Электромеханическое устройство для измерения механических величин

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения динамического давления, усилия, микроперемещений и вибраций в широком диапазоне частот, в системах АСУ ТП, а также для измерения напряженно-деформированного состояния грунта в массиве и на контакте с сооружением, вызванного квазистатической или динамической нагрузкой при исследовании поведения реальных строительных конструкций, оснований и фундаментов и их моделей.
Известны электрохимические устройства диффузионного (концентрационного) типа для измерения различных механических величин, например, перемещений (см. Фиш М.Л., Лаптев Ю.В. Диффузионные преобразователи неэлектрических величин, Киев, "Технiка", 1979, 119 с.), содержащие герметичный, заполненный электролитом корпус, упругие элементы и подвижные электроды, материал которых образует с электролитом обратимую окислительно-восстановительную систему. Устройства этого типа обладают высокой чувствительностью к измеряемой величине, большой температурной погрешностью и низким частотным диапазоном (от 0 до 100 Гц).
Известны электрохимические устройства резистивного типа, основанные на изменении сопротивления проводящей среды между электродами электролитической ячейки под действием изменения измеряемой величины (см. Стрижевский И.В., Дмитриев В.И., Финкельштейн Э.Б. Хемотроника, М., "Наука", 1974, гл. 4.).
К недостаткам таких устройств следует отнести различные электрохимические воздействия на поверхность электродов, возникающие при прохождении через них электрического тока.
Наиболее близким по техническому решению (прототипом) является электрохимическое устройство для измерения механических величин (Minc S. и др. Elektrochemiczne przetworniki pomiarome  mechaniecznych, „Pomiary, automatyka, Kontrola", 1964, r. 10, №8, S. 334-337 или перевод с польского языка этой статьи С. Минца и др. №83007/0, бюро переводов ВИНИТИ, M., 1970, с. 14), состоящее из воспринимающей пластины и укрепленных на ней в горизонтальной плоскости последовательно соединенных между собой прямолинейных капиллярных элементов одинаковой длины, имеющих внутри многофазовые границы раздела ртуть - раствор электролита, а в запаянных концах газовые пузырьки и токосъемные электроды.
Принцип действия подобных устройств основан на U-II эффекте, сущность которого заключается в следующем. Если стеклянный (или выполненный из другого диэлектрического материала) капилляр, заполненный ртутью и раствором электролита, подвергать периодическим механическим колебаниям в направлении его оси, то между двумя электродами, находящимися в контакте с ртутью и электролитом, возникнет переменное напряжение с частотой, идентичной частоте возбуждающих колебаний.
Устройства для измерения механических величин на основе U-II эффекта (гидрофон, стетоскоп и др.) имеют большой выходной сигнал и высокую чувствительность за счет большого количества границ раздела ртуть - раствор электролита внутри капилляра и последовательного их соединения (например, гидрофон такого типа почти в два раза чувствительнее пьезоэлектрического гидрофона, в котором использована сегнетова соль), относительно низкое выходное сопротивление (порядка от нескольких десятков до десятков килоом при частоте 1 кГц), практически незначительную чувствительность к изменению температуры в интервале от +20 до -40°С, не требуют внешнего источника тока, так как работают в генераторном режиме.
Недостатком известного устройства является необходимость совершения периодических колебаний самих капиллярных элементов, укрепленных на воспринимающей пластине, под действием измеряемой механической величины, направленной вдоль оси этих элементов. Это, в ряде случаев, накладывает ограничения на применение подобных устройств. Так, в случае измерения механической величины, совпадающей с направлением силы тяжести, уменьшается надежность работы устройства в результате опускания и слияния между собой глобул ртути в капиллярах.
К недостаткам известного устройства можно отнести ограничения в области восприятия низких частот, связанные с инерцией ртути в капиллярах при их движении. Кроме того, на показания известного устройства будут влиять удары, толчки и другие неинформативные воздействия, совпадающие с направлением оси капиллярных элементов.
Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения и уменьшение погрешности измерения известного устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения механических величин, состоящем из воспринимающей пластины и укрепленных на ней в горизонтальной плоскости последовательно соединенных между собой капиллярных элементов одинаковой длины, имеющих внутри многофазовые границы раздела ртуть - раствор электролита, а в запаянных концах газовые пузырьки воздуха и токосъемные электроды, капиллярные элементы отделены от воспринимающей пластины, выполнены в форме дуг, расположенных выпуклостями друг к другу, и имеют открытую с одного конца границу ртути, соприкасающуюся с диэлектрической жидкостью гидравлического преобразователя, причем токосъемный электрод с запаянного конца одного элемента соединен с электродом открытого конца другого элемента.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения, имеющие в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками предлагаемого устройства, поэтому последнее отвечает критерию "существенные отличия".
На фиг. 1 показана одна из схем предлагаемого устройства для измерения механических величин, например, напряженно-деформированного состояния грунта, вызванного квазистатической или динамической нагрузкой.
Устройство состоит из гидравлического преобразователя, имеющего воспринимающую пластину 1 и герметичный корпус 2 с диэлектрической жидкостью 3, внутри которого в горизонтальной плоскости выпуклостями друг к другу расположены стеклянные капиллярные элементы 4 в форме дуг одинаковой длины. Элементы содержат внутри многофазовые границы раздела ртуть - раствор электролита. В запаянных концах элементов глобулы ртути соприкасаются с воздушными пузырьками 5, а в открытых концах с диэлектрической жидкостью. Капиллярные элементы соединены между собой последовательно, причем токосъемный электрод с запаянного конца одного элемента соединен с электродом открытого конца другого элемента. Электроды на концах цепи 6 подключены к измерительному прибору (последний на фиг. 1 не показан).
Устройство работает следующим образом. При изменении напряженно-деформированного состояния грунта в месте закладки данного устройства произойдет перемещение диэлектрической жидкости, внутри гидравлического преобразователя, которое воздействуя на открытые концы капиллярных элементов, вызовет деформацию многофазовых границ раздела ртуть - раствор электролита, что приведет к изменению площади их поверхностного контакта и, следовательно, к изменению напряжения на концах каждого элемента и суммарного напряжения на концах электрической цепи устройства.
За счет изменения механизма воздействия на многофазовые границы раздела ртуть - раствор электролита удалось существенно расширить область применения электрохимических устройств этого типа. Помимо описанного в примере устройства для измерения напряженно-деформированного состояния грунта, они могут применяться для измерения динамического давления, усилия, в качестве счетчиков, а при соединении инерционной массы с воспринимающей пластиной - в качестве вибро- и сейсмодатчиков большой чувствительности. Возможно использование их и в АСУ ТП для измерения, контроля и сигнализации прецизионных изменений уровня, расхода и других параметров.
Расширение области применения происходит также в результате появившейся возможности измерять низкочастотные механические воздействия, вплоть до квазистатических.
Предлагаемая же форма и расположение капиллярных элементов позволяет уменьшить погрешность при измерениях за счет уменьшения возможного воздействия неинформативных боковых толчков и углового ускорения при проведении натурных опытов или экспериментов на моделях в различных условиях.
В лаборатории кафедры "Строительное производство, основания и фундаменты" Новочеркасского политехнического института была изготовлена партия электрохимических деформометров. Дугообразные капиллярные элементы изготавливали из стеклянных трубок с внутренним диаметром 0,07 см (ТУ 25-11-988-75), а токосъемные электроды из платиновой проволоки (ГОСТ 6563-75). В качестве раствора электролита применяли 20% водный раствор серной кислоты на основе дистиллированной воды. Кислоту и ртуть применяли химически чистыми. В качестве диэлектрической жидкости гидравлического преобразователя использовали силиконовое масло.
Исследования работоспособности макетов деформометров на основе предлагаемого электрохимического устройства показали перспективность их использования как в научных экспериментах, так и в народном хозяйстве.