ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОПЛЕТКИ ГИБКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель может быть использована в измерительной технике для определения механических напряжений в гибких и протяженных элементах конструкций, в частности, для определения напряженного состояния металлической спиральной обмотки и наружной металлической оплетки (сетки) гибких трубопроводов высокого давления.
Полезная модель может быть использована преимущественно в гидравлике, ракетной и космической технике, газовой промышленности и других областях техники, где требуется обеспечить надежную подачу жидкостей, гелей и газов через трубопровод с возможностью изменения его расположения в пространстве при значительных давлениях в этом трубопроводе и наличии пульсаций давлений.
Гибкие трубопроводы, особенно высокого давления (до 400 ати и выше), имеют достаточно сложную конструкцию. На фиг.1 приведена фотография препарированного гибкого трубопровода. Изделие разрезано в средней части, спиральная обмотка и наружная металлическая оплетка (сетка) для наглядности отогнуты, рядом показана препарированная концевая арматура ниппель, на которой видны особенности заделки гибких элементов конструкции.
Данный гибкий трубопровод содержит следующие основные элементы:
1 - фторопластовую (тефлоновую) трубку;
2 - спиральную металлическую обмотку (оплетку), навитую с натягом с определенным шагом на фторопластовую трубку 1. Таких оплеток может быть несколько, каждая оплетка обычно состоит из внутреннего и наружного слоя разного диаметра и они навиваются друг над другом с натягом встречно с одинаковыми или разными шагами;
3 - металлическую наружную оплетку, заплетенную с определенным натягом и шагом в виде прядей из некоторого числа проволок (нитей) в каждой ленточке, обычно от четырех до шести и более штук. Количество таких сетчатых оплеток разного диаметра может быть несколько;
4 - стальной ниппель;
5 - вкладыш; между вкладышем 5 и ниппелем 4 располагается конец фторопластовой трубки 1, на ниппель 4 надеваются оплетки 2 и 3 (или несколько оплеток и несколько наружных оплеток (сеток));
6 - муфта, которая надевается поверх оплеток, а затем обжимается под высоким давлением, обеспечивая прочное герметичное механическое соединение всех элементов. Такой же ниппель 4 устанавливается на другом конце гибкого трубопровода.
Указанная конструкция обеспечивает герметичность соединения при прокачке агрессивных или ядовитых жидкостей под высоким давлением, а также высокую механическую прочность изделия в целом, поскольку гибкий трубопровод при этом может изменять в определенных пределах геометрию своего положения в пространстве и снижать тем самым механические напряжения в элементах конструкции.
Наиболее напряженными элементами в гибких трубопроводах являются стальная проволока, из которой выполняются спиральные обмотки 2 и наружная оплетка (сетка) 3, а также место заделки гибких элементов 1, 2 и 3 в ниппеле 4.
Измерения механических напряжений в проволоке элементов 2 и 3 в процессе работы данной конструкции гибкого трубопровода представляет собой достаточно сложную техническую задачу. Обусловлено это следующими причинами:
1) широко используемые для измерения механических напряжений датчики усилий - тензорезисторы [Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). - Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.92-107, рис.5-12, 5-16, 5-18, табл.5-2.] - в данном случае не могут быть использованы. Малые диаметры стальной проволоки (обычно от 0,25 до 0,5 мм) не позволяют расположить на ней типовые тензорезисторы, база (рабочий участок) которых составляет не менее 5 мм;
2) проволока, используемая для изготовления элементов 2 и 3, не имеет ровных плоских участков, на которых можно было бы располагать тензорезисторы и усреднять измеренные с их помощью механические напряжения определенного вида (растяжения, сдвига и скручивания);
3) в процессе работы стальная проволока элементов 2 и 3 гибкого трубопровода испытывает сложное пространственное нагружение - одновременно растяжение, изгиб и скручивание. Поэтому, даже если бы удалось расположить на этой проволоке тензорезисторы, то интерпретировать результаты измерений механических напряжений было бы весьма затруднительно;
