Термоелектричний пристрій для контролю металів та сплавів, зокрема титанової губки

Термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, що включає холодний і гарячий електроди, установлений на останньому нагрівальний елемент, підключений до виходу блока живлення, блок керування, підсилювач, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), цифровий індикатор, вхід якого з'єднаний з виходом АЦП, який відрізняється тим, що він додатково містить інтегратор, струмовий ключ, суматор, лічильник дотиків, джерело еталонної напруги і два резистори, а гарячий електрод виконаний із двох послідовних частин частини, що нагрівається, і частини, що не нагрівається, при цьому холодний і гарячий електроди з'єднані з першим і другим входами підсилювача, ВІДПОВІДНО, третій вхід підсилювача з'єднаний з першим виходом блока керування, а перший вихід - з першим входом струмового ключа, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом блока керування, а вихід - з першим входом інтегратора, другий вхід якого з'єднаний з третім виходом блока керування, вихід інтегратора через перший резистор з'єднаний з першим входом суматора, другий вхід суматора через другий резистор з'єднаний з виходом джерела еталонної напруги, а вихід суматора з'єднаний з входом АЦП, вхід блока живлення з'єднаний з четвертим виходом блока керування, п'ятий вихід якого з'єднаний з входом лічильника дотиків, вихід якого з'єднаний з другим входом блока керування ео Корисна модель відноситься до області контролю металів і сплавів, що не руйнує, і може бути використаний у металургійній промисловості для контролю якості продукції, зокрема для проведення експрес-аналізу титанової губки Найбільш близьким за технічною суттю та технічним результатом, що досягається, до термоелектричного пристрою для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, що заявляється, є термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів [див патент РФ № 2119661, М кл 6 G01N 25/32, від 14 06 1996 р , опубл 27 09 1998 р ], що включає холодний і гарячий електроди, установлений на останньому нагрівальний елемент, підключений до виходу блока живлення, блок керування, підсилювач, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), цифровий індикатор, вхід якого з'єднаний з виходом АЦП Термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів стаціонарне і містить також елемен ти порівняння, утворені провідниками з двох різнорідних матеріалів, ланцюг еталонного провідника, включений між електродами через резистор і підсилювач, другий підсилювач, до виходу якого підключений другий АЦП, і послідовно з'єднані дільник, помножувач, нелінійний перетворювач Елементи порівняння з'єднані між собою з утворенням диференціальної термопари, спаї якої установлені ВІДПОВІДНО на холодному і гарячому електродах Схема керування призначена для керування подачею електроживлення і виконана за схемою вентильного регулятора рівня енергії, яку передають Для контролю вмісту домішок зразок металу або сплаву вводять у контакт з холодним і гарячим електродами Відомий пристрій має високу енергоємність і складну громіздку конструкцію, яка не забезпечує оперативний експрес-аналіз титанової губки з необхідною точністю, і є пожежонебезпечним при проведенні експрес-аналізу титанової губки CM (О О) 7962 Це пояснюється тим, що за допомогою відомого пристрою можна вимірити і проконтролювати параметри невеликого зразка. Здійснити експресаналіз параметрів великих блоків титанової губки за допомогою відомого пристрою неможливо. Для одержання усереднених показань параметрів великого блока титанової губки необхідно виконати виміри не менш чим у трьох характерних областях блока. У кожній області здійснюється щонайменше п'ять вимірів. При контролі титанової губки не можна від монолітного блока відколювати невеликі зразки, які можна було б ввести в контакт із холодним і гарячим електродами, тому що при цьому змінюється структура титанової губки і результати контролю будуть не достовірні. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, шляхом уведення нових конструктивних елементів, нових зв'язків між конструктивними елементами, нового виконання конструктивних елементів, що дозволить спростити конструкцію і зменшити його габарити, знизити енергоємність і підвищити пожежобезпечність, за рахунок чого забезпечується оперативний експрес-аналіз якості титанової губки з необхідною точністю. