СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
FORCE-MEASURING DEVICE

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при стопорении резьбовых соединений (болтов, шпилек), а также для измерения усилий и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийной ситуации на строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение.
Известные силоизмерительные устройства (авторские свидетельства СССР №№627.557, 720.215, 860.281, 1.062.512, 1.159.153, 1.164.562, 1.193.454, 1.261.692, 1.415.048, 1.456.765, 1.481.589, 1.649.314, 1.682.264; патенты РФ №№2.008.534, 2.014.579, 2.036.446, 2.082.121, 2.119.648, 2.123.672, 2.130.593, 2.247.954; патенты США №№2.866.059, 3.216.475, 3.827.514, 4.107.985; патент ФРГ №2.900.614; патенты ЕР №№0.401.133, 0.927.869 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для фиксации резьбового стержня» (патент РФ №2.008.534, F16B 39/10, 1991), которое и выбрано в качестве базового объекта.
Указанное устройство содержит гайку 1, резьбовой стержень 2, охватывающий его стопорный элемент в виде шайбы 3 из эластичного материала, плоскую шайбу 4 и шайбу 5 с буртом, выполненным со стороны гайки. При этом отверстие в шайбе 5 выполнено фигурным с кольцевым срезом 8 в сторону соединяемой детали 6.
Известное устройство обеспечивает повышение надежности стопорения за счет деформации элемента 3 и схватывания шайб 4 и 5 с разных сторон. Применение фигурного отверстия 7 с наклонными стенками 8 обеспечивает возможность центрирования стержня 2 и повышение надежности его фиксации.
Однако известное устройство не позволяет измерять усилия и температуру в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийных ситуаций в строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем измерения усилий и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийных ситуаций в строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение.
Поставленная задача решается тем, что силоизмерительное устройство, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой подкладную шайбу, а также стопорный элемент из эластичного материала и шайбу с буртом, размещенную на стержне со стороны соединяемой детали и обращенную буртом в сторону гайки, при этом стопорный элемент выполнен в виде шайбы и расположен между шайбами с охватом резьбового стержня, подкладная шайба выполнена плоской диаметром, меньшим диаметра стопорного элемента, а наружный диаметр подкладной шайбы больше максимального торцевого размера гайки отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено плоской силоизмерительной шайбой диаметром, равным диаметру подкладной шайбы, с двумя резонаторами на поверхностных акустических волнах и считывателем, причем силоизмерительная шайба выполнена из нержавеющей стали и размещена между подкладной шайбой и стопорным элементом из эластичного материала, в шпоночной выточке силоизмерительной шайбы установлены два резонатора на поверхностных акустических волнах, первый из которых чувствительный к сжатию силоизмерительной шайбы посредством жесткого соединительного слоя, а второй - чувствительный к температуре окружающей среды посредством мягкого эластичного клея, резонаторы на поверхностных акустических волнах через сквозные отверстия высокочастотными кабелями связаны соответственно с приемопередающими антеннами, каждый резонатор на поверхностных акустических волнах выполнен на пьезокристалле с нанесенными на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь состоит из двух гребенчатых систем электродов, нанесенных на поверхность пьезокристалла, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, которые в свою очередь соединены высокочастотным кабелем с приемопередающей антенной, во втором резонаторе на поверхностных акустических волнах между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей размещена мембрана, считыватель выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первого усилителя высокой частоты, первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя высокой частоты, второго узкополосного фильтра, первого фазометра, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и блока регистрации, второй вход которого соединен с выходом первого фазового детектора, последовательно подключенных к выходу дуплексера второго усилителя высокой частоты, второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, третьего узкополосного фильтра и второго фазометра, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, четвертый вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, последовательно подключенных к выходу задающего генератора первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра и второго усилителя мощности, выход которого соединен с вторым входом дуплексера.
