Устройство для измерения твердости почвы

Авторы патента:

G01N3/40 - исследование твердости или упругой твердости

Владельцы патента RU 2791146:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Курский федеральный аграрный научный центр" (RU)

Изобретение относится к инструментам для измерения физических свойств почв. Устройство содержит рукоятку, цилиндрическую пружину с тарелками, стержень с калиброванным наконечником, площадку для бумаги с бумагой и опорный башмак. На рукоятке дополнительно выполнены направляющая втулка для стержня, вертикальный кронштейн с рулеткой, горизонтальный кронштейн с видеокамерой, вертикальная линейка и ограничительный пруток. На стержне на верхнем конце на резьбовом соединении закреплена указательная пластина, в средней части - нижняя тарелка с цилиндрической пружиной, а на нижнем конце над калиброванным наконечником в конусообразном отверстии - опорный башмак с шарнирно прикрепленным наконечником рулетки. Технический результат: упрощение процесса измерения твердости почвы в корнеобитаемом слое сельскохозяйственных растений на глубинах, превышающих метровые значения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к инструментам для определения твердости почвы в корнеобитаемом слое сельскохозяйственных растений на различных глубинах, в том числе и на глубинах, превышающих один метр, с фиксацией результатов на видеоустройства.

Известно, что одной из важнейших физических характеристик почвы является ее твердость, то есть ее способность сопротивляться сдавливанию и расклиниванию рабочим органам при работе на ней почвообрабатывающих машин.

Наибольшее распространение для измерения твердости почвы получили твердомеры, состоящие из пружин с известным усилием сжатия, плунжеров и механизмов записи, фиксирующих соотношение усилия сжатия пружин при перемещении плунжеров в почве.

Известен твердомер Алексеева [1]. В отличие от широко распространенных твердомеров, пружина в нем заменена гидравлическим цилиндром с поршнем и манометром. Для работы с известным твердомером, как и для работы с подобными зарубежными аналогами необходимы два и более работника для одновременного вдавливания стержня с наконечником в почву и визуальной фиксации с ручной записью показаний манометра и величин перемещения стержня в ней.

Известен твердомер [2], состоящий из двух направляющих штанг, зафиксированных между собой, на которых установлена подвижная пластина с рукояткой, телескопическими штангами, цилиндрической пружиной, сменным наконечником и пишущим механизмом с бумажной лентой. Известный твердомер также имеет ряд недостатков. У него ограничена измеряемая глубина, необходимо часто менять бумажную ленту, а наличие в пишущем механизме большого числа шарниров снижает надежность и качество получаемой информации.

Известно устройство для измерения твердости почвы [3] на глубину до 1,2 м, состоящее из рабочего штока, вставленного в отверстие основания с закрепленными на нем направляющими штангами, наконечника и пишущего механизма. При измерении твердости известным устройством на большую глубину необходимо несколько раз перемещать пружину с пишущим механизмом в вертикальном направлении, соединять и разъединять штанги и маркировать записанные на бумаге линии, что в целом усложняет работу с устройством и снижает его надежность.

Цель изобретения - упрощение процесса измерения твердости почвы в корнеобитаемом слое сельскохозяйственных растений до глубин, превышающих метровые значения.

Для достижения поставленной цели предлагается устройство для определения твердости почвы (твердомер), состоящее из рукоятки, на которой закреплены прямоугольная площадка для бумаги с бумагой, вертикальный кронштейн с рулеткой, вертикальная линейка, ограничительный пруток, направляющая втулка и верхняя тарелка. При этом площадка для бумаги, ограничительный пруток и вертикальная линейка удерживаются на рукоятке хомутом с прижимной пластиной и вертикальными гайками. А на верхней тарелке сбоку дополнительно установлено болтовое соединение с горизонтальным кронштейном и видеокамерой. В направляющей втулке, расположенной в центре рукоятки, подвижно установлен цилиндрический вертикальный стержень, на котором сверху на верхнем резьбовом окончании горизонтальной гайкой закреплена указательная пластина, а снизу в конусообразном отверстии с углублением под опорным башмаком, калиброванный наконечник. При этом меньший диаметр этого отверстия больше диаметра вертикального стержня, но меньше диаметра калиброванного наконечника. На опорном башмаке также шарнирно закреплен и наконечник рулетки с полотном рулетки со шкалой, направленной в сторону видеокамеры. Под рукояткой в верхней тарелке расположена цилиндрическая пружина, которая снизу опирается на нижнюю тарелку, закрепленную на цилиндрическом вертикальном стержне болтом с контргайкой.

