УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ТРЕЩИН В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к измерению линейных размеров и перемещений и может использоваться в качестве датчика при обследовании и мониторинге строительных конструкций.
При обследовании строительных конструкций наиболее ответственным этапом является изучение трещин, выявление их размеров и динамики развития. Они могут быть вызваны самыми разными причинами и иметь различные конструктивные особенности.
Измерение линейных размеров швов и трещин в строительных конструкциях имеет ряд особенностей (Горпинченко В.М., Егоров М.И. Мониторинг эксплуатационной пригодности особо ответственных, сложных и уникальных сооружений. Промышленное и гражданское строительство, №10, 2004.). Во-первых, для ряда строительных конструкций принципиально важным является определение направления деформации, что определило применение двухкоординатных датчиков, хотя не менее часто используется интегральный показатель, характеризующий динамику раскрытия трещины. Во-вторых, установка и закрепление датчиков на стенах - это трудоемкий процесс, поэтому независимо от периодичности наблюдений датчики устанавливаются на длительный срок. Поскольку на одно здание может потребоваться одновременно несколько десятков датчиков, их стоимость становится определяющим параметром.
Известны устройства измерения линейных перемещений с погрешностью менее 0,1 мм, использующие индуктивные, емкостные или оптические методы (например, а.с. RU 2367902 С1, 5 G01B 7/00, 20.09.2009, а.с. RU 2131591 C1, G01H 11/02 06.10.1999 г., магнитные, индуктивные и др. датчики фирм Baumer, Honeywell, Balluff, энкодеры Kuebler, оптические датчики фирмы Fotek, Renishaw). Обладая соизмеримыми параметрами, эти группы датчиков развиваются параллельно по пути уменьшения погрешности измерений и расширения измеряемого диапазона. Но каков бы метод измерения не применялся, улучшение основных характеристик неизбежно приводит к усложнению датчика и увеличению его стоимости, что и является основным недостатком.
Наиболее близким аналогом - прототипом заявляемого устройства является прогибомер П1 («Пособие по обследованию строительных конструкций зданий» АО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ», Москва, 1997 г.). Он содержит сосуд с подкрашенной жидкостью и мерную трубку со шкалой, соединенные резиновой трубкой. По изменению уровня жидкости в мерной трубке при ее перемещении (в вертикальном положении) по контролируемой горизонтальной поверхности (потолок, пол) измеряется величина прогиба. Для удобства перемещения к мерной трубке сверху (для замера прогиба потолка) прикрепляется колесо.
Недостатком такого устройства является низкая точность измерений и ограничение области его применения измерением только вертикальных отклонений.
Технической задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является устранение указанных недостатков - увеличение точности (чувствительности) устройства и придания ему возможности измерения линейных перемещений в любом направлении.
Техническим результатом является создание простого и высокоточного измерителя линейных размеров швов и трещин в строительных конструкциях, обладающего низким потреблением энергии, высоким быстродействием и способностью к длительной работе в автономном режиме.
Поставленная техническая задача решается тем, что колба выполняется из эластичного материала, заполняется полупрозрачной жидкостью и помещается между двумя уголками (стойками), предназначенными для жесткого закрепления на разных сторонах трещины; в одном торце мерной трубки, соединенной с колбой резиновой трубкой, устанавливается источник света - светодиод или лазер, а в другом - фотоприемник, регистрирующий высоту столба жидкости по изменению его прозрачности.. Колба может быть также выполнена в виде сильфона или мембранной камеры.
На фиг.1 представлен внешний вид заявляемого устройства, а на фиг.2, а, б - варианты его использования как двухкоординатного датчика.
Устройство содержит (фиг.1) два уголка 1, жестко закрепленных своими торцами на разных сторонах трещины перпендикулярно стене, помещенную между ними эластичную колбу 2 с полупрозрачной (подкрашенной) жидкостью и мерную трубку 3, соединенную с колбой гибкой трубкой 4; в торцах мерной трубки установлены излучатель света 5 и фотоприемник 6.