На фиг.1 изображено устройство для фиксации резьбового стержня до затяжки соединения, продольный разрез. На фиг.2 - то же, после затяжки соединения. На фиг.3 - шайба с буртом, вид со стороны бурта. На фиг.4 изображена силоизмерительная шайба, продольный разрез. На фиг.5 изображены функциональные схемы двух резонаторов на поверхностных акустических волнах. На фиг.6 представлена структурная схема считывателя. На фиг.7 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы силоизмерительного устройства.
Устройство для фиксации резьбового стержня содержит гайку 1, резьбовой стержень 2, охватывающий его стопорный элемент в виде шайбы 3 из эластичного материала, плоскую шайбу 4, шайбу с буртом 5 и силоизмерительную шайбу 9. При этом плоская шайба 4 и силоизмерительная шайба 9 установлены между гайкой 1 и стопорным элементом 3, шайба с буртом 5 - между стопорным элементом 3 и соединяемой деталью 6, а диаметр плоской шайбы 4 равен диаметру силоизмерительной шайбы 9 и меньше диаметра стопорного элемента 3.
В вариантах устройства для фиксации резьбового стержня высота бурта 5 больше толщины стопорного элемента 3 или больше толщины стопорного элемента 3, плоской шайбы 4 и силоизмерительной шайбы 9. Наружный диаметр шайбы 4 и 9 больше наружного диаметра гайки 1. Диаметр отверстия шайбы с буртом 5 больше диаметра отверстия стопорного элемента 3. Отверстие шайбы с буртом 5 выполнено коническим в сторону соединяемой детали 6. Отверстие в шайбе с буртом 5 выполнено фигурным, например, в виде лепестков 7, секторов, сегментов. В фигурном отверстии шайбы с буртом 5 боковые стенки 8 выполнены наклонными в сторону соединяемой детали 6.
Каждый резонатор 20(21) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) выполнен в виде пьезокристалла 24(25) с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ) и набором отражателей 32(33). ВПШ состоит из двух гребенчатых систем электродов 26(27), нанесенных на поверхность пьезокристалла 24(25). Электроды 26(27) каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 28(29) и 30(31), которые в свою очередь связаны высокочастотным кабелем 16(17) с приемопередающей антенной 10(11). Во втором резонаторе 21 между ВПШ и набором отражателей 33 установлена мембрана 34.
Силоизмерительная шайба 9 содержит приемопередающие антенны 10 и 11, разъемы 12 и 13, сквозные отверстия 14 и 15 для высокочастотного кабеля 16 и 17, шпоночную выточку 18, резонаторы 20 и 21 на ПАВ, изолирующий защитный материал 19 (силикон, компаунд и т.д.), соединительный слой 22 (клей, припой), мягкий эластичный клей 23 с хорошей термопередачей.
Считыватель содержит последовательно включенные задающий генератор 35, первый усилитель 36 мощности, дуплексер 37, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 38, первый усилитель 42 высокой частоты, первый фазовый детектор 44, второй выход которого соединен с выходом задающего генератора 35, второй перемножитель 46, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 42 высокой частоты, второй узкополосый фильтр 48, первый фазометр 50, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 35, и блок 52 регистрации, второй вход которого соединен с выходом первого фазового детектора 44, последовательно подключенные к выходу дуплексера 37 второй усилитель 43 высокой частоты, второй фазовый детектор 45, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра 40, третий перемножитель 47, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 43 высокой частоты, третий узкополосый фильтр 49 и второй фазометр 51, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра 40, а выход подключен к третьему входу блока 52 регистрации, четвертый вход которого соединен с выходом второго фазового детектора 45, последовательно подключенные к выходу задающего генератора 35 первый перемножитель 39, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 35, первый узкополосый фильтр 40 и второй усилитель 41 мощности, выход которого соединен с вторым входом дуплексера 37.
Силоизмерительное устройство работает следующим образом
Ввинчивают резьбовой стержень 2 в отверстие соединяемой детали 6. На резьбовой стержень 2 последовательно устанавливают шайбу с буртом 5, стопорный элемент 3, силоизмерительную шайбу 9, подкладную шайбу 4 и гайку 1. Затем затягивают гайку 1, при этом стопорный элемент 3, деформируясь, фиксирует резьбовой стержень 2 от самопроизвольного отвинчивания.
