Дилатометр

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(56) ШЕПЕЛЕВИЧ В.Г. Отжиг металлов. Инструкция к лабораторным работам по металловедению для студентов специальности 01.04. - Минск БГУ,1991. - С. 24-27.8121 1, 1998.31935 , 2008.1778655 1, 1992.2478097 , 2002.4211131 1, 1993.(57) Дилатометр, содержащий станину, на которой между двумя стойками размещена электрическая печь, выполненная с возможностью охвата цилиндрического исследуемого образца с отверстием вдоль его оси, термопару, один конец которой через опорную кварцевую трубку введен в отверстие образца, кварцевый шток-толкатель, контактирующий одним концом с основанием образца, а вторым соединенный с латунным стержнем, который контактирует с упругим элементом миниатюрный датчик Холла со входами и 17357 1 2013.08.30 выходами на измерительные приборы, закрепленный на плоской пластинке и размещенный в области неоднородного магнитного поля, создаваемого двумя магнитными линзами,размещенными с зазором в немагнитной обойме установленный на станине немагнитный столик с расположенной на нем подвижной в горизонтальном направлении пластиной, которая подпружинена с одной стороны и контактирует с микрометрическим винтом с другой стороны, причем указанная немагнитная обойма с магнитными линзами закреплена на горизонтальной пластине с возможностью совместного ее с пластиной перемещения при вращении микрометрического винта блок электроники, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде крестообразного пружинного шарнира с вертикальной планкой,на незакрепленном конце которой установлен миниатюрный датчик Холла, каждая магнитная линза выполнена в виде пары идентичных постоянных магнитов, размещенных параллельно с зазором по вертикали и ориентированных сонаправлено одноименными полюсами, причем в немагнитной обойме ориентация соответствующих магнитных полей в линзах противоположная элементы конструкции, за исключением блока электроники,помещены в замкнутую камеру, выполненную с возможностью создания в ней вакуума,например, с помощью вакуумного насоса, электрические соединения с блоком электроники выполнены посредством герметичных вакуумных вводов, расположенных на станине,блок электроники содержит микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем и энергонезависимым блоком памяти. Заявляемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения изменения линейного размера образца при нагревании и соответственно расчета температурного коэффициента линейного расширения твердых тел. Из уровня техники известен дилатометр, то есть устройство для измерения изменения линейного размера образца при нагревании 1, функционирующее на эффекте Холла. Оно содержит колоколообразную вакуумную камеру, в которой вертикально размещен цилиндрической формы исследуемый твердотельный образец, охваченный регулируемым температурным нагревателем, толкатель с зажимами для образца и вынесенные за пределы нагревателя постоянный магнит, а также установленный в непосредственной близости от магнита датчик Холла, а измеритель температуры контактирует с поверхностью образца. При нагревании цилиндрического образца изменяется размер вдоль его оси, что в конечном итоге приводит к перемещению магнита относительно датчика Холла. Изменение величины индукции магнитного поля вследствие перемещения магнита приводит к изменению ЭДС датчика Холла, по которой определяют величину изменения линейного размера образца с температурой. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, обусловленная малым значением градиента индукции магнитного поля вдоль перемещения магнита относительно датчика Холла. Наиболее близким к заявляемому является дилатометр на эффекте Холла, приведенный в 2 (прототип). Он содержит массивную станину, на которой между двумя стойками размещена электрическая печь, охватывающая цилиндрический исследуемый образец,выполненный с отверстием вдоль его оси, в которое введен через опорную кварцевую трубку один конец термопары, кварцевый шток-толкатель, контактирующую одним концом с основанием цилиндрического образца, а вторым с латунным стержнем, который подпружинен пружиной, находящейся на латунном стержне между двумя стойками, закрепленными неподвижно на станине. Латунный стержень на другом его конце имеет утоненную область в виде плоской пластинки, на которой закреплен миниатюрный датчик Холла. На станине установлен столик с подвижной в