4) отрезки стальной проволоки, из которых изготовлены элементы 2 и 3 гибкого трубопровода (обычно они имеют разный собственный диаметр и диаметр намотки), в процессе работы испытывают разные напряжения на своих отдельных участках, поэтому полученные с помощью тензорезисторов механические напряжения на отдельных участках проволок малоинформативны;
5) малоразмерные (малобазные) тензорезисторы имеют небольшое сопротивление (от 50 Ом и выше). Соответственно изменения их сопротивления при воздействии механической деформации также мало (не более 0,5-1% в пределах упругости материала проволоки по закону Гука). Выделить эти изменения на фоне помех и наводок на измерительные цепи даже при использовании мостовых схем (полумост, полный мост) достаточно трудно. Большинство же измерительных устройств допускает исходные значения сопротивления тензорезисторов в пределах от 100 до 1000 Ом [Комплексы измерительно-вычислительные MIC. Руководство по эксплуатации. БЛИЖ.401250.001 РЭ. - 2006. - ООО НПП «МЕРА». - 141002, Московская область, г.Мытищи, ул. Колпакова, д. 2, корп. №13. - www.nppmera.ru]:
6) при изготовлении спиральной металлической обмотки 2 и металлической оплетки (сетки) 3 стальная проволока в оплеточной машине подается с заметным натягом (до 50 кГс и выше), и в процессе изготовления деформируется и нагартовывается (упрочняется). Проволока металлической оплетки (сетки) 3 дополнительно изгибается и закручивается в пространстве. В итоге полученная металлическая оплетка (сетка) 3 становится трудноразборной, а каждая проволочка каждой ленточки испытывает в общем случае разные механические напряжения. Это также затрудняет объективную оценку измеренных значений механических напряжений в проволоке.
То есть, измерение напряжений в проволоках оплеток 2 и 3 с помощью типовых тензорезисторов в гибких трубопроводах практически невозможно.
Кроме тензорезисторов для измерения механических напряжений могут быть использованы другие известные аналоги измерительных устройств. Например, устройства, использующие оптические методы измерения (оптические тензометры) [Испытательная техника: Справочник /Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1982. - В 2-х кн. - Кн. 2. - 560 с.] или рентгеновские методы, при которых измеряются изменения расстояния между метками, нанесенными на исследуемую деталь, при ее нагружении. Результаты измерений механических напряжений в стальных проволоках, используемых при изготовлении гибких трубопроводов, с помощью этих измерительных устройств малоинформативны по тем же причинам, указанным выше.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является известное устройство для измерения нагрузок [Патент РФ №2199098, G01L 1/22].
Устройство включает в себя корпусные детали, между которыми установлены секции токоизолированной тензочувствительной проволоки. При наличии механической деформации проволока меняет свое сопротивление по всей ее длине. Изолированные секции (куски) этой тензочувствительной проволоки могут включаться последовательно, что позволяет повысить чувствительность измерений.
Данное устройство содержит в совокупности своих признаков признаки, наиболее близкие к совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели. В частности, тензочувствительный элемент выполнен в виде проволоки, тензочувствительной по всей ее длине, а сама проволока выполнена токоизолированной.
Признаки «упругий элемент в виде тензочувствительной проволоки» и «токоизолированная проволока» имеются также в совокупности существенных признаков другого известного устройства для измерения механических нагрузок [Патент РФ №2010192, G01L 1/22]. Однако, эта проволока имеет выводы и тензочувствительна не по всей своей длине.
Устройство, принятое за прототип, не позволяет измерить механические напряжения в упругих элементах (оплетках и сетках) гибких трубопроводов.
Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения механических напряжений в элементах гибких трубопроводов.
Поставленная цель достигается тем, что упругая токоизолированная тензочувствительная проволока изогнута и расположена в пространстве идентично испытуемому конструктивному элементу гибкого трубопровода, причем диаметр упругой токоизолированной проволоки с изоляцией равен или не больше диаметра испытуемого конструктивного элемента, а предел прочности на растяжение тензочувствительного материала токоизолированной проволоки больше соответствующего предела прочности материала испытуемого конструктивного элемента.