Силу затягивания гайки 1 контролируют с помощью частот резонатора 20 на ПАВ, чувствительного к сжатию силоизмерительной шайбы 9 и установленного в шпоночной выточке 18 посредством жесткого соединительного слоя 22. В шпоночной выточке 18 устанавливается на мягкий эластичный клей 23 второй резонатор 21 на ПАВ, который не реагирует на деформацию сжатия шайбы 9, но чувствует температуру окружающей среды.
1
2
2
1
Частота резонаторов 20 и 21 на ПАВ определяется расстоянием между электродами 26 и 27. Резонансная частота первого резонатора 20 на ПАВ выбирается равной w, а второго резонатора 21 на ПАВ - равной w, w=2w.
1
1
При сжатии силоизмерительной шайбы 9 резонатор 20 на ПАВ изменяет свою резонансную частоту за счет деформации пьезокристалла 24 и изменения расстояния между электродами 26. В сводном (ненапряженном состоянии) резонатор 20 на ПАВ имеет резонансную частоту w. При штатном затягивании силоизмерительной шайбы 9 резонансная частота незначительно увеличивается на Δw.
1
1
2
1
Если происходит самопроизвольное откручивание гайки 1, то резонансная частота резонатора 20 на ПАВ начинает возвращаться к своей исходной частоте w, а если возникает слишком большое давление, которое ведет к увеличению силы сжатия силоизмерительной шайбы 9, то частота резонатора 20 на ПАВ увеличивается до значения w+Δw. Так как между частотой и фазой существует интегрально-дифференциальная связь, то любые изменения частоты приводят к изменению фазы. Поэтому целесообразно использовать фазовые набеги, связанные с изменением силы сжатия силоизмерительной шайбы 9. Любые изменения фазовых сдвигов Δφ могут быть зафиксированы дистанционно с помощью считывателя.
Во втором резонаторе 21 на ПАВ изменение температуры окружающей среды воздействует на мембрану 34, вызывая ее деформацию. Скорость ПАВ в области мембране 34 изменяется и фаза отраженной от решетки 33 акустической волны также изменится в соответствии с деформацией мембраны 34. Изменение фазы соответствует изменению температуры окружающей среды, которое также можно дистанционно зафиксировать с помощью считывателя.
При включении считывателя задающим генератором 35 формируется высокочастотное колебание (фиг.7, а)
1
1
1
1
1
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
1
1
1
1
где U, w, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,
которое после усиления в усилителе 36 мощности через дуплексер 37 поступает в приемопередающую антенну 38 и излучается ею в эфир.
1
Высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 35 одновременно поступает на два входа перемножителя 39, на выходе которого образуется высокочастотное колебание (фиг.7, б)
2
2
2
2
1
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
2
1
2
где U=1/2U ;
2
1
2
1
w=2w; φ=2φ;
которое выделяется узкополосным фильтром 40 и после усиления в усилителе 41 мощности через дуплексер 37 поступает в приемопередающую антенну 38 и излучается в эфир.
1
2
1
2
1
2
Гармонические колебания u(t) и u(t) улавливаются приемопередающими антеннами 10 и 11 и через высокочастотные колебания 16 и 17 поступают на входы резонаторов 20 и 21 на ПАВ, первый из которых настроен на частоту w, a второй на частоту w. С помощью ВПШ электрические сигналы u(t) и u(1) преобразуются в акустические волны, которые распространяются по поверхности пьезокристаллов 24 и 25 соответственно, отражаются отражателями 32 и 33. Затем отраженные акустические волны претерпевают обратное преобразование в электрические сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.7, г, д):
3
3
1
к
1
1
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ+Δφ],
4
4
2
к
2
2
2
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ+Δφ], 0≤t≤Т,
к
к
э
э
э
где φ(t) - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.7, в), причем φ(t)=const при Кτ<t<(к+1)τ и может изменяться скачками при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N);
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен
1
1
э
ФМн - сигнал длительностью T (T=τ·N);
1
Δφ - фазовый сдвиг, обусловленный величиной силы сжатия силоизмерительной шайбы 9;
2
Δφ - фазовый сдвиг, обусловленный величиной изменения температуры окружающей среды.