На фиг. 1 представлен вид спереди предлагаемого устройства, на фиг. 2 - вид сбоку, а на фиг. 3 - увеличенное сечение А-А.

Устройство для определения твердости почвы (твердомер) состоит из рукоятки 1 (фиг. 1), на которой закреплены площадка для бумаги 2 с бумагой 3, направляющая втулка 4 с верхней тарелкой 5, вертикальная линейка 6, ограничительный пруток 7 и вертикальный кронштейн 8 с рулеткой 9. В направляющей втулке 4 подвижно установлен цилиндрический вертикальный стержень 10 с указательной пластиной Пи горизонтальной гайкой 12 (фиг. 2). На верхней тарелке 5 снаружи на резьбовом соединении дополнительно закреплена видеокамера 13 на горизонтальном кронштейне 14. А внутри ее расположена цилиндрическая пружина 15, ограниченная снизу нижней тарелкой 16, зафиксированной на цилиндрическом вертикальном стержне 4 (фиг. 1) стопорным болтом 17 с контргайкой 18. На нижнем конце вертикального цилиндрического стержня 10 над калиброванным наконечником 19 дополнительно установлен опорный башмак 20 с внутренним конусообразным отверстием 21 и с углублением для калиброванного наконечника 19. К опорному башмаку 20 (фиг. 2) дополнительно шарнирно прикреплено полотно рулетки 22 через наконечник рулетки 23. Для удержания и регулировки вертикальной линейки 6 на устройстве выполнена пластина 24 (фиг. 3), которая совместно с площадкой для бумаги 2 и ограничительным прутком 7 на рукоятке 1 удерживаются хомутом 25 с вертикальными гайками 26.

Устройство для измерения твердости почвы (твердомер) работает следующим образом. Перед работой твердомер тарируется. Для этого к рукоятке 1 (фиг. 1) установленного на весы твердомера прикладывается вертикальное рабочее усилие, которое через верхнюю тарелку 5, цилиндрическую пружину 15 и нижнюю тарелку 16 со стопорным болтом 17 и контргайкой 18 передается на вертикальный стержень 10, подвижно установленный в направляющей втулке 4. Цилиндрическая пружина 15, сжимается и перемещает вместе с вертикальным стержнем 10 закрепленную на его верхнем конце горизонтальной гайкой 12 указательную пластину 11 вдоль вертикальной линейки 6. Соотношение прилагаемых на рукоятку 1 усилий и перемещений указательной пластины 3 относительно шкалы вертикальной линейки 6 фиксируется, и затем определяется переводной тарировочный коэффициент, который используется в дальнейших расчетах.

Первоначально в твердомере на площадке для бумаги 2 закрепляют бумагу 3 с записью информации об исследуемой на поле точки. Далее кронштейн видеокамеры 14 (фиг. 2) поднимают до горизонтального положения, фиксируют его на верхней тарелке 5 болтовым соединением и закрепляют на нем видеокамеру 13 таким образом, что бы на экране видеокамеры 13 одновременно отображались бумага 3 с записью названия отрабатываемой на поле точки и указательная пластина 11 со шкалами вертикальной линейки 6 и полотна рулетки 22. Нулевое положение вертикальной линейки 6, видимое на видеокамере против указательной пластины 11 на разгруженном твердомере регулируется ее перемещением после частичного раскручивания вертикальных гаек 26 (фиг. З), удерживающих хомутом 25 на рукоятке 1 прижимную пластину 24 и площадку для бумаги 2.

