Гидравлический датчик напряжений для ледяного покрова
HYDRAULIC STRESS SENSOR FOR ICE COVER

Гидравлический датчик напряжений для ледяного покрова относится к ледоведению и ледотехнике и служит для измерения направленных напряжений во льду, которые используются при определении характеристик прочности льда, прогнозе его разрушения и для обеспечения безопасного пребывания людей и техники на льду и строительстве гидротехнических сооружений на шельфе замерзающих морей.
Известно устройство для измерения давления во льду /1/, которое выполнено в виде упругого полого шара с расположенными внутри измерителями его деформации. К недостаткам устройства следует отнести тот факт, что с его помощью можно определять только давление (скалярную величину) в слое льда и невозможно определение напряжений в заданном направлении измерения.
Известен также закладной датчик, предназначенный для мониторинга полного давления в грунте /2/. Установка датчика производится при возведении насыпей, обратной засыпке, сооружении подпорных стен и т.д. Датчик состоит из двух круглых пластин, сваренных по периметру и образующих внутри себя полость. Полость заполнена несжимаемой жидкостью. Грунт воздействует на пластину, вызывая изменение давления жидкости в корпусе датчика. Жидкость передает давление на мембрану, связанную с встроенным датчиком давления. Чувствительным элементом датчика является металлическая струна. Давление меняет силу натяжения и резонансную частоту колебаний струны датчика, что считывается с помощью электромагнитных катушек. К недостаткам устройства следует отнести то, что датчик не приспособлен для применения в ледовых условиях. Закладка датчика производится в горизонтальной плоскости для фиксации статического вертикального давления грунта. Датчик невозможно откалибровать или проверить его работоспособность после его установки в грунт.
Известно взятое за прототип устройство для измерения напряжений в твердых средах, в том числе и во льду /3/. Оно содержит два жестких приемных диска, один из которых выполнен ступенчатым, и на ступенях уложены трубчатые кольца с увеличивающейся жесткостью к центру диска. При возрастании напряжений диски сжимаются и, по мере возрастания напряжений во льду происходит ступенчатое увеличение жесткости устройства. В центре между дисками установлен датчик перемещений. Калибровка осуществляется в прессе перед установкой устройства в лед.
К недостаткам устройства следует отнести переменную (ступенчатую) чувствительность датчика, невозможность проведения тестирования устройства во время работы во льду и его значительную толщину вследствие конструктивных особенностей, что снижает точность измерений.
Техническим результатом предложенной конструкции является повышение точности измерения направленных напряжений во льду.
Это достигается путем сохранения постоянной чувствительности устройства во всем рабочем диапазоне измерений и тем, что приемный элемент датчика, выполненного из двух круглых пластин, соединенных по периметру и содержащих внутри себя полость. При этом толщина приемного элемента намного меньше его диаметра. Сам приемный элемент сменной тонкой трубкой соединен через тройник при помощи быстроразъемных соединений (БРС) рукавами с выносным измерительным блоком и выносным компенсационным регулятором давления. Соединительные сменные трубки изготавливаются разной длины для установки датчика во льду на необходимой глубине в зависимости от решаемых задач. Выносной измерительный блок включает датчик давления мембранного типа и образцовый манометр. Датчик давления через плату аналого-цифровой преобразователь (АЦП) стыкуется с регистратором, например, ноутбуком. Образцовый манометр предназначен для визуальной регистрации давления в системе при тестировании устройства. Выносной компенсационный регулятор обеспечивает установку нулевого уровня давления в системе датчика после его замораживания во льду, а также для проверки работоспособности системы и тестировании устройства.
Состав предлагаемой конструкции приведен на фиг. 1, на которой представлен:
1 - приемный элемент,
2 - пропил,
3 - ледяной покров,
4 - сменная трубка,
5 - тройник,
6 - быстроразъемные соединения,
7, 8 - рукава,
9 - выносной измерительный блок,
10 - выносной компенсационный регулятор давления,
11 - мембранный датчик давления,
12 - образцовый манометр.
Указанные элементы устройства соединены следующим образом. В пропиле 2 сделанном в ледяном покрове 3 установлен приемный элемент 1, который соединен сменной трубкой 4 через тройник 5 при помощи быстроразъемные соединения 6 рукавами 7 и 8 с выносным измерительным блоком 9 и выносным компенсационным регулятором давления 10. На измерительном блоке 9 установлены мембранный датчик давления 11 и образцовый манометр 12.
Гидравлический датчика напряжений осуществляется следующим образом. В ледяном покрове 3 производят пропил 2 на заданную глубину. В пропил 2 вставляют приемный элемент 1 с присоединенной трубкой 4, длина которой выбирается в соответствии с глубиной установки устройства. Далее гидравлический приемный элемент 1 через тройник 5, быстроразъемные соединения 6 рукавами 7 и 8 подсоединяется к выносному измерительному блоку 9 с мембранным датчиком давления 11 и образцовым манометром 12, а также к выносному компенсационному регулятору давления 10. Датчик давления 11 через плату АЦП (на фиг. 1 не указан) стыкуется с регистрирующим устройством. После чего производят замораживание приемного элемента 1. Далее при помощи компенсационного регулятора давления 10 выводят гидравлический датчик напряжений в ноль и проводят тестирование устройства во льду, увеличивая давление в системе и возвращаясь к нулевому уровню.
Использованные источник уровня техники
1. Альтшулер Г.Г., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Датчик давления / Авт. свид. №561887. 1977. (Аналог).
2. Датчик давления: модель 19ХХ. Производитель: Sungjin Geotech Корея. Company Address: 6-1, Yeongdeungpo-ro 25-gil, Yeongdeungpo-gu, Seoul, Korea. (Аналог).
3. Никитин В.А., Смирнов B.H., Сыроваткин В.И., Шушлебин А.И. Авт. Свид. №1633295, 1990 г.