Устройство для определения крена сооружения

Полезная модель относится к устройствам неразрушающего контроля и может быть использована для измерения угла крена элемента здания или сооружения.
Известен пьезоэлектрический преобразователь в пьезоэлектрических динамометрах, не требующих наличия упругих элементов в конструкции устройств, см. Учебник для профессионального образования, С.А. Зайцев и др., М., Издательский центр «Академия», ПрофОбрИздат, 2002 г., стр. 140-141. Пьезоэлектрический преобразователь включает в себя кварцевые пластины с металлизированными обкладками, зажатый по периметру между обоймами и резонатор. При приложении усилия вдоль блока изменяется толщина пластины, что приводит к ее резонансной частоте.
Для измерения знакопеременных сил применяют предварительное напряжение пьезопластин до величин, составляющих 50% от измеряемого номинального усилия. Измеряемое усилие воспринимается непосредственно пьезоэлектрическим элементом, выполненным в виде пластин.
11
x
11
Известно, что в условиях обратного пьезоэффекта в результате действия электрического поля на пьезоэлемент возникают силы, линейные по полю, которые меняют свои направления на противоположные при изменении знака электрического поля, см. стр. 156-157, Учебник физики, Сивухин Д.В. В этой связи уместно выразить продольный обратный пьезоэффект как δh=d⋅h⋅E=d⋅φ,
поперечный соответственно
11
x
11
δ1=-d⋅l⋅E=-(l/h)-d,
где h - толщина пьезоэлектрической пластины,
l - длина пьезоэлектрической пластины,
φ - разность потенциалов,
11
d - пьезоэлектрический модуль,
х
Е - напряженность электрического поля.
В результате применяемая в качестве пьезоэлектрического элемента пластина изменяет размер δh на противоположное значение, происходит деформация уменьшения или деформация увеличения h. Это явление и взято автором за основу осуществления измерений.
Известно устройство для измерения высоты (толщины) деталей штангенрейсмас, состоящее из основания, устанавливаемого на ровную поверхность с закрепленной на нем штангой-линейкой со шкалой деления и рамкой с нониусом, имеющей возможность перемещаться по поверхности штанги по вертикали, см. учебник профессионального образования авторов С.А. Зайцева, Д.Д. Ерибанова и др. «Контрольно-измерительные приборы и инструменты», Москва, Академия, 2002 год, стр. 65. На державке закреплен рабочий орган (зонд) контактирующий с измеряемой деталью. В качестве нониусной шкалы в некоторых типах штангенрейсмасов предусматривается установка индикатора часового типа с ценой деления 0,05 и 0,01 мм.
К недостаткам известного устройства можно отнести низкую точность измерений.
Известно более совершенное устройство для измерения высоты деталей см. патент РФ №2485441 - прототип, содержащее основание, штангу со смонтированной на ней рамкой с державкой и зондом и средства для визуального отражения измерения, при этом державка снабжена пьезоэлектрическим преобразователем, выполненным в виде полого корпуса, на внутренней тыльной стороне которого жестко закреплен электрод-контакт, связанный с пьезоэлектрическим элементом, который через подвижный электрод-контакт, смонтированный на обратной стороне пьезоэлектрического элемента, упруго поджат при помощи пружины и связан с зондом, электроды-контакты соединены через ЛАТР и диод с источником питания, при этом устройство снабжено электрическим индикатором контакта зонда с измеряемой деталью.
К недостаткам известного устройства можно отнести низкую точность измерений и низкие технологические возможности заключающиеся в ограничении измерений по направлениям.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является создание устройства, обеспечивающего более точные замеры угла крена элемента здания, опоры или другого сооружения, а также обеспечить замеры углов крена стен, опор и других сооружений в двух плоскостях.
Технический результат полезной модели достигается сочетанием использования известных признаков, включающих пьезоэлектрический преобразователь с неподвижным и подвижным упруго поджатым электродами-контактами, связанными с блоком управления с индикатором контакта и новых признаков, заключающихся в том, что устройство снабжено держателем на поверхности сооружения, на котором в полости корпуса смонтировано два датчика, каждый из которых выполнен в виде последовательно смонтированных пьезоэлектрического элемента, второй диэлектрической проставки, пружины-контакта и вывешенного в вертикальной плоскости контакта-отвеса, датчики смонтированы в корпусе по отношению друг к другу под углом в 90 градусов, при этом пьезоэлектрический элемент каждого датчика соединен с источником питания напряжением от 30 до 210 В, а контактная пружина и контакт-отвес каждого датчика соединены с автономным источником питания в 3-6 В.
Новизной предлагаемого устройства является наличие держателя на поверхности сооружения, на котором в полости корпуса смонтировано два датчика, каждый из которых выполнен в виде последовательно смонтированных пьезоэлектрического элемента, второй диэлектрической проставки, пружины-контакта и вывешенного в вертикальной плоскости контакта-отвеса, датчики смонтированы в корпусе по отношению друг к другу под углом 90 градусов, при этом пьезоэлектрический элемент каждого датчика соединен с источником питания напряжением от 30 до 210 В, а контактная пружина и контакт-отвес каждого датчика соединены с автономным источником питания в 3-6 В.