Конструкция предлагаемой полезной модели приведена на фиг.2. Гибкий трубопровод, аналогично фиг.1, содержит следующие основные элементы:
1 - фторопластовую (тефлоновую) трубку;
2 - спиральную металлическую обмотку, навитую с натягом с определенным шагом на фторопластовую трубку 1, таких обмоток разного диаметра и разными шагами (вложенных друг в друга) может быть несколько;
3 - металлическую наружную оплетку (сетку), заплетенную с определенным натягом и шагом в виде прядей из некоторого числа проволок (нитей) в каждой пряди. Количество таких сеток разного диаметра (вложенных друг в друга) может быть несколько;
4 - стальной ниппель, во внутренней полости которого запрессованы с помощью муфты 6 под высоким давлением вкладыш 5 (на фиг.2 не показано) и элементы 1, 2 и 3 конструкции (см. фиг.1). Такой же ниппель 4 устанавливается на другом конце гибкого трубопровода;
6 - муфта;
7 - измерительный элемент для определения напряженного состояния металлической оплетки (сетки) 3 гибких трубопроводов (на фиг.2 эта нитка проволоки имеет краснокоричневый цвет). Измерительный элемент 7 выполнен в виде упругой проволоки из тензочувствительного материала (например, из константана), токоизолированной по всей длине. Эта проволока имеет диаметр по изоляции, равный номинальному диаметру стальной проволоки, использованной для изготовления оплеток - спиральной 2 или сетчатой 3. Например, номинальный диаметр стальной проволоки равен 0,5 мм. Диаметр тензочувствительной проволоки измерительного элемента 7 без изоляции равен 0,44 мм, а двойная толщина изоляции составляет 0,06 мм. Тогда диаметр тензочувствительной проволоки по изоляции в сумме составляет 0,5 мм. Это обеспечивает весьма близкую степень приближения условий механического нагружения измерительного элемента с другими стальными нитками проволоки, из которой изготовлены металлические спиральная обмотка 2 и наружная оплетка (сетка) 3, в процессе работы гибкого трубопровода.
То есть, упругая токоизолированная проволока является здесь еще и конструктивным элементом, в точности повторяющем механические свойства, геометрию и расположение в пространстве рабочих проволочек спиральной обмотки 2 или проволочек наружной оплетки (сетки) 3.
Сам измерительный элемент 7 включается в измерительную цепь, при этом он может быть отдельно оттарирован на отрезке стандартной длины (например, 1 м) того же или меньшего диаметра (по диаметру проволоки), что и стальная проволока, из которой изготовлены элементы 2 и 3, а его сопротивление может быть пересчитано на отрезок упругой токоизолированной тензочувствительной проволоки большей или меньшей длины.
Кроме того, материал измерительного элемента 7 и его изоляция должны дополнительно отвечать следующим требованиям:
в
- предел прочности (σ) тензочувствительного материала измерительного элемента 7 должен быть больше соответствующего значения предела прочности материала стальной проволоки оплетки 2 и наружной оплетки (сетки) 3. Это обеспечивает полный диапазон механических нагрузок, прикладываемых к гибкому трубопроводу, без разрушения измерительного элемента (в пределах упругости по закону Гука);
- рабочие диапазоны температур материала измерительного элемента 7 и его изоляции должны соответствовать или превышать рабочий диапазон температур гибкого трубопровода;
- температурные линейные и объемные коэффициенты расширения материала измерительного элемента 7 должны быть близки соответствующим коэффициентам стальной проволоки оплетки 2 и наружной оплетки (сетки) 3;
- механическая прочность изоляции должна обеспечивать ее сохранность в процессе «вплетения» измерительного элемента 7 в соответствующую наружную оплетку (сетку) 3, когда соседние нити стальной проволоки трутся об изоляцию измерительного элемента, а сам измерительный элемент с натягом прокатывается по роликам оплеточной машины в процессе изготовления;
- материал измерительного элемента должен быть сплавом высокого сопротивления. Тогда даже на измерительном элементе небольшой длины можно получить электрическое сопротивление в единицы Ом и достаточно высокую чувствительность при включении измерительного элемента в соответствующую измерительную цепь.
