СПОСОБ МОНИТОРИНГА СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФЕРРОМАГНИТНЫЙ СТЕРЖНЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ
METHOD OF MONITORING FORCE ACTION ON FERROMAGNETIC ROD ELEMENT

Изобретение относится к области измерительных приборов, а именно к способам непрерывного мониторинга ферромагнитных стержневых элементов строительных конструкций под воздействием сил растяжения-сжатия, таких как вантовые и висячие системы, напрягаемая и обычная арматура железобетонных конструкций, несущие тросы разводных мостов и подъемных механизмов.
Известны способы определения механических напряжений с использованием магнитопровода для намагничивания изделия и вычисления комплексного спектра сигнала (RU 2195636, опубл. 27.12.2002, RU 2189020, опубл. 10.09.2002, RU 2441227, опубл. 27.01.2012, RU 2527310, опубл. 27.08.2014, RU 2527666, опубл. 10.09.2014). Способы разработаны с учетом взаимосвязи механических напряжений в ферромагнитном материале с магнитными свойствами, которая проявляется в виде эффекта Виллари (Физическая энциклопедия). Известные способы применимы в случаях периодических проверок на наличие дефектов. Однако указанные способы не учитывают воздействие температур, которые влияют на определение величины механического напряжения и не позволяют с высокой точностью осуществлять непрерывный мониторинг напряженно-деформированного состояния строительных конструкций.
Наиболее близким к - заявляемому является способ замера механических напряжений в ферромагнитных протяженных конструкциях с симметричным сечением типа рельсов (RU 2521753, опубл. 1.07.2014), согласно которому предварительно осуществляют намагничивание изделия с помощью постоянных магнитов или путем пропускания тока по нему. Способ основан на магнитоупругом эффекте, возникающем под действием механических деформаций в ферромагнитном симметричном изделии (эффект Виллари), и осуществляется с использованием подвижных индуктивных датчиков для сканирования сечения рельсы.
Известный способ позволяет выявить дефекты и зарегистрировать наличие механического напряжения в изделии, но он не определяет достоверную величину этого напряжения. Система не подвергается калибровке и не учитывает воздействие температур. Такой способ применим в случае периодических проверок на наличие дефектов, но для непрерывного мониторинга металлических стержневых элементов строительных конструкций, например, канатов вантовых и висячих систем, тросов подъемных механизмов, напрягаемой и обычной арматуры железобетонных конструкций и т.п., такой способ не применим.
Технический результат - обеспечение непрерывного мониторинга напряженно-деформированного состояния ферромагнитных стержневых элементов конструкций, типа несущие тросы вантовых и висячих систем, арматурные элементы и т.п., и повышение достоверности способа за счет учета температурного воздействия окружающей среды при каждом замере величины силового воздействия, а также предварительной калибровки системы мониторинга.
avg
Указанный технический результат достигается тем, что способ мониторинга силового воздействия на ферромагнитный стержневой элемент включает замер силового воздействия на стержень и основан на магнитоупругом эффекте, возникающем под действием механических деформаций в ферромагнитном стержневом элементе. Согласно изобретению внутри катушки электромагнитной головки (ЭМГ) с температурным датчиком ЭМГ помещают ферромагнитный стержневой элемент (ФСЭ) с температурным датчиком ФСЭ, затем соединяют эту электромагнитную пару и указанные температурные датчики с системой мониторинга, оснащенной собственным температурным датчиком. Предварительно проводят калибровку системы мониторинга и размещают ее в специальном корпусе. Далее из микроконтроллера системы подают на ЭМГ импульсы тока, усиленные силовым блоком системы, с заданной частотой и амплитудой, а величину силового воздействия на ФСЭ (σ) в данный момент времени вычисляют в зависимости от величины изменения среднего значения измеряемого напряжения (U), температуры катушки
1
2
3
ЭМГ (T), температуры ФСЭ (T) и температуры системы мониторинга (T) по заданной математической зависимости:
где
α, β, γ, ε - параметры, определяемые в ходе калибровки системы мониторинга,
i -индекс суммирования;
n - старшая степень, с которой переменные входят в модель,
Далее сравнивают величину σ с заданным допустимым значением и передают данные сравнения на пульт оператора для принятия решений.
Кроме того, ЭМГ выполняют в форме полого цилиндра с катушкой, обеспечивающей создание переменного магнитного поля в ФСЭ при пропускании импульсов тока.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена блок-схема системы мониторинга силового воздействия на ферромагнитный стержневой элемент строительной конструкции согласно заявляемому способу.
На фиг. 2 показана в изометрии электромагнитная головка с помещенным внутри нее стержневым ферримагнитным элементом (электромагнитная пара).
На фиг. 1 и 2 показаны:
1 - микроконтроллер (МК);
2 - измерительный блок;
3 - силовой блок;
4 - электромагнитная головка (ЭМГ);
5 - датчик температуры ЭМГ;
6 - датчик температуры ферромагнитного стержневого элемента (ФСЭ);
7 - источник питания силового блока 3;
8 - пульт оператора;
9 - блок питания системы мониторинга;
10 - датчик температуры устройства для мониторинга (внутри шкафа корпуса);
11 - ФСЭ в оболочке;
12 - трос ФСЭ.
Способ осуществляется следующим образом.
