ДАТЧИК-ЗОНД ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНОГО МАССИВА

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для измерения деформаций и напряжений в толще горного массива.
Известен датчик для измерения деформаций в бетоне (патент США №4730497, G01N 3/00, 1988 г.), содержащий тензометрический датчик для измерения деформаций горного массива, содержащий чувствительный элемент с анкерными элементами, кабель.
Недостатком аналога является использование в качестве чувствительного элемента колеблющейся струны с нелинейной характеристикой преобразования деформации в частоту, что снижает точность и достоверность измерений.
Наиболее близким к предложенной полезной модели по совокупности существенных признаков является датчик-зонд по патенту Японии JP 2009192319, "Buried type strain meter", G01B, 7/16, 2009 г., для измерения деформаций горного массива, содержащий чувствительный тензометрический элемент с анкерными элементами, кабель.
К числу недостатков прототипа относятся следующие.
В лабораторных условиях невозможно проверить, каковы реальные параметры датчика, замоноличенного в породе. Градировочная характеристика датчика, полученная в лабораторных условиях, на стендах, не может быть использована в реальных условиях эксплуатационных условияхгорных выработок, шахт и т.п., что приводит к недостаточной достоверности результатов измерений, так как механические характеристики датчика и породы различны.
Кроме того, из-за сложной формы датчика практически невозможно правильно установить его в скважине таким образом, чтобы окружающая его порода полностью заполнила все углубленные места и тем самым было обеспечено плотное прилегание к породе и правильная передачи ее деформации на датчик.
Прототип является чувствительным прибором и требует бережного обращения, а это трудно обеспечить в полевых условиях открытых горных выработок и в подземных условиях шахт.
Цель полезной модели - устранение отмеченных недостатков прототипа, а именно обеспечение возможности правильной установки в скважине, выполненной в толще горного массива и повышения достоверности измерения деформаций.
Для достижения указанных целей в прототип введен закладной узел, выполненный в виде параллелепипеда, чувствительный тензометрический элемент выполнен в виде пластины и замоноличен в закладном узле, при этом размеры чувствительного тензометрического элемента и закладного узла удовлетворяют соотношениям:
0,3≤l/L≤0,9
0,2≤w/W≤0,9,
где обозначено:
l - длина чувствительного тензометрического элемента, мм,
L - длина закладного узла, мм,
w - ширина чувствительного тензометрического элемента, мм,
W - ширина закладного узла, мм,
кабель выведен за пределы закладного узла,
закладной узел изготовлен из композитного материала, содержащего:
цемент марки Д0, 25-30%,
песок кварцевый, фракция 0,31-0,63 мм, 56-61%
натриевое жидкое стекло, 1%
остальное вода,
при этом на закладной узел нанесен защитный слой - натриевое жидкое стекло с инертным наполнителем.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан датчик-зонд тензометрический для измерения деформаций горного массива, и его проекции в разрезе.
Для достижения указанных целей в датчик-зонд введен закладной узел 1, выполненный в виде параллелепипеда, чувствительный тензометрический элемент выполнен в виде пластины 2 и замоноличен в закладном узле 1, при этом размеры чувствительного тензометрического элемента и закладного узла удовлетворяют соотношениям:
0,3≤l/L<0,9,
0,2≤w/W≤0,9,
где обозначено:
l - длина чувствительного тензометрического элемента, мм,
L - длина закладного узла, мм,
w - ширина чувствительного тензометрического элемента, мм,
W - ширина закладного узла, мм,
кабель 3 выведен за пределы закладного узла 1.
Закладной узел 1 изготовлен из композитного материала, содержащего:
цемент марки Д0, 25-30%,
песок кварцевый, фракция 0,315-0,630 мм, 56-61%
натриевое жидкое стекло, 1%
остальное вода.
На закладной узел 1 нанесен защитный слой 7 - натриевое жидкое стекло с инертным наполнителем.
На пластине 2 размещены тензорезисторы 4, защищенные герметиком 5. Анкерные элементы 6 размещены на концах пластины 2.
Устройство работает следующим образом.
Датчик-зонд помещают в скважину и замоноличивают в заданном положении заливкой скважины материалом, схожим или совпадающим по механическим характеристикам с окружающей горной породой.
Деформация ± ε окружающей горной породы передается на закладной узел 1, и, через анкерные элементы 6, на пластину 2.
Тензорезистор 4 преобразует деформацию ± ε в изменение сопротивления. Через кабель 3 к тензорезистору 4 подключена вторичная аппаратура (на чертеже не показана), которая преобразует изменение сопротивления тензорезистора 4 в нужную форму.
Соотношения размеров пластины 2, чувствительного тензометрического элемента и закладного узла 1 подобраны экспериментальным путем, исходя из условия минимизации общего размера датчика-зонда, что облегчает его ориентацию при установке в скважине.
Для защиты тензорезисторов от влаги служит герметик 5.
Проникновению воды также препятствует защитный слой 7 из натриевого жидкого стекла с инертным наполнителем.
Перед размещением датчика-зонда в скважине, в эксплуатационных условиях, его градуируют на силозадающей машине, в лабораторных условиях. Полученная в лабораторных условиях характеристика преобразования датчика-зонда может быть использована в эксплуатационных условиях, поскольку благодаря закладному узлу 1 условия работы пластины 2 и тензорезистора 4 в лабораторных и эксплуатационных условиях идентичны.
Наличие закладного узла 1 обеспечивает достаточную прочность датчика-зонда. Поэтому, в отличие от прототипа, он выдерживает грубое обращение, обычное для работ в шахтах и горных выработках. Это позволяет использовать его в любых производственных условиях, и надежно замоноличивать его в скважинах.
Анкерные элементы 6 могут быть выполнены в виде двухсторонних отгибов пластины 2, приклепанных или припаянных уголков и т.п.
Тензорезистор 4 может быть дополнен другими тензорезисторами до полумоста или полного моста, в зависимости от вторичной аппаратуры.
В закладном узле 1 можно разместить несколько чувствительных тензометрических элемента, ориентированных под разными углами, что позволяет одновременно измерить деформацию по разным направлениям.