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричному пристрої для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, що включає холодний і гарячий електроди, установлений на останньому нагрівальний елемент, підключений до виходу блока живлення, блок керування, підсилювач, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), цифровий індикатор, вхід якого з'єднаний з виходом АЦП, відповідно до технічного рішення, новим є те, що він додатково містить інтегратор, струмовий ключ, суматор, лічильник дотиків, джерело еталонної напруги і два резистори, а гарячий електрод виконаний із двох послідовних частин: частини, що нагрівається і частини, що не нагрівається, при цьому холодний і гарячий електроди з'єднані з першим і другим входами підсилювача, відповідно, третій вхід підсилювача з'єднаний з першим виходом блока керування, а перший вихід - з першим входом струмового ключа, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом блока керування, а вихід з першим входом інтегратора, другий вхід якого з'єднаний з третім виходом блока керування, вихід інтегратора через перший резистор з'єднаний з першим входом суматора, другий вхід суматора через другий резистор з'єднаний з виходом джерела еталонної напруги, а вихід суматора з'єднаний з входом АЦП, вхід блока живлення з'єднаний з четвертим виходом блока керування, п'ятий вихід якого з'єднаний з входом лічильника дотиків, вихід якого з'єднаний з другим входом блока керування. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак корисної моделі і технічним результатом, що досягається, полягає у такому. Додаткове введення в термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, інтегратора, струмового ключа, суматора, лічильника дотиків, джерела еталонної напруги і двох резисторів і виконання гарячого електрода з двох послідовних частин: частини, що нагрівається і частини, що не нагрівається, у суку пності з відомими ознаками і при наявності між конструктивними елементами зв'язків, що заявляються технічним рішенням, яке пропонується, дозволяє спростити конструкцію і зменшити її габарити, знизити енергоємність і підвищити пожежобезпечність, за рахунок чого забезпечується оперативний експрес-аналіз якості титанової губки з необхідною точністю. Термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема для проведення експресаналізу титанової губки, що заявляється, дозволяє здійснювати будь-як кількість вимірів у різних точках блока титанової губки, тому що використовувані при його виготовленні конструктивні елементи мають дуже маленькі розміри, що дозволяє виконати пристрій портативним. Твердість титанової губки залежить від кількості домішок, що містяться в ній. Таким чином, по величині твердості можна судити про якість титанової губки. Живлення такого пристрою може здійснюватися від акумуляторної батареї, напруга якої складає не більш 8-1ОВ. В основу роботи пристрою, що заявляється, покладена лінійна залежність між твердістю титанової губки і термоелектрорушійною силою, яка виникає при контакті гарячого електрода, що є еталонним, з поверхнею губки. Гарячий електрод виконаний із двох послідовних частин: частини, що нагрівається і частини, що не нагрівається. Частина, що нагрівається і частина, що не нагрівається, розділені повітряним зазором і виконані з титана однакової твердості, переважно рівної середньому значенню твердості вимірюваної титанової губки. Частина, що нагрівається, при цьому може бути виконана з мінімально можливими розмірами, виходячи з умови збереження достатньої механічної міцності. Достатню механічну міцність має титановий електрод з діаметром 1мм і довжиною приблизно 5мм. Такий електрод має мінімальну теплоємність і мінімальні теплові втрати. Потужність, що затрачується на нагрівання такого електрода до температури 50°С, не перевищує 0,15Вт. При притисканні електродів до титанової губки відбувається короткочасне з'єднання двох частин гарячого електрода і термоелектрорушійна сила, яка генерується термопарою, утвореною гарячим електродом та поверхнею титанової губки, надходить на вхід підсилювача. Вимірювання, здійснювані пристроєм, що заявляється, проводяться диференціальним методом: вимірювана термоелектрорушійна сила алгебраїчно складається у суматорі з еталонною напругою, пропорційною твердості гарячого електрода, який є еталонним. Еталонна напруга індицюється на індикаторі в початку вимірювань як твердість еталонного електрода. Звичайно при експрес-аналізі блока титанової губки вимірювання здійснюють не менш ніж у трьох характерних областях блока. У кожній характерній області здійснюють п'ять вимірів у різних точках. При цьому пристрій, що заявляється, дозволяє одержати усереднений результат вимірів по п'ятьох дотиках. При одному дотику величина термоелектрорушійної сили, яка надходить в інтегратор, у середньому складає 1/5 вимірюваної величини, тобто вимір усієї величини здійснюється по п'ятьох дотиках, підраховуваних лічильником дотиків. Вимірювана твердість буде являтися середньою арифметичною величиною п'яти дотиків. Якщо 7962 твердість титанової губки буде відповідати твердості еталонного електрода, то в інтегратор при кожному дотику будуть уводитися невеликі знакозмінні числа, що відображують розкид твердості на поверхні титанової губки, а в цілому в інтеграторі залишиться нуль і цифровий індикатор буде показувати твердість, яка дорівнює твердості еталонного електрода. Струмовий