическую схему измерительного блока.

Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения твердости, содержащее шток, на верхнем конце которого закреплено устройство нагружения, а на нижнем - индентор, индуктивный преобразователь, состоящий из ферромагнитной вставки и двух одинаковых катушек индуктивности, корпус индуктивного преобразователя, консоль, опорную втулку и измерительный блок, дополнительно снабжено основанием, вертикальной стойкой, жестко соединенной с основанием, предметным столиком с цилиндрическим хвостовиком, в котором предусмотрен шпоночный паз, гайкой и верхней и нижней шариковыми направляющими, а шток выполнен двухэлементным, причем консоль закреплена на стойке с возможностью ее вертикального перемещения, корпус индуктивного преобразователя закреплен на консоли и выполнен в виде составной двухэлементной втулки, внутри которой концентрично на верхней и нижней шариковых направляющих установлен шток, нижний конец опорной втулки жестко соединен с основанием, а ее верхняя часть снабжена наружной резьбой, на которой навинчена гайка, в стенке опорной втулки ниже наружной резьбы предусмотрено резьбовое отверстие под стопорный винт, который входит в шпоночный паз, предметный столик опирается на верхнюю торцевую поверхность гайки, при этом в корпусе индуктивного преобразователя между верхней и нижней шариковыми направляющими по одной оси последовательно размещены в предусмотренном для этого углублении две одинаковые катушки индуктивности, а в штоке, преимущественно на уровне середины осевой длины обеих катушек, посредством его составных элементов закреплена ферромагнитная вставка, выполненная в форме втулки. Кроме того, измерительный блок выполнен в виде мостовой схемы переменного тока, в разные измерительные плечи которой включены соответственно катушки индуктивности, а в диагонали - измерительный индикатор, шток и корпус индуктивного преобразователя выполнены из неферромагнитного материала, в качестве измерительного индикатора использован цифровой вольтметр, а оба составных элемента соответственно корпуса индуктивного преобразователя и штока соединяются между собой с помощью клея.

Более подробно сущность изобретения поясняется с помощью чертежей. На фиг. 1 представлен общий схематический вид заявленного устройства. На фиг. 2 схематически показан корпус индуктивного преобразователя в разрезе. На фиг. 3 схематически представлен шток в разрезе. На фиг. 4 приведена схема измерительного блока.

Заявляемое устройство для измерения твердости в соответствии с фиг. 1 содержит шток 1, на верхнем конце которого закреплено устройство нагружения 2, а на нижнем - индентор 3, индуктивный преобразователь, состоящий из ферромагнитной вставки 4 и одинаковых катушек 5 и 6 индуктивности, корпус 7 индуктивного преобразователя, консоль 8, опорную втулку 9 и измерительный блок 10. Дополнительно оно снабжено основанием 11, вертикальной стойкой 12, жестко соединенной с основанием 11, предметным столиком 13 с цилиндрическим хвостовиком 14, в котором предусмотрен шпоночный паз 15, гайкой 16, а также верхней и нижней шариковыми направляющими 17 и 18. Консоль 8 закреплена на стойке 12 с возможностью ее вертикального перемещения с помощью установочного винта 19, а корпус 7 индуктивного преобразователя закреплен на консоли 8 посредством винта 20. Нижний конец опорной втулки 9 жестко соединен с основанием 11, а ее верхняя часть снабжена наружной резьбой 21, на которой навинчена гайка 16. В стенке опорной втулки 9 ниже наружной резьбы 21 предусмотрено резьбовое отверстие под стопорный винт 22, который входит в шпоночный паз 15. Предметный столик 13 опирается на верхнюю торцевую поверхность гайки 16, при этом в корпусе 7 индуктивного преобразователя между верхней шариковой направляющей 17 и нижней направляющей 18 по одной оси последовательно размещены в предусмотренном для этого углублении катушки 5 и 6 индуктивности. Корпус 7 индуктивного преобразователя выполнен в виде составной двухэлементной втулки, состоящей из элементов 23 и 24 (фиг. 2), внутри которой концентрично на верхней шариковой направляющей 17 и нижней направляющей 18 установлен двухэлементный шток 1, состоящий из элементов 25 и 26 (фиг. 3). В штоке 1 посредством элементов 25 и 26, преимущественно на уровне середины осевой длины катушек 5 и 6, закреплена ферромагнитная вставка 4, также выполненная в форме втулки. Измерительный блок 10 выполнен в виде мостовой схемы переменного тока, в разные измерительные плечи которой включены соответственно катушки 5, 6 индуктивности и эталонные резисторы 28 и 29 одинакового номинала, а в диагонали измерительный индикатор 27 (фиг. 4), в качестве которого используется цифровой вольтметр. Шток 1 и корпус 7 индуктивного преобразователя изготовлены из неферромагнитного материала, а их составные элементы 23, 24 и 25, 26 по завершении монтажа соответственно ферромагнитной вставки 4 и катушек 5, 6 индуктивности соединены между собой с помощью клея.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом проведения измерений производится градуировка выходного сигнала измерительного блока 10. Для этого штоку 1 с индентором 3 задают известные с требуемой точностью перемещения и измеряют выходной сигнал (напряжение, измеряемое цифровым вольтметром в диагонали мостовой схемы). После этого выполняют установку нуля или точки отсчета измерительного устройства.