В исследуемом на поле месте ставят твердомер опорным башмаком 20 (фиг. 1) на почву в вертикальном положении, включают видеокамеру 13, и медленно вдавливают за рукоятку 1 цилиндрический вертикальный стержень 10 с калиброванным наконечником 19 в почву. При этом усилие от цилиндрического вертикального стержня 10 через нижнюю тарелку 16, закрепленную на нем стопорным болтом 17 с контргайкой 18, передается на цилиндрическую пружину 15 и сжимает ее. Перемещаясь в направляющей втулке 4, цилиндрический вертикальный стержень 10 поднимает указательную пластину 11 вдоль вертикальной линейки 6 на величину, соответствующую усилию сопротивления вдавливания в почву калиброванного наконечника 19. При заглублении цилиндрического вертикального стержня 10 рукоятка 1, а вместе с ней и закрепленная на вертикальном кронштейне 8 рулетка 9 опускаются вниз, сматывая излишки полотна рулетки 22, которая наконечником рулетки 23 (фиг. 2), шарнирно прикреплена к опорному башмаку 20. При этом вес опорного башмака 20 превышает усилие сматывания рулетки 9, что исключает его произвольный подъем. Видеокамера 13 совместно с указательной пластиной 11, опускаясь вместе с кронштейном видеокамеры 14 вниз вдоль стоящей шкалы полотна рулетки 22, фиксирует одновременно положения указательной пластины 11 относительно этой шкалы и относительно шкалы вертикальной линейки, отклонение которой от нулевого значения показывает усилие вдавливания калиброванного наконечника в почву. Указательная пластина 11 (фиг. 3), закрепленная на цилиндрическом вертикальном стержне 10 может относительно его оси проворачиваться. Сзади этому препятствует вертикальная линейка 6, а спереди ограничительный пруток 7. Шкала на полотне рулетки 22 (фиг. 1) в рулетке 9 заправлена в обратном направлении, то есть, когда калиброванный наконечник 19 находится в нижней плоскости опорного башмака 20, видеокамера 13 на полотне рулетки 22 против указательной пластины 11 фиксирует нулевую отметку. При определении твердости почвы ее поверхность может быть не плоской и не горизонтальной. Что бы исключить подклинивание вертикального стержня 10 при перекосе опорного башмака 20, отверстие 21 в нем выполнено конусообразным. При этом меньший диаметр отверстия 21 больше диаметра вертикального стержня 10, но меньше диаметра калиброванного наконечника 19. После измерения твердости в одной точке, не выключая видеокамеру, можно рядом повторить эти измерения нужное количество раз. Затем видеокамеру 13 выключают.

Переместив твердомер на новое место и сменив соответствующую надпись на бумаге 3, включают видеокамеру 13 и уже на нем повторяют нужное количество заглублений вертикального стержня 10 в почву с видеофиксацией усилий вдавливания на соответствующих глубинах прохождения калиброванного наконечника 19.

После завершения измерений снимают устройство флэш-памяти с видеокамеры 13, и на компьютере в покадровом режиме считывают, по указанной на бумаге точке, положение указательной пластины 11 относительно вертикальной линейки 6, то есть величины сжатия цилиндрической пружины 15 на интересующих исследователя глубинах, определяют их средние значения и, используя ранее полученный тарировочный коэффициент (индивидуальный для каждого твердомера), определяют средние значения твердости на этих глубинах. Заменяя на устройстве цилиндрический вертикальный стержень 10 стержнем с другой длиной и меняя при этом соответствующее полотно рулетки 22, твердомером можно измерять твердости почвы в корнеобитаемых слоях в различных диапазонах глубин.

Список литературы:

1. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 141 с.

2. Патент на изобретение №2717169 Рос. Федерации: МПК G01N 3/40 Устройство для измерения твердости почвы / Вытовтов В.А., Прущик А.В., Сухановский Ю.П., Тарасов С.А.; заявитель и патентообладатель ФГБНУ «Курский ФАНЦ» - №2019118685; заявл. 14.06.2019, опубл. 18.03.2020, бюл. №8.

3. Патент на полезную модель 106746 Рос. Федерации: МПК G01N 3/00 Устройство для измерения твердости почвы / Корпушов С.А., Петров В.И., Жданов Ю.М.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИАЛМИ РАСХН - №2010151074/15; заявл. 13.12.2010, опубл. 20.07.2011, бюл. №20.

1. Устройство для измерения твердости почвы, включающее рукоятку, цилиндрическую пружину с тарелками, стержень с калиброванным наконечником, площадку для бумаги с бумагой и опорный башмак, отличающееся тем, что на рукоятке дополнительно выполнены направляющая втулка для стержня, вертикальный кронштейн с рулеткой, горизонтальный кронштейн с видеокамерой, вертикальная линейка и ограничительный пруток, а на стержне на верхнем конце на резьбовом соединении закреплена указательная пластина, в средней части - нижняя тарелка с цилиндрической пружиной, а на нижнем конце над калиброванным наконечником в конусообразном отверстии - опорный башмак с шарнирно прикрепленным наконечником рулетки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что меньший диаметр конусного отверстия в башмаке больше диаметра стержня, но меньше минимального диаметра калиброванного наконечника, при этом вес опорного башмака в точке крепления наконечника полотна рулетки превышает усилие сматывания рулетки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на полотне рулетки установлена обратная шкала.

Изобретение относится к области измерения реологических свойств тяжёлых и мелкозернистых бетонных смесей, строительных цементно-песчаных растворов и контролю их технического состояния на начальном этапе твердения (схватывания) и может быть использовано в строительстве, например, на объектах монолитного строительства при контроле качества монолитных бетонных работ.

