Способ измерения давления внутри ледяного покрова
METHOD FOR MEASURING PRESSURE INSIDE ICE COVER

Способ измерения давления внутри ледяного покрова относится к ледоведению и ледотехнике и служит для определения осредненного по всей толщине льда давления в натурных условиях (in situ). Такие данные могут быть использованы при определении характеристик прочности льда, прогнозе его разрушения, для обеспечения безопасного пребывания людей и техники на льду и для прогноза воздействия льда на берег, дно и гидротехнические сооружения, а также при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений на шельфе замерзающих морей и для обеспечения ледового плавания.
Известно устройство для измерения давления во льду [1]. Такое устройство выполнено в виде упругого полого шара с тремя датчиками деформации, расположенными внутри шара.
К недостаткам устройства следует отнести тот факт, что с его помощью можно измерять давление только в слое льда, в который вморожен датчик. Для измерения давления по всей толщине льда необходимо применять гирлянду из таких датчиков и осреднять полученные данные на всю толщину ледяного покрова.
Известен, взятый за прототип, способ измерения давления во льду на всю его толщину цилиндрическим датчиком [2]. Способ применения датчика и его работа заключается в следующем. В ледяном покрове пробуривается скважина необходимого диаметра. В эту скважину вставляется и замораживается чувствительный элемент устройства в виде цилиндра. При этом измерительно-калибровочная часть устройства расположена под колпаком на поверхности льда. Проводят необходимую настройку прибора и подключают к регистрирующему устройству.
К недостаткам вышеуказанного способа следует отнести тот факт, что с его помощью невозможно измерить давление внутри ледяного покрова при регистрации длительно протекающих процессов. Связано это с тем, что рабочая жидкость, залитая в датчик, имеет коэффициент теплового расширения, отличный ото льда. Поэтому измерения давления во льду в течение длительного времени, когда накладываются деформации, вызванные изменениями температуры льда, могут привести к существенным погрешностям измерения давления в ледяном покрове.
Технический результат предлагаемого способа заключается в расширении функциональных возможностей мониторинга напряженно-деформированного состояния ледяного поля или припая и повышении точности измерений с целью прогнозирования разлома или торошения исследуемого ледяного поля в результате внешних воздействий.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе задействованы два идентичных цилиндрических датчика, один из которых замораживается в лед, а другой располагается свободно в скважине, пробуренной вблизи от вмороженного датчика. При этом для улучшения температурного контакта с вмещающим льдом промежуток между стенками скважины и датчиком заливается температуропроводящей жидкостью (например, керосином). Сигналы от вмороженного и свободного датчиков оцифровываются, оцифрованный сигнал со свободного датчика инвертируется и суммируется с сигналом от вмороженного датчика. Просуммированный сигнал поступает на регистратор. Таким образом убирается собственная температурная деформация цилиндрического датчика, вызванная изменениями температуры льда.
На фиг. 1 приведена схема измерения давления внутри ледяного покрова двумя цилиндрическими датчиками. В ледяном покрове в двух скважинах устанавливаются два идентичных цилиндрических датчика давления 1 и 2. Датчик 1 вмораживается, а датчик 2 вставляется свободно и пространство между корпусом датчика 2 и стенкой скважины заполняется незамерзающей температуропроводящей жидкостью 3. Сверху скважина закрывается теплоизолирующей крышкой 4, которая обеспечивает отсутствие влияния температуры воздуха на скважину. Проводят необходимую настройку датчиков. Сигналы в аналоговом формате по линиям 5 и 6 поступают на блок-преобразователь 7. В блоке-преобразователе 7 происходит оцифровка сигналов с датчиков 1 и 2. При этом сигнал со свободно расположенного в скважине датчика 2 инвертируется. Далее оба сигнала суммируются и по линии 8 просуммированный сигнал поступает на регистратор 9.
Реализация способа измерения давления внутри ледяного покрова двумя цилиндрическими датчиками давления осуществляется следующим образом. В ледяном покрове выбуриваются две скважины практически на всю его толщину. В одну из скважин замораживается цилиндрический датчик давления 1, а в другую скважину свободно вставляется идентичный первому цилиндрический датчик давления 2. При этом пространство между корпусом датчика 2 и стенкой скважины заполняется незамерзающей температуропроводящей жидкостью 3. Проводят настройку датчиков 1 и 2. Скважина с датчиком 2 изолируется от внешней среды теплоизолирующей крышкой 4. Сигналы в аналоговом формате с датчиков 1 и 2 по линиям 5 и 6 поступают на блок-преобразователь 7. В блоке-преобразователе аналоговые сигналы с датчиков 1 и 2 оцифровываются, оцифрованный сигнал с датчика 2 инвертируется, а затем сигналы с датчиков 1 и 2 суммируются. После этого просуммированный сигнал с блока-преобразователя 7 по линии 8 поступает на регистратор 9.
Способ был проверен в лабораторных условиях и показал работоспособность и возможность измерения осредненного давления во льду с компенсацией температурной погрешности при длительных измерениях.
Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа проявится при исследовании длительных естественных процессов в ледяном покрове, связанных с прогностическими признаками разрушения льда при взаимодействии ледяных образований во время дрейфа, воздействиях на донный грунт, берега и гидротехнические сооружения.
Использованные источники
1. Альтшулер Г.Г., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Датчик давления / Авт. свид. №561887. 1977.
2. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Ковалев С.М. Цилиндрический датчик для измерения давления в ледяных образованиях / Патент на полезную модель №148536, 10.11.2014.