горизонтальном направлении пластиной, которая подпружинена с одной стороны и контактирует с микрометрическим вин 2 17357 1 2013.08.30 том с другой стороны. Магнитная система, состоящая из двух С-образных магнитных линз, установленных с небольшим зазором, находится в латунной обойме, прикрепленной к подвижной пластине столика. Миниатюрный датчик Холла размещен так, что он находится в области неоднородного магнитного поля, создаваемого двумя С-образными магнитными линзами, каждая из которых состоит из постоянного магнита и двух магнитомягких наконечников. Дилатометр содержит блок электроники, обеспечивающий приближенно линейный по времени нагрев образца и его остывание, питание датчика Холла и выходы на измерительные приборы для измерения текущей температуры и выходного сигнала с датчика Холла. Блок электроники содержит генератор прямоугольных импульсов, который формирует электрические импульсы и передает их на аналоговоцифровой преобразователь (АЦП) блока нагрева электрической печи. АЦП создает ступенчатое возрастающее во времени электрическое напряжение. Напряжения с выхода АЦП и термопары усиливаются при помощи двух усилителей и сравниваются третьим усилителем. Если напряжение на АЦП превышает напряжение термопары, то третий усилитель формирует импульс 10 В, запускающий блокинг генератор. Последний открывает тиристор, включенный последовательно со спиралью электрической печи, в сеть переменного напряжения 220 В через ЛАТР. В результате тепловой инерции электрической печи за время подачи напряжения от одной ступени до второй происходит нагрев образца по закону, близкому к линейному. Когда напряжение на термопаре сравнивается с опорным на АЦП, тиристор закрывается, питание электрической печи прекращается. Затем следующее возрастание сигнала на АЦП вызывает опять включение электрической печи и т.д., что приводит к равномерному нагреву образца в электрической печи. Термопара подключена к измерительному прибору, который позволяет определить температуру образца в любой момент времени. Изменение длины образца с температурой вызывает перемещение датчика Холла в неоднородном магнитном поле, что обуславливает изменение его сигнала, по которому и рассчитывают величину изменения длины образца. Микрометрический винт служит как для установки начального положения датчика Холла в магнитном поле, так и для вычисления чувствительности дилатометра. Благодаря наличию в конструкции дилатометра двух С-образных магнитных линз значение градиента индукции магнитного поля вдоль перемещения достаточно велико, однако конструкция 2 тоже имеет существенные недостатки. Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений, обусловленная магнитным гистерезисом линз из-за присутствия магнитомягких деталей и неконтролируемым уровнем прижатия кварцевого штока-толкателя к образцу, особенно на начальной стадии измерений. Кроме того, при измерениях образцов, окисляющихся на воздухе при повышенных температурах, происходит неконтролируемый рост окалины,что также ухудшает точность измерений. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерений. Дилатометр содержит станину, на которой между двумя стойками размещена электрическая печь, выполненная с возможностью охвата цилиндрического исследуемого образца с отверстием вдоль его оси, термопару, один конец которой через опорную кварцевую трубку введен в отверстие образца, кварцевый шток-толкатель, контактирующий одним концом с основанием образца, а вторым соединенный с латунным стержнем,который контактирует с упругим элементом миниатюрный датчик Холла со входами и выходами на измерительные приборы, закрепленный на плоской пластинке и размещенный в области неоднородного магнитного поля, создаваемого двумя магнитными линзами,размещенными с зазором в немагнитной обойме установленный на станине немагнитный столик с расположенной на нем подвижной в горизонтальном направлении пластиной, которая подпружинена с одной стороны и контактирует с микрометрическим винтом с другой стороны, причем указанная немагнитная обойма с магнитными линзами закреплена на 3 17357 1 2013.08.30 горизонтальной пластине с возможностью совместного ее с пластиной перемещения при вращении микрометрического винта блок электроники. Дилатометр отличается тем, что упругий элемент выполнен в виде крестообразного пружинного шарнира с вертикальной планкой, на незакрепленном конце которой установлен