Устройство для измерения вертикальных деформаций грунта

Полезная модель относится к области строительства и предназначена для измерения вертикальных деформаций грунта, в том числе при сезонном промерзании-оттаивании.
Известен прибор для наблюдения за промерзанием и оттаиванием грунтов, включающий вертикальный стержень, защемленный в грунте ниже глубины промерзания, диски, нанизанные на стержень, и механизм для измерения перемещения дисков (а.с. 125396 СССР, МКИ G01B 7/06, G01W 1/00, 1959). Прибор отличается сложностью конструкции из-за большого количества подвижных деталей и, как следствие, невысокой надежностью работы в грунтовом массиве при отрицательной температуре.
Известно устройство для измерения пучения грунта, включающее пластмассовую обсадную трубу и металлические пластины или кольца, внедренные в грунт на различной глубине с внешней стороны трубы (Голли А.В. Методика измерения напряжений и деформаций в грунтах: Конспект лекций, Л. 1977; Smith M.W., Paterson D.E. Detailed observation on the nature of frost heaving at a field scale. 1989). Положение пластин или колец определяется с помощью периодически опускаемого в скважину зонда, работающего по принципу металлоискателя. Недостатком устройства является влияние на результаты измерений смерзания грунта со стенками трубы, а также искажение температурного поля вокруг трубы, а значит, и глубины промерзания, за счет конвекции воздуха в ее внутренней полости.
Известно устройство, представленное в патенте РФ №2548749, предназначенное для измерения деформаций грунта при сезонном промерзании-оттаивании, включающее в себя вертикальный анкерный стержень с лопастью, погруженный в грунт заведомо ниже глубины сезонного промерзания, на котором жестко закреплен диск, служащий заглушкой для гофрированной пластмассовой обсадной трубы, внутри которой размещен шток, соединенный с вертикальным анкерным стержнем при помощи упругой связи, например пружины, на штоке закреплены датчики магнитного поля, служащие для определения положения магнитных марок, размещенных на внутренней или наружной поверхности обсадной трубы. Внутренняя полость обсадной трубы заполняется теплоизолирующим материалом, например гранулами пенополистирола, минеральной ватой и т.д. Работает устройство следующим образом: при сезонном промерзании пучинистый грунт увеличивается в объеме и вовлекает в движение гофрированную обсадную трубу. Гофры трубы растягиваются. Положение в пространстве марок, закрепленных на трубе, определяется датчиками магнитного поля. При оттаивании наблюдается обратный процесс осадки грунта, что влечет за собой сжатие гофр трубы и, соответственно, перемещение магнитных марок, которое измеряется датчиками. Предлагаемое устройство, благодаря применению гофрированной обсадной трубы и штока, имеющего упругую связь с анкером, растягивается при появлении вертикальных перемещений грунта при сезонном промерзании-оттаивании. Труба не препятствует движению грунта, тем самым не внося погрешности в данные наблюдений. За счет заполнения трубы теплоизоляционным материалом конвекция воздуха внутри нее исключается, и температурное поле вокруг устройства не искажается. Недостатком устройства является дискретность размещения магнитных марок, ограничивающих пространственное разрешение измерений деформации. Чувствительность измерений перемещения магнитных марок ограничена применяемыми датчиками, требующие питания, что ограничивает ресурс их непрерывной работы. В настоящее время появились новые типы экстензометров, (http://elektronchic.ru/avtomatika/chto-takoe-ekstenzometr.html) среди которых наибольшую популярность приобрели волоконно-оптические, имеющие ряд преимуществ по сравнению с отмеченными выше. Достоинствами пассивных, не требующих электропитания, волоконно-оптических датчиков являются нечувствительность к электромагнитному излучению, высокая точность, большой срок службы. Известны волоконно-оптические сенсоры для высокоточного измерения деформационных процессов, а также для измерения распределения температуры, и других физических величин (http://промкаталог.рф/PublicDocuments/1209375.pdf). Уникальная DTG - технология (Draw Tower Gratings) изготовления брэгговских датчиков позволяет нанести чувствительные элементы датчика (формирование брэгговской решетки) в процессе протяжки волокна в вытяжной башне, исключая стандартные фазы зачистки и повторного покрытия.