Предварительно внутри катушки ЭМГ 4 помещают ФСЭ 11, образующие электромагнитную пару. Температурные датчики 5 и 6 установлены в ЭМГ 4 таким образом, что измеряют температуру катушки ЭМГ 4 и температуру ФСЭ, соответственно. Перед установкой на конструкцию систему мониторинга калибруют, т.е. определяют постоянные величины α, β, γ, ε, которые являются параметрами математической модели, зависящими от физических характеристик ФСЭ 1. Систему размещают в специальном корпусе (не показан).
В корпусе устанавливают температурный датчик 10. При подаче питания от стабилизированного источника питания 7 (стабилизируется напряжение источника питания, а изменяется и измеряется величина тока) силовой блок 3 генерирует импульсы тока с частотой и амплитудой, задаваемой МК 1, и передает на ЭМГ 4, в полости катушки которой размещен ФСЭ 11 (фиг. 2).
При этом на низкоомном резисторе (не показан) измерительного блока 2 наблюдается падение среднего значения напряжения, пропорционального току, протекающему через катушку ЭМГ 4.
Согласно эффекту Виллари при изменении длины (размера) ферромагнитного стержневого элемента изменяются его магнитные свойства (магнитная проницаемость). Т.к. ЭМГ 4 и ФСЭ 11 образуют электромагнитную пару, то импульсы тока, протекающие через ЭМГ 4, порождают переменное магнитное поле в области ФСЭ 11. Изменение магнитных свойств при деформации ФСЭ 11 удается детектировать путем измерения среднего значения импульсов тока.
avg
Силовой блок 3 подает усиленные импульсы переменного тока на ЭМГ 4, в которой они меняют форму и значения в зависимости от величины силового воздействия σ, возникающего на ФСЭ 11. Далее сигнал попадает в измерительный блок 2, который замеряет величину интегрального напряжения (U) с ЭМГ 4 и далее передает его на МК 1.
1
2
3
МК 1 осуществляет вычисление величины нагрузки силового воздействия σ на ФСЭ 11 с учетом показаний температур Т, Т  и Т с датчиков 5, 6 и 10, а также с учетом величин α, β, γ, ε, определенных при калибровке ЭМГ 4, по следующей математической зависимости:.
Для дальнейшей обработки и интерпретации оцифрованных данных информация с МК 1 поступает на пульт оператора 8, например, на ПК по интерфейсу USB.
Далее описан процесс мониторинга силового воздействия на ферромагнитный (стальной) трос с оболочкой (стренд) вантового моста.
В процессе монтажа вантовой системы стальной трос 12 с оболочкой, который представляет собой ФСЭ 11, разместили в полости катушки ЭМГ 4, установили его и закрепили. Внутри катушки ЭМГ 4 предварительно были размещены температурные датчики 5 и 6. В таком виде электромагнитная пара была установлена внутри системы вантового моста.
Наружный соединительный кабель подключили к системе мониторинга с собственным температурным датчиком 10 (фиг. 1), которую разместили в отдельном шкафу.
При подключении питания системы мониторинга от блока 9 МК 1 генерировал короткие импульсы тока, задавая частоту, равную 10 Гц с длительностью импульса 5 мс и периодичностью 1 час.
Силовой блок 3, представляющий собой схему полного ключевого моста на полевых транзисторах с драйверами и опторазвязкой, преобразовал сигналы в импульсы тока с аналогичными временными характеристиками и амплитудой порядка 7 А и передал их на ЭМГ 4.
Температурные датчики 5, 6 и 10 по запросу МК 1 передали на вход МК 1 следующие показания:
1
2
3
Т=23°С, Т=27°С, Т=42°С.
avg
На выходе измерительного блока 2 величина интегрального напряжения U вторичного тока составила 2950 мВ. В результате вычислений МК 1 величина силового воздействия σ на трос составила 20000Н. Допустимое значение величины а - не более 25000 Н.
Если бы величина σ была выше 25000 Н, то система сообщила бы оператору об усилии σ, превышающем допустимое значение в ванте. Такое усилие привело бы к разрушению ванты.
avg
1
2
3
avg
Через 1 час система снова осуществила опрос, сгенерировала импульсы и зарегистрировала величину U. Результаты опроса: величин Т, Т, Т остались прежними, но величина U. стала равной 2405 мВ. Расчет показал, что величина σ была равна нулю, что свидетельствовало об аномалии, характерной для обрыва ванта. Сообщение об этом с МК 1 поступило на пульт оператора.
Кроме указанного технического результата заявляемый способ обладает рядом преимуществ по сравнению с известными, а именно:
- способ работает в температурном диапазоне от -50 до +70°С, что позволяет использовать его практически по всей территории России при любых погодных условиях без снижения технических характеристик системы;
- возможность установки ЭМГ и электромагнитной пары в железобетонных конструкциях на этапе бетонирования без риска повреждения элементов устройства;
- система мониторинга, осуществляющая заявляемый способ, не содержит движущихся частей и элементов, чувствительных к механическим повреждениям, что обеспечивает высокую износостойкость и надежность в работе.
Заявляемый способ может быть использован при мониторинге силового воздействия следующих строительных конструкций:
- вантовые и висячие системы;
- напрягаемая и обычная арматура железобетонных конструкций;
- несущие тросы разводных мостов и подъемных механизмов.