Устройство для мониторинга напряжённо-деформированного состояния металлоконструкций
DEVICE FOR MONITORING STRESS-STRAIN STATE OF METAL STRCUTURES

Предлагаемое изобретение относится к неразрушающему контролю механических напряжений в ферромагнитных материалах и может применяться для организации активного мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций различных строительных и экологически опасных объектов, таких как атомные энергетические объекты и нефтеналивные резервуары, а также для создания интеллектуально-разумных строительных объектов с управляемой эксплуатационной надежностью.
Известно устройство определения дефектов в ферромагнитном материале по остаточной намагниченности, авторов Мужицкий В. Ф., Запускалов В. Г. и др., по патенту на полезную модель РФ №63062, МПК G01L 1/12, содержащее П-образный магнит с обмоткой индуктивности, уложенной между полюсами магнита, и индикатора остаточной намагниченности, генератор переменной частоты, схему обработки информации и регистратор [1].
Недостатком данного устройства является зависимость точности измерений от начальных параметров намагниченности исследуемого образца.
Известен магнитоупругий датчик, авторов Орехов Г. Т., Найденко В. Д., по патенту на изобретение СССР №881544, МПК G01L 1/12, содержащий корпус, измерительные обмотки и обмотку возбуждения со стержнями, соединенными по диагоналям прямоугольника перемычками, выполненными в виде дугообразных элементов, концы которых связаны со стержнями [2].
Недостатком данного устройства является его низкая точность, связанная с невозможностью обеспечения постоянства площади и надежности магнитного контакта между рабочими стержнями и гибкими диагональными элементами, вследствие использования магнитопровода из отдельных элементов.
Прототипом предлагаемого изобретения является магнитоупругий датчик, авторов Землянский А. А., Землянский К. А., по патенту на изобретение РФ №2295118, МПК G01L 1/12, G01B 7/24, содержащий корпус, измерительные обмотки и обмотку возбуждения с магнитопроводами, сердечники которых выполнены из отдельных листовых П-образных элементов, изготовленных из высококачественного вакуумного трансформаторного железа со строго квадратным поперечным сечением [3].
Недостатком выбранного прототипа является применение диодного моста Уитстона с большим падением напряжения, что приводит к снижению чувствительности и уменьшению диапазона измерений. Кроме того, показания датчика сводятся к измерению разности напряжения на двух измерительных катушках, что не позволяет зафиксировать направление механических напряжений. Несимметричная компоновка магнитопроводов приводит к искажению результатов измерения вследствие взаимного влияния измерительных катушек.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и создание высокоточного устройства мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций, позволяющего выполнять независимые друг от друга измерения механических напряжений в двух взаимно перпендикулярных направлениях в условиях двухосного напряженного состояния.
Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:
- повышение точности за счет использования двухканальной системы измерения, содержащей аналого-цифровой преобразователь напряжения;
- повышение точности за счет совмещения обмоток возбуждения для исключения влияния разности при намотке и сдвига по частоте;
- повышение точности и чувствительности измерений за счет введения в состав устройства для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций измерительного блока, выполненного в виде последовательно соединенных выпрямителей с низким падением напряжения на операционных усилителях, аналого-цифрового преобразователя, процессора, блока передачи данных по беспроводному интерфейсу;
- возможность фиксации быстрых переходных процессов за счет введения в состав устройства для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций генератора переменного тока высокой частоты питающего возбуждающего обмотку напряжением с частотой 400 Гц.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций, содержащем магнитный датчик, состоящий из двух измерительных обмоток, магнитопроводов с квадратным поперечным сечением, расположенных взаимно перпендикулярно, возбуждающей обмотки датчика, размещенной на двух совмещенных полюсах сердечников магнитопроводов, и измерительный блок, введен генератор переменного тока высокой частоты, подключенный к обмотке возбуждения, совмещенные полюса сердечников магнитопроводов которой размещены симметрично, а измерительный блок выполнен в виде последовательно соединенных выпрямителей с низким падением напряжения на операционных усилителях, аналого-цифрового преобразователя, процессора, блока передачи данных по беспроводному интерфейсу, и подключен к измерительным обмоткам.