Уголки 1 предназначены для крепления колбы 2 и передачи на нее деформационных смещений трещины.
Колба 2 может выполняться произвольной формы в зависимости от конструктивных особенностей места крепления. В качестве колбы, например, может быть использована резиновая груша, клизма или полиэтиленовый мешочек. Для высокоточных измерений могут быть использованы и конструкции камер деформационных манометров - сильфон, мембранная камера и др.
Мерная трубка 3 выполняется из непрозрачного материала для исключения влияния внешней освещенности. Гибкая трубка 4 крепится в нижней части мерной трубки на ее боковой поверхности. Внутренний диаметр мерной трубки определяет чувствительность подобного датчика перемещений, поскольку для цилиндра высота обратнопропорциональна квадрату его диаметра d. Если контактную площадку уголка выполнить круглой с диаметром D, то коэффициент преобразования поперечного смещения трещины l (измеряемого параметра) в высоту столба жидкости h равен:
Минимальный диаметр трубки ограничен диаметром используемых излучателей света 5 и фотоприемника 6. При использовании стандартных светодиодов серии АЛ307 диаметром 3 мм. стократное увеличение l можно получить при диаметре контактной площадки всего 30 мм., а для диодов АЛ 117 он уменьшится еще в четыре раза. Высоту столба жидкости можно регулировать степенью прозрачности жидкости (степенью мутности).
Гибкая трубка 4 может быть выполнена из любого материала, ее длина определяется только удобством крепления мерной трубки.
Излучатель 5 может быть также выполнен в виде лазера - это исключит рассеивание света.
Фотоприемник 6 может быть выполнен в виде фотодиода или фототранзистора.
Устройство работает следующим образом.
Цементным раствором или монтажным клеем на обе стороны трещины или шва закрепляются перпендикулярно плоскости стены два металлических уголка (фиг.1). Между ними устанавливается колба с мерной трубкой и жидкостью. При начальной установке уровень жидкости в мерной трубке должен находиться посередине ее длины. Это обеспечивается введением прокладок между уголком и колбой, либо специальной прижимной пластиной, крепящейся на уголке регулировочным винтом. При смещении берегов трещины изменение положения закрепленных уголков приводит к деформации колбы, изменению высоты столба подкрашенной жидкости и, следовательно, к изменению его прозрачности. Прозрачность столба жидкости регистрируется фотоприемником. Чувствительность датчика определяется формой колбы и площадью уголков, поэтому тарировка датчика производится в комплекте с уголками.
В качестве колбы могут использоваться и камеры манометров деформационного типа - сильфоны, мембранные камеры. Эффект многократного увеличения чувствительности за счет различия диаметров камеры и мерной трубки сохраняется и для таких камер.
Температурное расширение жидкости является главным источником погрешности измерения - типичная ситуация практически для всех датчиков. Для исключения этого влияния одновременно с измерением деформации необходимо и измерение температуры. В качестве датчика температуры может быть использовано само заявляемое устройство, но без деформирующих колбу уголков.
Замечательной особенностью заявляемой полезной модели является возможность измерения деформаций как в любом из выбранных направлений, так и интегральную, не зависящую от направления движения трещины. Это достигается изменением формы используемых уголков (фиг.2). Для измерения перемещений только в одном направлении, контактная поверхность одного из уголков должна быть выполнена в виде пластины с гладкой поверхностью, обеспечивающей деформацию колбы в направлении, перпендикулярном к плоскости пластины и скольжение во всех остальных (фиг.2, а, б).
Заявляемая полезная модель обладает следующими достоинствами:
- датчик легко модифицируется под любую конфигурацию трещины;
- высокая чувствительность;
- возможные изменения эластичности колбы (на морозе) не сказываются на показаниях прибора, а лишь изменяют величину усилия сжатия;
- малое потребление энергии, особенно при работе в импульсном режиме;
- малая инерционность системы;
- простая компенсация температурных уходов.
Простота изготовления и дешевизна прибора позволяет рассчитывать на значительно более широкое применение, чем существующих аналогов.