Из современных материалов этим требованиям наиболее полно соответствует константан (например, проволока константановая из сплава марки МНМц 40-1,5 по ГОСТ 5307-77 соответствующего диаметра [Справочник по электротехническим материалам /Под общ. ред. К.А.Андрианова, Н.П.Богородицкого, Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова и Б.М.Тареева.. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - В 2-х томах. - Т.2, с.176-178.]), покрытый соответствующей изоляцией, например, несколькими слоями полиимидного или полиамидного лака. Нанесение нескольких слоев лака позволяет получить необходимое значение толщины изоляции измерительного элемента. При определенных условиях намотки изоляция необходимой толщины может быть выполнена из стеклонити соответствующего диаметра путем обкрутки (намотки) стеклонити на константановый провод с последующей пропиткой лаками, или путем сплетения константанового провода стеклонитью в виде чулка с последующей пропиткой лаком, аналогично проводам типа ПНСДТ, ПНСДКТ, ПЭТВСОК, ПЭТВКТ, ПКСЛ и т.д. [Белоруссов Н.И, Саакян А.К, Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник /Под ред. Н.И.Белоруссова. - Изд. 5-е, перераб. и дополненное. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.495-498.]. Краснокоричневый цвет изоляции измерительного элемента 7 на фиг.2 в наружной оплетке (сетке) 3 обусловлен цветом полиамидного лака изоляции. В ряде случаев изоляция упругой тензочувствительной проволоки может быть выполнена в виде окисной пленки, имеющей достаточно высокую механическую прочность.
Подключение измерительного элемента 7 в измерительную цепь производится по торцевым частям проволок, пропущенным через ниппели 4, или с помощью игольчатых контактов непосредственно на входе проволоки измерительного элемента 7 во внутреннюю полость ниппелей 4. В любом случае упругая тензочувствительная проволока измерительного элемента 7 должна быть электрически изолирована от других металлических элементов гибкого трубопровода.
Возможный (упрощенный) вариант включения предлагаемого измерительного элемента для определения напряженного состояния металлической оплетки (сетки) 3 гибких трубопроводов, а также других аналогичных протяженных элементов, приведен на фиг.3.
Здесь измерительный элемент 7 включен по так называемой потенциометрической схеме. Выходное сопротивление генератора тока 8 близко к бесконечности. Поэтому при изменении омического сопротивления измерительного элемента 7 при его механическом нагружении ток через измерительный элемент 7 остается практически неизменным, а изменение падения напряжения на нем пропорционально значению механических напряжений (деформаций).
В качестве высокостабильного прецизионного генератора тока 8 может выступать, например, известная микросхема - двухвыводной генератор тока LT3092 фирмы Linear Technology Corporation (USA). Она обеспечивает выходной ток от 0,5 до 200 мА с погрешностью не более 0,01% при напряжении питания от 1,5 до 40 В. При этом на измерительном элементе 7 падает значительное напряжение. Так, например, омическое сопротивление 50 см константановой проволоки диаметром 0,25 мм составляет около 5 Ом [Справочник по электротехническим материалам /Под общ. ред. К.А.Андрианова, Н.П.Богородицкого, Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова и Б.М.Тареева. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - В 2-х томах. - Т.2, с.176-178, с.178, табл. 15-10]. Тогда даже при токе через измерительный элемент 7, равном 100 мА, на нем упадет напряжение, равное по закону Ома 0,5 В. Изменения этого падения напряжения при максимальной механической деформации и изменении активного сопротивления измерительного элемента 7 в 1% составляет около 5 милливольт.
Такие сигналы соизмеримы с выходными сигналами мостовых цепей [Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). - Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.102-103]. Однако мостовые цепи тензорезисторов невозможно расположить на стальной проволоке элементов 2 и 3 гибкого трубопровода фиг.2, требуемое значение сопротивления каждого тензорезистора составляет не менее 50-100 Ом, при этом сбалансировать полумост или полный мост при сопротивлении отдельного тензорезистора, равном 5 Ом, практически невозможно.
Кроме того, при малом значении омического сопротивления измерительного элемента 7 снимаются ограничения по значению протекающего через него тока, которые характерны для обычных тензорезисторов (обычно этот ток составляет для металлических тензорезисторов не более 20 мА при импульсном питании тензомоста из-за опасности сильного разогрева тензорезисторов и резкого увеличения температурной погрешности).
