Устройство для измерения скоростей распространения упругих волн и плотности твердых тел
Использование; для измерения в установках поршень-цилиндр скорости распространения упругих волн и плотности в образцах при высоких давлениях и температурах . Сущность изобретения, устройство содержит камеру для размещения испытываемого образца с поршнями излучатель и приемник УЗ-волн, нагреватель и термопары . В нем поршни выполнены с углублениями на наружных торцах, в которых установлены соответственно излучатель и приемник УЗ-волн, при этом нагреватель и термопары смонтированы на наружной поверхности камеры. Устанавливают в камеру исследуемый образец и осуществляют одновременное его нагружение с ультразвуковым прозвучиванием Регистрируют скорость распространения упругих волн и плотность образца в зависимости от температуры и давления. 2 ил 00 С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННый КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKPblTNRM ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4806198/03 (22) 22.01,90 (46) 23.11.92. Бюл, М 43 ((71) Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта (72) А.И. Левыкин (56) Бредли К. Применение техники высоких давлений при исследовании твердого тела. — M. Мир, 1972, с. 231 (190 — 196). Matsushima, Compresslonal wave Velocity in olivine nodules at high pressurt: and temperature.3. Phys. E a rth, 20, N. 2, 1972. Геншафт Ю.С. Экспериментальные исследования в области гл;бинной минералогии и петрологии. — М.; Наука, 1977. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН И ПЛОТНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Изобретение относится к области создания аппаратуры высокого давления и разработки методов исследования физических свойств твердых материалов и горных пород при высоких давлениях и температурах. Изобретение связано с разработкой способа определения скорости ультразвука в твердотельных установках высокого давления типа поршень-цилиндр. Оно позволяет повысить точность измерений скорости ультразвука, сжимаемости, температуры и расширить диапазон давления, получить более равномерное поле температур. Известны устройства для определения скорости распространения ультразвука и плотности, использующие импульсный метод прозвучивания и метод смещения поршня. Скорость распространения ультразвука определяется путем измерения БЫ 1776791 А> (57) Использование: для измерения в установках поршень-цилиндр скорости распространения упругих волн и плотности в образцах при высоких давлениях и температурах. Сущность изобретения; устройство содержит камеру для размещения испытываемого образца с поршнями. излучатель и приемник УЗ-волн, нагреватель и термопары. В нем поршни выполнены с углублениями на наружных торцах, в которых установлены соответственно излучатель и приемник УЗ-волн, при этом нагреватель и термопары смонтированы на наружной поверхности камеры. Устанавливают в камеру исследуемый образец и осуществля ют одновременное его нагружение с ультразвуковым прозвучиванием. Регистрируют скорость распространения упругих волн и плотность образца в зависимости от температуры и давления. 2 ил. времени пробега ультразвукового импульса, которое зависит от точности отсчета момента первого вступления импульса, а также от точности определения температуры и давления. Форма импульса и четкость первого вступления связаны с условиями прохождения УЗ от излучателя к приемнику через образец. Известно также устройство, которое следует рассматривать как прототип, содержащее излучатель и приемник УЗ-волн, поршни, термопару, образец и нагреватель. В нем излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, нагреватель и термопары помещены внутрь рабочего объема камеры высокого давления и температуры. Ввод термойары и экранированных проводов к излучателю и приемнику ультразвука осуществляется через каналы в поршнях. 1776791 К числу недостатков прототипа можно отнес1и следующие: высокие градиенты температуры и неравномерный нагрев вызывают термоупругие напряжения в образце и тем самым сказывают влияние на показания ультразвуковых измерений, давление и температура оказывают влияние на работу излучателя и приемника ультразвука, которые разрушаются при давлении 0,1 ГПа; влияние давления на показания термопары; исследования сжимаемости практически проводить невозможно; предел допустимых давлений в опытах снижается за счет каналов в поршнях. Размещение излучателей ультразвука, .