Каждая ячейка брэгговской решетки отражает назад малую часть излучения, пропускаемого через волокно. Для длины волны, в 2 раза большей, чем период решетки, отраженные лучи складываются в фазе. В результате получается отраженный световой сигнал с узкой спектральной полосой. Отражаемая решеткой длина волны называется брэгговской. Брэгговская длина волны зависит от температуры и натяжения волокна. При нагружении волокна (температура, давление и т.д.) показатель преломления и расстояние между ячейками решетки изменяются и от нее отражаются волны другой длины. По изменению отраженной длины волны определяется величина нагружения (температура, давление, деформация). Однако подобные системы сложны, дороги в изготовлении, требуют применения более сложной вторичной аппаратуры. К недостаткам этих систем можно отнести и ограниченное количество встроенных брэгговской отражателей (всего до нескольких десятков).
Известны волоконно-оптические распределенные сенсоры, предназначенные для мониторинга различных объектов, работа которых основана на регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, например, волоконно-оптические датчики измерения распределения температуры, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (далее КР или эффект Рамана), в которых амплитуда рассеянного сигнала зависит от температуры (URL: http://temperatures.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury, дата обращения 13.08.2014; URL: http://www.thermal-rating.com/Menu/About+LIOS+Technology+Russian, дата обращения 13.08.2014; URL: http://www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/, дата обращения 13.08.2014; патент на полезную модель РФ №65223, опубликован 27.07.2007). Известен волоконно-оптической сенсор распределения температуры на основе эффекта комбинационного рассеяния, описанный в статье Environmental temperature sensing using Raman spectra DTS fiber-optic methods», опубликованный в журнале «WATER RESOURCES RESEARCH», том 45, выпуск 4, апрель 2009 г.
Эффект КР обусловлен присутствием в среде термических молекулярных колебаний. Соответственно, отраженный (Рамановский) сигнал содержит информацию о температуре в точке рассеяния. Поскольку мощность Рамановского излучения очень мала, в качестве чувствительного элемента используются многомодовые волокна с большой апертурой. Такие волокна обладают высоким коэффициентом затухания, и длина сенсора, таким образом, ограничена величиной 10 км. Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне возникает в результате взаимодействия излучения с акустическими волнами (звуковыми волнами) гигагерцового диапазона. Этот эффект можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния.
Таким образом, в датчиках на основе РМБ (рассеяние Мандельштама-Бриллюэна) измеряется частота, в отличие от датчиков на основе комбинационного рассеяния Рамана, где измеряется интенсивность отраженного сигнала. Частотные измерения можно осуществить с более высокой точностью, в то время как интенсивность рассеянного излучения подвержена случайным флуктуациям. Поэтому сенсоры, использующие эффект РМБ, обладают большей точностью и лучшей стабильностью во времени.
Эффект РМБ может значительно усиливаться, если в волокно наряду с основным сигналом (сигналом накачки) ввести так называемый пробный сигнал. При выполнении условия резонанса, когда разность частот излучения накачки и пробного сигнала в точности равна Бриллюэновскому сдвигу частоты, мощность рассеянного излучения существенно усиливается (эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна ВРМБ). За счет увеличения мощности рассеянного сигнала улучшается отношение сигнал-шум в выходных данных. Это, в свою очередь, значительно снижает время измерения и повышает точность измерения в точке рассеяния. Определение места, в котором измеряется частотный сдвиг, происходит на основе технологии, схожей с применяемой в радарных установках (рефлектометрия). В оптическое волокно запускаются лазерные импульсы, и характеристики рассеянного излучения записываются как функции времени. При известном значении скорости света можно определить параметры рассеяния в зависимости от расстояния. Пространственное разрешение таких измерений определяется длительностью оптического импульса (например, импульсы длительностью 10 не задают точность измерения расстояния, примерно равную 1 м).
В Бриллюэновских сенсорах используются только одномодовые волокна, что позволяет охватывать измерениями длины до 50 километров и более. Именно возможность использования стандартного, более дешевого, одномодового оптического волокна, широко используемого в сетях оптической связи, делает указанные системы более предпочтительными по сравнению с системами на основе брэгговских решеток.