Предметный столик 13 соответствующим вращением гайки 16 перемещают в нижнее положение и устанавливают на нем образец оттискного материала. В зависимости от высоты образца с помощью ус

- 3 016899 тановочного винта 19 оптимально регулируется положение консоли 8 с закрепленным на ней корпусом 7 индуктивного преобразователя относительно образца. Затем, вращая гайку 16 на наружной резьбе 21 опорной втулки 9, предметный столик 13 поднимают вверх до соприкосновения образца с индентором 3. После соприкосновения вращение гайки 16 продолжают, и образец, сообщая подъемное усилие индентору 3, жестко соединенному со штоком 1, поднимает шток 1 вверх по шариковым направляющим 17 и 18 до тех пор, пока измерительный индикатор 27, в качестве которого используется цифровой вольтметр, не зафиксирует нулевое показание. Это произойдет тогда, когда вставленная в шток 1 ферромагнитная вставка 4 в корпусе 7 индуктивного преобразователя, в котором последовательно установлены две одинаковые катушки 5 и 6 индуктивности, займет положение, обеспечивающее одинаковое значение индуктивности каждой из катушек 5 и 6. Так как катушки 5, 6 индуктивности через разъемы включены в разные плечи измерительного моста переменного тока, то одинаковая величина их индуктивности приведет к установлению баланса мостовой схемы, и в ее диагонали появится нулевое напряжение, которое будет фиксироваться измерительным индикатором 27 или цифровым вольтметром. Это положение штока будет соответствовать нулевой точке отсчета измерительного устройства, и оно надежно фиксируется стопорным винтом 22 посредством его ввинчивания в шпоночный паз 15 хвостовика 14 предметного столика 13. Для подрегулировки нуля в мостовой схеме переменного тока может быть использован переменный резистор (на чертеже не показано). Далее на грузовую платформу устройства 2 нагружения устанавливается необходимая нагрузка, и шток 1 с индентором 3 опускается вниз. Индентор 3 проникает в образец оттискного материала на определенную глубину, которая пропорциональна показателю твердости исследуемого материала. При этом вместе со штоком 1 смещается вниз и размещенная в нем ферромагнитная вставка 4. В результате величина индуктивности нижней катушки 6 повышается, а верхней катушки 5 понижается, поскольку соответствующим образом перераспределяется пронизывающий их магнитный поток. Соответственно изменяются и сопротивления переменному току катушек 5, 6. Это приведет к разбалансировке мостовой схемы измерительного блока 10 и появлению в ее диагонали напряжения, которое измеряется цифровым вольтметром. Данная величина напряжения, пропорциональная перемещению штока 1 относительно его предварительно установленного нулевого положения, соответствует глубине внедрения индентора 3 в образец и является измерительным параметром для определения твердости образца оттискного материала.