термопары и нагревателя внутри камеры значительно уменьшает размеры исследуемого образца. Целью изобретения является повышение точности измерения скорости распространения УЗ-волн в образце и его сжимаемости за счет создания равномерно го температурного поля в образце, Достижение поставленной цели обеспечивается тем, что поршни выполнены с углублениями на наружных торцах, в которых установлены соответственно излучатель и приемник УЗ-волн, при этом нагреватель и термопары смонтированы на наружной поверхности камеры, На фиг. 1 и 2 изображена схема предполагаемого устройства. Здесь; 1 — излучатель и приемник ультразвука; 2 — камера для размещения испытываемого образца с поршнями; 3 — образец, 4 — термопара, 5 — нагреватель. Работа устройства характеризуется циклами опытов в следующей последовател ь ности. Иэ одной мелкозернистой горной породы была подготовлена серия образцов, в которых монтировались термопары следующим образом: на торцах, на боковой поверхности по диаметру, а также в центре образца. Образцы вместе с термопарами заключались в оболочку из пластического минерала-пиросфоллита, и помещались в канал камеры высокого давления. К торцам образ. ца подводились поршни. через которые осуществлялся вывод термопар. Образцы с помощью пресса через поршни подвергались сжатию до определенно5 55 го давления, которое поддерживалось постоянным во время испытаний. При строго определенных режимах нагрева одновременно снижались показания термопар 3, расположенных в образце, и рабочей термопары 4, расположенной вне образца. Такие циклы измерений проводились на 2-3 образцах и повторялись несколько раз для каждого образца. Строился график зависимости показаний рабочей термопары 4 от показаний термопар, расположенных в образце при различных Р и Т. Таким образом, при определенном режиме нагрева Т в образце можно установить по показанию рабочей термопары 4 (см. фиг. 2). Одновременно с измерением Т в образце проводятся измерения изменений длины и времени пробега ультразвука в поршнях и образце. Для определения сжимаемости и скорости распространения ультразвука в образце. используются данные тарировочных кратких определений изменения длины поршней и скорости пробега в них ультразвука при соответствующих режимах нагрева. В качестве примера приведены данные определения скорости УЗ (продольные волны) на частоте 1 МГц в образце базальта при нагреве до 500 С и фиксированном давлении — 5 кбар, Точность в определении Т не более 3,0 С в измерении длины образца +0,01 мм и времени пробега УЗ в образце +. 0,02 мкс. Максимально возможный разброс значений в определении Нр в данном примере при Т 200 С составляет Нрмакс 2034 . 3,28= = 6201 M/C Нр„„„2032: 3.32 = 6120 м/с ЛНр= 6201 6120 = 81 M/c, ÷TÎ соответ ствует 1,2, Различия от полученного в опыте зна-. чения V> = 6160 составляет 40 и 41 м/с (= 0 60 ) T.å. опытные данные полностью подтверждают достижение поставленной цели. Конструктивное расположение элементов устройства обеспечивает использование и создание в образцах больших размеров рав.номерного поля Т, что повышает точность измеряемых параметров образца, позволяет использовать легко сжимаемые .образцы. Вынос излучателя и приемника иэ зоны высоких давлений и температур обеспечивает стационарный режим их работы, что важно для сопоставления данных опытов, исключает возможное разрушение, позволяет также определять изменение длины образца во время опыта, что отсутствует в прототипе. 1776791 Сос1авитель А,Левыкин Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Мотыль Редактор Заказ 4105 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретения Устройство для измерения скоростей распространения упругих волн и плотности твердых тел, содержащее камерудля размещения испытуемого образца с поршнями, 5 излучатель и приемник УЗ-волн, нагреватель итермопары,отл ича ющееся тем, что, с целью повышения точности измерения, поршни выполнены с углублениями на наружных торцах, в которых установлены соответственно излучатель и приемник УЗволн, при этом нагреватель и термопары смонтированы на наружной поверхности камеры, 