Установка для проведения полевых испытаний грунтов подбалластного основания железнодорожного пути // 2782281

Изобретение относится к области верхнего строения железнодорожного пути, в частности к установкам для проведения полевых испытаний грунтов подбалластного основания железнодорожного пути. Установка содержит штамп со штоком, статическую опору, гидравлический домкрат с датчиком гидростатического давления и систему измерения осадки штампа.

Способ подготовки керна и оценка прочностных характеристик методом профилирования // 2774638

Изобретение относится к способу подготовки к исследованию прочностных характеристик керна с нарушенной структурой методом профилирования. Подготавливают к исследованию трещиноватые, сланцеватые, глинистые, рыхлые участки керна, а также участки с плохой сохранностью кернового материала, участки керна, непригодные для создания образцов для геомеханических исследований, подбирают полимер таким образом, чтобы механические свойства были заведомо более низкими/высокими относительно изучаемого керна, причем вязкость полимера должна быть такой, чтобы не происходило глубокого проникновения полимера в поры керна, осуществляют калибровку прочностных свойств сшитого полимера.

Способ определения твердости металлических материалов // 2769646

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано для исследования механических характеристик материалов, в частности для определения твердости металлических материалов методом внедрения индентора при заданной нагрузке. Сущность: осуществляют определение предела текучести неупрочненного материала, определение твердости с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора, определение сопротивления деформации материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора и определение твердости материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентора по предлагаемой формуле.

Способ определения охрупчивания материала // 2767028

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля состояния материала, в частности к способу определения охрупчивания материала, в том числе в процессе эксплуатации конструкции. Сущность: выполняют индентирование на поверхности изделия (образца) в исходном состоянии, гарантированно соответствующего нормативным требованиям.

Способ определения предела текучести материала цилиндрической детали при кручении // 2765342

Изобретение относится к области определения предела текучести при кручении без разрушения материала деталей, работающих в условиях нагружения крутящим моментом. Сущность: осуществляют нагружение поверхности испытуемого материала посредством индентора под углом скрещивания 90° оси цилиндрического индентора к оси цилиндрической детали нагрузкой, величина которой соответствует диапазону измерения твердости, измерение глубины полученного остаточного отпечатка, определение критической нагрузки, и расчет предела текучести испытуемого материала цилиндрической детали при кручении по зависимости ,где F – нагрузка на цилиндрический индентор (Н); Fкр – критическая нагрузка, (Н); h – глубина остаточного отпечатка, (мм); Rпр – приведенный радиус кривизны в контакте; с – коэффициент пластичности при кручении.

Способ определения предела выносливости материала цилиндрической детали при кручении // 2765340

Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и может быть использовано для определения предела выносливости при кручении без разрушения материала деталей, работающих в условиях нагружения переменным во времени крутящим моментом. Сущность: осуществляют измерение радиусов кривизны поверхности испытуемого материала цилиндрической детали и цилиндрического индентора, определяют по ним приведенный радиус кривизны Rпр.

Устройство и способ измерения эластичности кожи // 2760377

Группа изобретений относится к медицине, а именно к устройству, системе и способу измерения эластичности кожи. Устройство содержит средство для прикрепления устройства измерения эластичности к устройству записи изображения, механическое средство, зеркало.

Способ определения прочности материалов // 2758685

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств металлических материалов, в частности к определению усилия, вызывающего разрушение поверхностно упрочненных стальных изделий. Сущность: определяют толщину и площадь упрочненного слоя и устанавливают функциональную зависимость изменения твердости по сечению упрочненного слоя, осуществляют ее интегрирование, где в качестве интегрирующей величины выступает толщина упрочненного слоя, и определяют усилие, вызывающее разрушение поверхностно упрочненных стальных изделий, используя уравнение, учитывающее значения усилия, вызывающего разрушение поверхностно упрочненной детали, площади упрочненного слоя, площади основного металла, толщины упрочненного слоя, функциональной зависимости изменения твердости по сечению упрочненного слоя, коэффициента, для стали равного 0,345, и твердости основы металла детали.

Устройство для измерения твердости почвы // 2756884

Изобретение относится к инструментам для измерения физических свойств почв, в частности для определения твердости переуплотненной почвы с фиксацией данных на бумажной ленте. Устройство содержит верхнюю и нижнюю опорные пластины с закрепленными между ними узлами жесткости, направляющими штангами с подвижной пластиной, планкой для бумаги с пружинным зажимом, наружной трубой с центральным стержнем телескопической штанги, цилиндрической пружиной, кареткой, рукояткой, стопорным узлом, содержащим запорный винт, и пишущим механизмом с поворотным узлом.