Так, наличие пьезоэлектрического элемента с неподвижным и подвижным электродами-контактами, позволяет при подаче питания осуществлять замер расстояния «L» до свободно вывешенного контакта-отвеса. Изменение расстояния происходит при наличии деформации (крена) элементов сооружения. При этом расстояние имеет соответствующий угол изменения положения отвеса по отношению к плоскости пьезоэлектрического элемента.
Монтаж датчиков в корпусе устройства по отношению друг к другу под углом в 90 градусов позволяет точно измерять крены и наклоны в двух плоскостях.
Согласно проведенным патентно-информационным исследованиям, сочетания известных и новых признаков предполагаемой полезной модели в источниках патентной и научно-технической информации не обнаружено, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и не вытекает из него явным образом, и позволяет получить более высокий и даже неожиданный технический результат, то предлагаемые существенные признаки и их сочетание можно считать имеющими изобретательский уровень.
Описание осуществления предлагаемого устройства, в том числе на конкретном примере, позволяет отнести его к промышленно выполнимым.
На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство.
На фиг. 2 в увеличенном масштабе показано устройство датчика.
На фиг. 3. представлено расположение двух пьезоэлектрических элементов для ортогонального измерения угла крена.
На фиг. 4 показана электрическая схема подачи питания к датчикам.
Устройство для определения крена сооружения состоит из корпуса 1, в котором смонтировано два датчика, каждый из которых выполнен в виде последовательно смонтированных неподвижного электрода 2 пьезоэлектрического элемента 3, подвижного электрода 4, диэлектрической проставки 5, пружины-контакта 6 и вывешенного в вертикальной плоскости контакта-отвеса 7. Датчики смонтированы в корпусе устройства по отношению друг к другу под углом 90 градусов для обеспечения возможности определения крена опор или других элементов сооружения в двух плоскостях (четыре направления). Корпус снабжен держателем 8, при помощи стяжного хомута 9, крестовины 10 и анкерного болта 11 устанавливается на поверхности сооружения. Блок управления 12 содержит источник питания, лампочку-индикатор 13, выключатель 14, переключатели 15 и 16 и ручку 17 управления резистором. При помощи электрического кабеля со штекером 18 к датчикам присоединяют блок управления с установленным в нем вольтметром 19. Переключатель 20 обеспечивает питание лампочки индикатора 13.
Пьезоэлектрический элемент 3 каждого датчика соединен при помощи штекера 18 с источником питания напряжением от 30 до 210 В, а контактная пружина 6 и контакт-отвес 7 каждого датчика соединены с автономным источником питания в 3-6 В.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Первоначально осуществляем установку устройства и настройку датчиков. Для этого на контролируемом элементе, например, здания высверливается отверстие для крепления болтом-анкером 11 крестовины 10, удерживающей при помощи стяжного хомута 9 корпус 1. В отверстие здания устанавливается и закручивается болт-анкер 11, при этом первоначально опоры крестовины 10 прижимаются к поверхности элемента здания незначительно.
Далее к корпусу 1 датчиков электрическим кабелем со штекером 18 присоединяют блок управления 12. Затем блок управления 12 подключается к бытовой сети 220 В переменного тока при помощи выключателя 14.
Управляя сопротивлением в цепи, при помощи ручки 17 устанавливают напряжение 120 В, которое отслеживается на вольтметре 19. Далее, включением переключателя 15 в положение включения в цепь диода D1 и включением переключателя 16 подается питание на пьезоэлектрический элемент 3. При этом устанавливается режим, при котором происходит упругая деформация и увеличение размера Н (см. фиг. 2) на 15 мкм.
Сила упругой деформации, изменяющая размер Н, действует перпендикулярно поверхности пьезоэлектрического элемента 3. Переключателем 20 включается система индикации, которая соединена с пластиной-контактом 7 и пружиной-контактом 6.
Подкладывая тонкие металлические пластинки под опоры крестовины 10, достигают положения датчика, при котором лампочка индикации 13 мигает, что соответствует ненадежному контакту (условие слабого касания пружины-контакта 6 с пластиной-контактом 7). Болтом-анкером 11 крестовину 10 надежно поджимают к поверхности элемента здания.
Настройка датчиков закончена.
По истечение заданного промежутка времени приступаем к определению крена элемента здания или сооружения. По величине изменения размера «L» определяют действительную величину изменения угла крена в угловых секундах за прошедший промежуток времени. Для этого подключаем штекер 18 блока управления 12 к датчикам и включаем в сеть 220 В. Ручкой 17 резистора повышаем напряжение до загорания лампочки-индикатора 13. Этим мы фиксируем величину изменения напряжения. При этом, если индикаторная лампочка загорелась при напряжении менее 120 В - крен элемента здания в одну сторону, если напряжение составило более 120 В - крен в другую сторону. Отклонение напряжения в 6 В соответствует 1 мкм или 2 угловым секундам.
После определения угла крена в одной плоскости приступаем к определению крена в другой плоскости. Для этого подключаем питание ко второму датчику, меняя положения переключателей 13 и 16, и точно так же осуществляем изменение угла крена элемента здания или сооружения.
В настоящее время автором изготовлен опытный образец устройства, проведены его опытные испытания, показавшие положительные результаты.