Частотный сдвиг Мандельштама-Бриллюэна для стандартных одномодовых волокон составляет примерно 500 МГц на один процент удлинения волокна (иные виды деформации могут быть представлены через удлинение) и примерно 1 МГц/град. Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: http://nepa-ru.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, дата обращения 13.08.2014; URL: http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/, дата обращения 13.08.2014). Сенсоры деформации (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, должны содержать оптические волокна в плотном механическом контакте с наружными оболочками сенсора и объектом мониторинга. Конструкция сенсора деформации должна исключать взаимное скольжение ее элементов в диапазоне допустимых деформаций. Известен «Волоконно-оптический сенсор», предназначенный для систем мониторинга на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, представленный в патенте на полезную модель РФ №125705, опубликованном 10.03.2013. Известно техническое решение, представленное в патенте на полезную модель РФ №152285 «Волоконно-оптический сенсор растяжения», опубликованном 21.04.2015. Сенсор содержит оптическое волокно, жестко, без проскальзывания, связанное с плотным полимерным покрытием, отличающийся тем, что плотное полимерное покрытие армировано жестко связанными с ним арамидными нитями, расположенными параллельно оси оптического волокна. Плотное полимерное покрытие может быть выполнено из светоотверждаемой композиции, и иметь круглое сечение, армированное тремя нитями, расположенными в поперечном сечении на одинаковом расстоянии от оси оптического волокна в вершинах равностороннего треугольника. Представленное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому решению, из числа известных по совокупности признаков. Вариации по длине сенсора сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна мы интерпретируем как распределение в каждой точке локальных растяжений (сжатий) сенсора.
Несмотря на очевидные преимущества волоконно-оптических сенсоров, как на основе встроенных в оптическое волокно брэгговских отражателей, так и на основе рассеяния Мандельштама-Бриллюэна возникает проблема раздельного определения влияния на частотный сдвиг изменения температура и деформации в заданной точке. Следовательно, сенсоры температуры и деформации должны быть сконструированы по-разному, как это реализовано, например, в известном техническом решении, представленном в патенте на полезную модель РФ №124033, опубликованном 10.01.2013 по заявке №2012128337 «Сталеалюминиевый фазный провод воздушной линии электропередачи со встроенными волоконно-оптическими сенсорами распределения температуры и деформации».
Конструкция сенсора распределения температуры должна исключать деформацию (растяжение) оптического волокна, как в заданном диапазоне допустимых механических воздействий, так и в заданном диапазоне изменения внешней температуры. Для сохранения передаточных характеристик в волоконно-оптических сенсорах распределения температуры, в условиях внешних механических воздействий, часто используются методы, отработанные в практике применения оптических кабелей связи. Оптическое волокно свободно, с избыточной длиной, укладывается внутри оптического модуля в виде полимерной трубки, а оптические модули скручиваются вокруг центрального элемента. Величина заложенной в конструкции избыточной длины оптического волокна определяет ресурс допустимого воздействия (растяжения, изгиба, кручения). Удлинение оптического кабеля в пределах величины избыточной длины оптического волокна не приводит к удлинению (растяжению) последнего.
Итак, оптические волокна, размещенные вдоль сенсора, параллельно его оси, определяют суммарное влияние растяжения и температуры. Оптические волокна, размещенные с максимальной избыточной длиной, например, намотанные на продольный цилиндрический элемент (сердечник), и не подверженные растяжению, позволяют определять только распределение температуры. Оптические волокна, размещенные вдоль сенсора в виде намотки на цилиндрический сердечник с постоянным шагом, также позволяют измерять распределение температуры и величины проекции растяжения на ось сенсора.