На фиг. 1 - общий вид устройства для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 1 изображено устройство для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций, содержащее, обмотку возбуждения 1, две симметрично и перпендикулярно расположенные относительно оси «О» измерительные обмотки 2, 3. Возбуждающая и измерительные обмотки соединены между собой магнитопроводами 4, 5 с квадратным поперечным сечением, выполненными из отдельных листовых П-образных элементов, изготовленных из высококачественного вакуумного трансформаторного железа. Полюса магнитопроводов 6, 7, 8, 9 расположены симметрично относительно оси «О», при этом полюса 7, 8 обмотки возбуждения совмещены. Кроме того, устройство содержит генератор переменного тока высокой частоты 10, выпрямители с низким падением напряжения на операционных усилителях 11, аналого-цифровой преобразователь 12, процессор 13, блок передачи данных по беспроводному интерфейсу 14, опору с винтовой регулировкой высоты 15. Выпрямители с низким падением напряжения на операционных усилителях 11, аналого-цифровой преобразователь 12, процессор 13, блок передачи данных по беспроводному интерфейсу 14 подключены последовательно и образуют измерительный блок.
Устройство для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций работает следующим образом.
После включения датчика генератор переменного тока высокой частоты 10, управляемый центральным процессором 13, подает сигнал заданной частоты на возбуждающую обмотку 1. Для исключения процессов намагничивания измеряемой поверхности подается сигнал симметричной относительно нулевой линии формы. Датчик устанавливается на ровный участок поверхности исследуемого образца металлоконструкции, при этом магнитные линии, проходящие через П-образные магнитопроводы 4, 5, замыкаются через участок поверхности исследуемого образца металлоконструкции, благодаря чему в измерительных обмотках 2, 3 наводится ЭДС, величина которой зависит от магнитной проницаемости образца, которая, согласно эффекту Форстера, зависит от направления и интенсивности действующих в образце механических напряжений.
Для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение электрические сигналы, полученные с измерительных обмоток 2, 3, поступают на выпрямители с низким падением напряжения, выполненные с применением малошумящих операционных усилителей 11. Выпрямленный сигнал в аналого-цифровом преобразователе 12 преобразуется в цифровой сигнал, после чего поступает в центральный процессор 13, где после обработки передается через блок передачи данных по беспроводному интерфейсу 14 на устройство вывода данных.
До начала контроля механических напряжений для определения коэффициента перевода приходящего электрического сигнала в величину механического напряжения проводится калибровка датчика в соответствии с материалом и формой исследуемого образца.
Предлагаемое устройство для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций позволяет выполнять независимые друг от друга измерения в двух взаимно перпендикулярных направлениях в условиях двухосного напряженного состояния, что позволяет определять направление и величину как статических, так и динамических нагрузок, благодаря чему появляется возможность мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, мостов, зданий, оборудования и т.д.
Таким образом, использование устройства для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций позволяет повысить точность измерений за счет использования двухканальной системы измерения, совмещения обмоток возбуждения для исключения влияния разности при намотке и сдвига по частоте, симметричного расположения полюсов магнитопровода относительно оси «О». Кроме того, устройство для мониторинга напряженно-деформированного состояния металлоконструкций позволяет исключить постоянное намагничивание образца за счет питания обмотки возбуждения переменным током высокой частоты.
Источники информации
1. Патент № 63062 РФ, МПК G01L 1/12. Устройство определения дефектов в ферромагнитном материале по остаточной намагниченности. Мужицкий В. Ф., Запускалов В. Г., Загидулин Р. В., Загидулин Т. Р.- №2006145552/22; заявл. 22.12.2006; опубл. 10.05.2007 (аналог).
2. Патент № 881544 СССР, МПК G01L 1/12. Магнитоупругий датчик. Орехов Г. Т., Найденко В. Д. - №2898382; заявл. 24.03.1980; опубл. 15.11.1981 (аналог).
3. Патент № 2295118 РФ, МПК G01L 1/12, G01B 7/24. Магнитоупругий датчик. Землянский А. А., Землянский К. А. - 2005140216/28; заявл. 22.12.2005; опубл. 10.03.2007 (прототип).
4. Гуманюк М. Н. Магнитоупругие датчики в автоматике, К., 1972 г.