ключ служить для підключення на калібрований проміжок часу інтегратора до виходу підсилювача термоелектрорушійної сили , який забезпечує наростання напруги на виході інтегратора відповідно до величини вимірюваної термоелектрорушійної сили. Через 0,3 сек струмовий ключ закривається і інтегратор переходить у режим збереження. З виходу інтегратора напруга, пропорційна термоелектрорушійній силі, подається на суматор, де воно алгебраїчно складається з еталонною напругою. Термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, пояснюється кресленням, на якому приведена блок-схема пристрою, що заявляється. Термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, містить холодний електрод 1 і гарячий електрод 2. Гарячий електрод 2 виконаний із двох послідовних частин: частини, що нагрівається, 3 і частини, що не нагрівається, 4. На частині 4, що нагрівається, установлений нагрівальний елемент 5, підключений до виходу блока 6 живлення. Термоелектричний пристрій містить також блок 7 керування, підсилювач 8, струмовий ключ 9, інтегратор 10, джерело 11 еталонної напруги, суматор 12, аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 13, лічильник 14 дотиків, цифровий індикатор 15 і два резистори 16, 17. Холодний електрод 1 з'єднаний з першим входом підсилювача 8 та загальною шиною живлення(на кресленні не показана). Гарячий електрод 2 з'єднаний з другим входом підсилювача 8. Перший вихід підсилювача 8 з'єднаний з першим входом струмового ключа 9. Третій вхід підсилювача 8 з'єднаний з першим виходом блока 7 керування. Другий вхід струмового ключа 9, який є входом керування, з'єднаний з другим виходом блока 7 керування. Вихід струмового ключа 9 з'єднаний з першим входом (вхід запису) інтегратора 10. Другий вхід інтегратора 10 (вхід скидання) з'єднаний з третім виходом блока 7 керування. Вихід інтегратора 10 через перший резистор 16 з'єднаний з першим входом суматора 12. Другий вхід суматора 12 через другий резистор 17 з'єднаний з виходом джерела 11 еталонної напруги. Вихід суматора 12 з'єднаний із входом АЦП 13. Вихід АЦП 13 з'єднаний з входом цифрового індикатора 15. Вхід блока 6 живлення з'єднаний з четвертим виходом блока 7 керування. П'ятий вихід блока 7 керування з'єднаний з входом лічильника 14 дотиків. Вихід лічильника 14 дотиків з'єднаний з другим входом блока 7 керування. Вихід блока 6 живлення з'єднаний з входом нагрівального елемента 5. Термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, працює таки чином. В основу роботи термоелектричного пристрою для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, покладена лінійна залежність між твердістю титанової губки і термоелектрорушійною силою, що виникає при контакті гарячого електрода 2, що є еталонним, з поверхнею титанової губки. Для оцінки твердості титанової губки на поверхні блока виконують виміри не менш чим у трьох характерних областях блока. У кожній області здійснюють не менш п'яти вимірів, що достатньо для визначення усередненої твердості титанової губки з необхідною точністю. Термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема для проведення експрес-аналізу титанової губки, що заявляється, дозволяє здійснювати будь-як кількість вимірів у різних точках блока титанової губки, тому що використовувані при його виготовленні конструктивні елементи мають невеликі розміри, що дозволяє виконати пристрій портативним. Маса пристрою, що заявляється, не перевищує 0,4кг. Твердість титанової губки залежить від вмісту в ній домішок. Чим менше твердість титанової губки, тим менше в ній домішок. Таким чином, по величині твердості можна судити про якість титанової губки. Після включення термоелектричного пристрою витримка для прогрівання частини 3, що нагрівається, гарячого електрода 2 нагрівальним елементом 5, підключеним до виходу блока 6 живлення, складає не більше 1 хвилини. Вимірювання виконуються шляхом притискання холодного електрода 1 і гарячого електрода 2 до поверхні блока титанової губки. Електроди 1, 2 повинні бути спрямовані перпендикулярно до поверхні блока. Електроди 1, 2 підпружинені. Гарячий електрод 2 виконаний із двох послідовних частин: частини З, що нагрівається, і частини 4, що не нагрівається, розділених повітряним зазором і виконаних з титана однакової твердості. Частина 3, що нагрівається, виконана з мінімально можливими розмірами, виходячи з умови збереження достатньої механічної міцності. Достатню механічну міцність, а також мінімальну теплоємність і мінімальні теплові втрати, має титановий електрод з діаметром 1 мм і довжиною 5мм. Потужність, затрачувана на нагрівання такого електрода до температури 50°С, не перевищує 0,15Вт. Блок 6 живлення являє собою ключовий імпульсний керований стабілізатор напруги, який перетворює напругу акумуляторної батареї (8-Ю В) у необхідні для роботи напруги: +5В, -5В, +10В. При дотику електродів 1, 2 до поверхні титанової губки відбувається закорочування напруги