Поставленная задача разработки пассивного, не требующего питания, более простого устройства для непрерывной регистрации распределения вертикальных деформаций грунта и повышения его информативности достигается тем, что устройство для измерения вертикальных деформаций грунта, в том числе, при сезонном промерзании-оттаивании, содержит гофрированную обсадную трубу, чувствительное к растяжению оптическое волокно, отличающееся тем, что устройство содержит дополнительно растяжимый упругий элемент круглого сечения, размещенный внутри гофрированной обсадной трубы, элементы механической связи упругого элемента с обсадной трубой в виде распорных фиксаторов, размещенных равномерно по длине упругого элемента, на поверхность которого спирально намотано и механически зафиксировано оптическое волокно со строго повторяющейся структурой намотки, состоящей из нескольких витков с заданным шагом намотки, чередующихся с несколькими витками с минимальным шагом намотки, причем минимальный шаг намотки размещен в месте расположения распорных фиксаторов, а намотка с заданным шагом размещена между распорными фиксаторами. Длина намотанного на каждом участке оптического волокна должна превышать величину пространственного разрешения измерений.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, (фиг. 1), на котором изображено продольное сечение устройства, содержащего оптическое волокно 1, растяжимый упругий элемент круглого сечения 2, гофрированную обсадную трубу 3, элементы механической связи упругого элемента с обсадной трубой 4.
Для измерения распределения по длине волокна частотного сдвига вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) могут использоваться приборы, которые в настоящее время производятся и являются коммерчески доступными. В качестве примера такого устройства можно привести Бриллюэновский анализатор Ditest STA-R производства Omnisens SA, Швейцария (URL: http://omnisens.ch/ditest/3521-ditest-sta-r.php, дата обращения 05.08.2013). Прибор позволяет отслеживать смещение участков грунта в непрерывном режиме в течение длительного времени. Кроме того, один вторичный прибор может одновременно обслуживать несколько указанных устройств.
Полезная модель так же иллюстрируется рисунком (фиг. 2), на котором приведена рефлектограмма анализатора Ditest STA-R, в качестве примера распределения частотного сдвига ВРМБ (в МГц) по длине оптического волокна (ОВ), используемого в предлагаемом устройстве. Участки рефлектограммы, отнесенные к намотке с постоянным шагом указывают на величину частоты смещения (в МГц), как вследствие их растяжения, так и вследствие влияния температуры. Участки рефлектограммы, отнесенные к плотной намотке, с минимальным шагом, указывают на величину смещения Бриллюэновской частоты только вследствие влияния температуры. При расстоянии между опорными фиксаторами в 100 мм и диаметре упругого элемента в 100 мм достаточно нескольких витков намотки, чтобы зафиксировать на рефлектограмме несколько точек натяжения оптического волокна с учетом величины пространственного разрешения приборы и приемлемого времени накопления.
На основании результатов, представленных на фиг. 2, может быть определено распределение смещения распорных фиксаторов по длине упругого элемента, а также распределения температуры по длине упругого элемента. Кроме того, на этапе калибровки сенсора может быть учтен эффекта Пуассона упругого элемента.
Далее приводятся сведения, подтверждающие промышленную применимость полезной модели. Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления сенсора на существующем, традиционно используемом, кабельном оборудовании, с применением промышленно выпускаемых оптических волокон и промышленно выпускаемых и коммерчески доступных материалов.
Основная технологическая сложность изготовления устройства связана с намоткой оптического волокна на цилиндрическую поверхность упругого элемента, что связано с недостаточной упругостью оптического волокна. Так растяжение волокна на 1% возникает под действием усилия растяжения 8,9 Н. Такое натяжение не обеспечивает возможности нормального функционирования традиционного кабельного оборудования для намотки. Технологически выгодно применение оптического волокна в плотном светоотверждаемом полимерном покрытии, армированном арамидными нитями (патент РФ на полезную модель №152285 от 21.04.2015 г.), что в несколько раз увеличивает допустимое натяжение. При этом в области расположения опорных фиксаторов оптическое волокно в плотном армированном покрытии наматывается в виде сплошного повива (виток к витку). Механическая фиксация намотки может быть осуществлена любым доступным способом, включая нанесение поверх намотки плотной полимерной оболочки, в которой, в свою очередь, крепятся опорные фиксаторы. Оболочка может быть изготовлена из полиэтилена (см., например, http://www.borealisgroup.com/datasheets/10023736).