Модулирующий код M(t) (фиг.7, в) определяется внутренней структурой ВШП, носит индивидуальный характер и является идентификационным номером силоизмерительной шайбы 9, отображающим ее порядковый номер и место установки в строительном сооружении, имеющим важное стратегическое значение.
3
4
Сложные ФМн-сигналы u(1) и u(t) излучаются приемопередающими антеннами 10 и 11 в эфир, улавливаются приемопередающей антенной 38 считывателя и через дуплексер 37 и усилители 42 и 43 высокой частоты поступают соответственно на первые входы фазовых детекторов 44 и 45.
н1
1
н1
1
н2
2
н2
2
Частота настройки w усилителя 42 высокой частоты выбирается равной частоте w (w=w), а частота настройки w усилителя 43 высокой частоты выбирается равной w (w=w).
1
2
На вторые (опорные) входы фазовых детекторов 44 и 45 подаются гармонические колебания u(t) и u(t) с выходов задающего генератора 35 и узкополосного фильтра 40 соответственно. В результате синхронного детектирования на выходе фазовых детекторов образуются низкочастотные напряжения (фиг.7, е)
н1
н1
к
u(t)=U·Cosφ(t),
н2
н2
к
u(t)=U·Cosφ(1),
н1
3
1
где U=1/2U·U;
н2
4
2
U=1/2U·U;
пропорционально модулирующему коду M(t) (фиг.7, в).
н1
н2
3
4
Низкочастотные напряжения u(t) и u(t) фиксируются блоком 52 регистрации и одновременно поступают на первые входы перемножителей 46 и 47 соответственно. На вторые входы перемножителей поступают сложные ФМн-сигналы u(t) и u(t) с выходов усилителей 42 и 43 высокой частоты соответственно. На выходах перемножителей 46 и 47 образуются следующие гармонические колебания:
5
5
1
1
1
u(t)=U·Cos(wt+φ+Δφ),
6
6
2
2
2
1
u(t)=U·Cos(wt+φ+Δφ), 0≤t≤T,
5
3
н1
где U=1/2U·U;
6
4
н2
U=1/2U·U;
1
2
1
2
1
2
которые выделяются узкополосными фильтрами 48 и 49 и поступают на первые входы фазометров 50 и 51 соответственно, на вторые входы которых подаются гармонические колебания u(t) и u(t) с выходов задающего генератора 35 и узкополосного фильтра 40. Фазометры 50 и 51 измеряют фазовые сдвиги Δφ и Δφ, пропорциональные превышению силы сжатия и температуры силоизмерительной шайбы. Измеренные фазовые сдвиги Δφ и Δφ фиксируются блоком 52 регистрации.
Разборку резьбового соединения производят в обратном порядке.
Положительный эффект предложения состоит в том, что повышается надежность стопорения за счет деформации элемента 3 и схватывания шайб 4 и 5 с разных сторон. Применение фигурного отверстия 7 с наклонными стенками 8 обеспечивает возможность центрирования стержня 2 и повышение надежности его фиксации.
Устройство обеспечивает расширение его эксплуатационных возможностей, оно может быть использовано не только для болтов, но и для шпилек.
Таким образом, предлагаемое силоизмерительное устройство по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают дистанционное измерение усилия и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийных ситуаций в строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение. Это достигается использованием силоизмерительной шайбы, снабженной двумя резонаторами на ПАВ, чувствительными к изменению усилий и температуры, а также считывателем.
Тем самым, функциональные возможности устройства для фиксации резьбового стержня расширены.