Таким образом, как следует из вышеприведенного описания, устройство для измерения твердости согласно изобретению полностью устраняют недостатки, присущие прототипу. С одной стороны, конструктивное выполнение механической части устройства исключает нарушение принципа Аббе, поскольку направление действия усилия нагрузки осуществляется по оси, совпадающей с осью штока и индентора, и тем самым позволяет существенно улучшить точность измерения. С другой стороны, предложенное решение электрической части в совокупности с механическими конструктивными признаками способствует дальнейшему улучшению точностных характеристик измерительного устройства, поскольку устранены понижающие точность факторы, обусловленные использованием ЬС-генераторов. Кроме того, выполнение измерительного блока в виде мостовой схемы позволяет значительно упростить измерительное устройство в целом.

На момент подачи заявки изготовлен образец заявляемого устройства и успешно проведена его апробация. Заявленное устройство зарекомендовало себя как очень простой, надежный и удобный в эксплуатации измерительный прибор, обеспечивающий достаточно высокую точность измерения. В соответствии с проведенной экспертной оценкой точности технических решений согласно прототипу и изобретению установлено, что точностные характеристики заявленного устройства превосходят прототип на несколько порядков. Погрешность измерения твердости эталонного образца составила соответственно 0,5% при измерении устройством согласно прототипу и 0,025% при измерении устройством согласно изобретению. Простота конструкции, прежде всего в силу упрощения измерительной электрической схемы, и использование недорогих, в основном стандартных комплектующих позволяют наладить производство таких измерительных устройств с минимальными затратами и в минимально сжатые сроки. В настоящее время ведутся переговоры о заключении договора по эксплуатации заявленного устройства в исследовательских лабораториях кафедры общей стоматологии и кафедры физики Белорусского медицинского государственного университета.

Claims (5)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для измерения твердости, содержащее шток, на верхнем конце которого закреплено устройство нагружения, а на нижнем - индентор, индуктивный преобразователь, состоящий из ферромагнитной вставки и двух одинаковых катушек индуктивности, корпус индуктивного преобразователя, консоль, опорную втулку и измерительный блок, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено основанием, вертикальной стойкой, жестко соединенной с основанием, предметным столиком с цилиндрическим хвостовиком, в котором предусмотрен шпоночный паз, гайкой, верхней и нижней шариковыми направляющими, а шток выполнен двухэлементным, причем консоль закреплена на стойке с возможностью ее вертикального перемещения, корпус индуктивного преобразователя закреплен на консоли и выполнен в виде составной двухэлементной втулки, внутри которой концентрично на верхней и нижней шариковых направляющих установлен шток, нижний конец опорной втулки жестко соединен с основанием, а ее верхняя часть снабжена наружной резьбой, на которой навинчена гайка, в стенке опорной втулки ниже наружной резьбы предусмотрено резьбовое отверстие под стопорный винт, который входит в шпоночный паз, предметный столик установлен на верхней торцевой поверхности гайки, при этом в корпусе индуктивного преобразователя между верхней и нижней шариковыми направляющими по одной оси последовательно размещены в предусмотренном для этого углублении две одинаковые катушки индуктивности, а в штоке на уровне середины осевой длины обеих катушек посредством его составных элементов закреплена ферромагнитная вставка, выполненная в форме втулки.
2. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве измерительного блока использована мостовая схема переменного тока, в разные измерительные плечи которой включены соответственно катушки индуктивности, а в диагонали - измерительный индикатор.
3. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шток и корпус индуктивного преобразователя выполнены из неферромагнитного материала.
4. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба составных элемента соответственно корпуса индуктивного преобразователя и штока соединены между собой с помощью клея.
5. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве измерительного индикатора использован цифровой вольтметр.