Падение напряжения на измерительном элементе 7 подается на вход прецизионного инструментального усилителя 9 (фиг.3) с автоматической непрерывной коррекцией нуля и программируемым коэффициентом усиления (от 70 до 1280) AD8555 фирмы Analog Devices, Inc. (USA). Начальное смещение нуля (обусловленное падением напряжения на измерительном элементе 7 при отсутствии механических напряжений) на выходе усилителя 9 устраняется с помощью встроенного в эту микросхему цифро-аналогового преобразователя. В этом случае усиливается сигнал, пропорциональный именно изменению падения напряжения на измерительном элементе 7 при его механическом нагружении. Нужно только, чтобы это начальное смещение нуля не превышало половины напряжения полной шкалы выходного напряжения усилителя 9 (обычно шкала выходного напряжения усилителя 9 составляет не менее 5 В). Усилитель 9 имеет коэффициент ослабления синфазного сигнала около -100 дБ. Это позволяет практически полностью подавить наводки и помехи на измерительную цепь и корректно усилить сигнал, например, в 100 раз, до 500 мВ. В качестве такого усилителя 9 могут быть использованы и другие известные аналогичные прецизионные инструментальные усилители.
Далее сигнал поступает на вход интегрирующего Σ-Δ АЦП 10 (фиг.3), например, двадцатичетырехразрядного АЦП AD7714 той же фирмы Analog Devices, Inc. (USA). Такой значительный по уровню сигнал легко преобразуется в код с разрешением в 16-20 двоичных разрядов. Сам АЦП 10 позволяет дополнительно усилить сигнал от 1 до 128 раз (устанавливается программно). Любые Σ-Δ АЦП также имеют весьма большой коэффициент ослабления синфазного сигнала - от -120 до -140 дБ, что практически исключает влияние помех на измерительную цепь. Далее выходной код АЦП 10 AD7714 подается по n-разрядной шине в персональную ЭВМ для дальнейшего анализа и представления результатов эксперимента по измерению механических напряжений в элементах гибкого трубопровода.
Данная схема измерения допускает максимальную частоту деформаций не менее 400 Гц, а при использовании более высокочастотного Σ-Δ АЦП (например, AD7730 и др.) - примерно до 1 кГц.
Таким образом, конструктивное выполнение предлагаемого измерительного элемента позволяет реализовать техническую задачу измерения механических напряжений в упругих элементах гибких трубопроводов, а именно, в стальной проволоке спиральной обмотки и в стальной проволоке наружной оплетки (сетки), что ранее выполнить известными способами было невозможно, а также повысить чувствительность и точность измерения.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). - Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.
2. Комплексы измерительно-вычислительные MIC. Руководство по эксплуатации. БЛИЖ.401250.001 РЭ. - 2006. - ООО НПП «МЕРА». - 141002, Московская область, г.Мытищи, ул.Колпакова, д.2, корп. №13. - www.nppmera.ru
3. Испытательная техника: Справочник /Под ред. В.В.Клюева. - В 2-х кн. - М.: Машиностроение, 1982. - Кн.2. - 560 с.
7
4. Патент РФ №2199098. Устройство для измерения нагрузок. - МПК G01L 1/22. - Авт. Тихонов А.И., Мокров Е.А., Тихонов С.А., Карасев В.А. - [ФГУП «НИИ физических измерений»]. - Заявка №2001114492/28. - Заявл. 25.05.2001 г. - Опубл. 20.02.2003 г. - ПРОТОТИП.
5
5. Патент РФ №2010192. Устройство для измерения нагрузок. - МПК G01L 1/22. - Авт. Тихонов А.И., Мокров Е.А., Тихонов С.А., Карасев В.А. - [Научно-исследовательский институт физических измерений]. - Заявка №4724082/10. - Заявл. 14.06.1989 г. - Опубл. 30.03.1994 г.
6. Справочник по электротехническим материалам /Под общ. ред. К.А.Андрианова, Н.П.Богородицкого, Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова и Б.М.Тареева.. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - В 2-х томах. - Т.2, с.176-178.
7. Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник / Под ред. Н.И.Белоруссова. - Изд. 5-е, перераб. и дополненное. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.495-498.