миниатюрный датчик Холла, каждая магнитная линза выполнена в виде пары идентичных постоянных магнитов, размещенных параллельно с зазором по вертикали и ориентированных сонаправлено одноименными полюсами, причем в немагнитной обойме ориентация соответствующих магнитных полей в линзах противоположная элементы конструкции, за исключением блока электроники помещены в замкнутую камеру, выполненную с возможностью создания в ней вакуума, например, с помощью вакуумного насоса, электрические соединения с блоком электроники выполнены посредствам герметичных вакуумных вводов, расположенных на станине, блок электроники содержит микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем и энергонезависимым блоком памяти. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности измерений. Точность измерений в первую очередь повышается за счет выполнения магнитных линз без магнитомягких ферромагнитных элементов, обладающих магнитным гистерезисом, который проявляется при малых уровнях перемещений (микроны) во вторую очередь использование упругого элемента, контактирующего с латунным стержнем и в конечном итоге воспринимающего изменение линейного размера образца в виде крестообразного пружинного шарнира с вертикальной планкой, позволяет задать необходимый уровень начального прижима исследуемого образца, что особенно важно на начальной стадии измерений. Использование измерений в вакуумированной камере позволяет избежать окисления поверхности образца и препятствует появлению окалины при высоких температурах образца, что также повышает точность измерений. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 изображен дилатометр в разрезе, вид сбоку. На фиг. 2 приведена схема расположения магнитной системы с датчиком Холла. Дилатометр содержит массивную станину 1 со стойками 2, 3, 4, 5, 6, 7. Между стойками 2 и 4 на стойке 3 размещена электрическая печь 8, состоящая из двух половинок,причем верхняя половинка может откидываться на завесах (не изображены) с целью размещения внутри ее исследуемого цилиндрического образца 9. Образец 9 выполнен с отверстием вдоль его оси, в которое введен через опорную кварцевую трубку 10 один конец термопары 11. Кварцевый шток-толкатель 12 контактирует одним концом с основанием цилиндрического образца 9, а вторым с латунным стержнем 13, который упирается в горизонтальную планку 14 (часть упругого элемента). Миниатюрный датчик Холла 15, закрепленный на свободном конце плоской планки 14, размещен в области неоднородного магнитного поля, создаваемого двумя магнитными линзами, установленными с небольшим зазором относительно друг друга в немагнитной обойме 16. Каждая из линз состоит из двух пар постоянных магнитов 17, 18 и 19, 20 соответственно. Магниты 17, 18 и 19, 20 4 17357 1 2013.08.30 размещены параллельно с зазором по вертикали и ориентированы одноименными полюсами сонаправлено, причем в немагнитной обойме 16 ориентация соответствующих магнитных полей в линзах противоположная, как показано на фиг. 2. Немагнитный столик 21 с подвижной в горизонтальном направлении пластиной 22 установлен на станине 1. Пластина 22 выполнена тоже из немагнитного материала в виде ласточкиного хвоста, что обеспечивает отсутствие ее шатания. В пластину 22 вкручен шток 23, проходящий через стойку 6. Пластина 22 подпружинена пружиной 24 с одной стороны и контактирует с микрометрическим винтом 25 с другой стороны, причем немагнитная обойма 16 с магнитными линзами закреплена на горизонтальной пластине 22 с возможностью совместного ее с пластиной перемещения при вращении микрометрического винта 25. Микрометрический винт 25 предназначен для подстройки положения датчика Холла 15 в зазоре магнитных линз и соответственно для установления начального уровня сигнала с 15. Упругий элемент, контактирующий с латунным стержнем 13, выполнен в виде крестообразного пружинного шарнира 26 с вертикальной планкой 14. Крестообразный пружинный шарнир 26 состоит из рычага 27, балансира 28, вертикальной планки 14, скрепленных с четырьмя перекрещивающимися стальными пружинами с помощью болтов 29. Рычаг 27 опирается на подставку 30, неподвижно закрепленную на стойке 5. При помещении исследуемого образца 9 в электрическую печь 8 рычаг 27 шарнира отводится в сторону. Балансир 28 предназначен для установки заданной силы прижатия планки 14 к латунному стержню 13 и,следовательно, к образцу 9. Следует отметить, что перемещение