зміщення, яке з першого виходу блока 7 керування подається на третій вхід підсилювача 8. Внаслідок цього відбувається пониження напруги на першому та другому виходах підсилювача 8 і, відповідно, на першому вході блока 7 керування. Блок 7 керування приймає це як дотик, який відбувся, знімає напругу зміщення (щоб вона не заважала процесу вимірювання термоелектрорушійної сили) з другого входу підсилювача 8 і, після паузи 0,3 сек., дає команду на відкриття на керуючий вхід струмового ключа 9, а інтегратор 10 з'єднується з виходом підсилювача 8. Відбувається процес вимірювання, тобто, накопичення інтеграла термоелектрорушійної сили за калібрований проміжок часу (0,3 сек) у інтеграторі 10. Потім струмовий ключ 9 закривається і інтегратор 10 переводиться у режим збереження. Далі блок 7 керування дає команду блоку 6 живлення на короткочасне підвищення вихідної напруги, яка пода 7962 ється на нагрівальний елемент 5 гарячого електрода 2 з метою компенсації втрати температури гарячим електродом 2 при дотику їм до відносно холодної поверхні титанової губки Робота пристрою на цей час блокується Інтегратор 10 зберігає записану величину в режимі зберігання і накопичує результаті кількох, у даному випадку п'яти, вимірювань 3 виходу інтегратора 10 напруга, пропорційна термоелектрорушійній силі, через резистор 16 подається на вхід суматора 12, де вона алгебраїчно складається з еталонною напругою, яка надходить на вхід суматора 12 від джерела 11 еталонної напруги через резистор 17 3 виходу суматора 12 напруга, пропорційна твердості титанової губки, надходить на вхід аналого-цифрового перетворювача (АПП) 13, де вона перетворюється в цифровий код для роботи рідкокристалічного цифрового індикатора 15 3 виходу АЦП 13 інформація надходить на вхід цифрового індикатора 15 і відображується на ньому Лічильник 14 дотиків підраховує КІЛЬКІСТЬ проведених вимірювань (дотиків) і після пяти дотиків дає команду блоку 7 керування на завершення вимірювань, про що формується відповідна команда Блок 7 керування блокує подальшу роботу пристрою і подає команду "Скид" Після подання команди "Скид" на дисплеї цифрового індикатора 15 знову індицюється твердість еталонного гарячого електрода 2 і пристрій готовий до нових вимірювань Як видно з вищевикладеного, термоелектричний пристрій для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, що заявляється, дозволяє спростити конструкцію і зменшити його габарити, знизити енергоємність і підвищити пожежобезпечність, за рахунок чого забезпечується оперативний експрес-аналіз якості титанової губки з необхідною точністю Пристрій, що заявляється, не утворює іскри при вимірюваннях, а невисока температура нагріву еталонного гарячого електрода 2 (50°С) не створює загрози запалення титанової губки У термоелектричному пристрої для контролю металів і сплавів, зокрема титанової губки, що за Комп ютерна верстка Д Дорошенко 8 являється, холодний електрод 1 і гарячий електрод 2 виконані з титану однакової твердості Твердість титану для електродів краще вибирати рівною середній твердості вимірюваного діапазону твердості титанової губки У цьому випадку погрішність вимірювань буде мінімальною Гарячий електрод 2 виконаний із двох послідовних частин частини 3, що нагрівається, і частини 4, що не нагрівається, розділених повітряним зазором шириною приблизно 2мм Оскільки теплопровідність повітря на три порядки менша теплопровідності металевого титану, то невеликого повітряного зазору досить, щоб суттєво зменшити необхідну потужність, затрачувану на нагрівання гарячого електрода 2 Як нагрівальний елемент 5 може бути використаний резистор МЛТ-0,125Вт При напрузі живлення 10В опір цього резистора становитиме 750Ом Як блок 6 живлення, який є джерелом автономного живлення, може бути використана металопдридна акумуляторна батарея GP-170 напругою 8,4В При невеликих розмірах ємність батареї становить 170mAh, що забезпечує безперервну роботу пристрою на протязі 5 годин Блок 7 керування виконаний на базі відомих стандартних цифрових мікросхем Як підсилювач 8 може бути використаний на базі відомого прецизійного операційного підсилювач з малою напругою зсуву, наприклад, LTC7650 чи ICL1050 Як струмовий ключ 9 можуть бути використані мікросхеми К561КТЗ або GD4066 Інтегратор 10 може бути виконаний на базі відомого операційного підсилювача з малими вхідними струмами, наприклад, ICL1050 або ОР297 Джерелом 11 еталонної напруги може служити мікросхема-стабілізатор на 5 В L7805 Як суматор 12 може служити типовий операційний підсилювач LM358 Аналогоцифровий перетворювач (АЦП) 13 може бути виконаний на базі стандартної мікросхеми 7106 Лічильник 14 дотиків являє собою мікросхему К561ИЕ8 або GD4017 Цифровий індикатор 15 являє собою рідкокристалічний дисплей SX-0653 або аналогічний Підписне Тираж 28 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП 'Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 4 2 , 01601