планки 14 на величинуизображено на фиг. 1 увеличенным (практически величина не превышает 250 мкм). Вся конструкция дилатометра за исключением блока электроники помещена в замкнутую камеру 31, выполненную с возможностью создания в ней вакуума, например, с помощью вакуумного насоса, который не изображен (32 - шланг к вакуумному насосу). Резиновые прокладки 33, расположенные по периметру камеры 31, обеспечивают плотное прилегание камеры к станине 1. Электрические соединения термопары 11 и датчика Холла 15 с блоком электроники осуществляются за счет герметичных вакуумных вводов 34,расположенных на станине 1. Аналогично, как и в прототипе 2, блок электроники (не изображен) обеспечивает линейный по времени нагрев образца и его остывание, питание датчика Холла и выходы на измерительные приборы для измерения текущей температуры образца и выходного сигнала с датчика Холла. Кроме того, в блок электроники введен микропроцессор с аналогоцифровым преобразователем и энергонезависимым блоком памяти для осуществления функции вычисления температурного коэффициента линейного расширения образца по сигналам с датчика Холла 15 и термопары 11. Устройство работает следующим образом. Вначале определяют чувствительностьдилатометра к изменению линейного размера образца (периодически, согласно инструкции по эксплуатации, проводят калибровку чувствительности дилатометра). Для этого можно использовать микрометрический винт, как в прототипе 2, но точнее получается результат, если снимается зависимость выходного сигнала с датчика Холла от температуры Т для калибровочного образца с заранее известным коэффициентом линейного расширения в рабочей области температур, которая заносится в энергонезависимую память микропроцессора. Это позволяет ввести более точно поправочные коэффициенты при измерениях исследуемых образцов и запомнить функцию , которая может быть не строго константой. Далее для проведения измерений поднимается камера 31 и исследуемый образец 9 помещается в центральную область электрической печи 8. Для этого рычаг 27 крестообразного пружинного шарнира временно отводится в сторону, образец размещается между кварцевой трубкой 10 и кварцевым штоком-толкателем 12 соответственно. Кварц используется в устройстве из-за низкого температурного коэффициента линейного расширения и относительно высокой температуры размягчения и плавления. Конец термопары 11 раз 5 17357 1 2013.08.30 мещают в середине отверстия образца 9. С помощью балансира 28 устанавливают начальную силу прижима 12, а значит и планки 14 к образцу. Вращением микрометрического винта 25 устанавливают начальный уровень сигнала с датчика Холла 15, когда последний размещен в неоднородном магнитном поле, характеризующемся постоянством градиента индукции магнитного поля в рабочей области перемещения датчика 15. В качестве начального положения можно выбрать точку установки датчика Холла 15, в которой индукция магнитного поля меняет знак (переходит через ноль). Вакуумная камера 31 опускается до контакта с массивной станиной 1 и включается вакуумный насос для откачивания воздуха до давления паров (10-4-10-5) Па. Далее активируют нагрев электрической печи 8 с помощью блока электроники, которая обеспечивает нагрев и остывание образца по схеме, аналогичной, как описано ранее в тексте и в прототипе 2. Изменение длины образцас температуройвызывает перемещение планки 14 и датчика Холла 15 на ней в неоднородном магнитном поле 0 на величину , что обуславливает изменение его сигнала . Если чувствительность дилатометра , то(1). Поскольку изменение длины образцасовпадает с перемещением датчика Холла ,или, то искомое изменение дины образца вычисляется по формуле(2)/. Так как блок электроники содержит микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем и энергонезависимым блоком памяти, то температурный коэффициент линейного расширенияобразца (изменения длины) вычисляется автоматически по формуле(3)/,где- ранее определенная первоначальная длина образца, а- разность температур. Исходя из вышеизложенного, для заявленного дилатометра в том виде, как он охарактеризован в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Патент 87200404 , МПК 701 7/16, 1988. 2. Шепелевич В.Г. Отжиг металлов. Инструкция к лабораторным работам по металловедению Учебное издание. - Минск ротапринт БГУ им. В.И.Ленина, 1991. - С. 24-27. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6