Электромагнитный датчик для измерений внутренних напряжений в стержневом ферромагнитном элементе строительной конструкции

Полезная модель относится к области измерительных приборов, а именно к приборам для непрерывного мониторинга ферромагнитных стержневых элементов строительных конструкций под воздействием сил растяжения-сжатия.
Известны электромагнитные датчики, предназначенные для определения механических напряжений с использованием магнитопровода для намагничивания изделия (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, CN 102235924, CN 101246143). Работа известных датчиков основана на взаимосвязи механических напряжений в ферромагнитном материале с магнитными свойствами, которая проявляется в виде эффекта Виллари (Физическая энциклопедия). Они используются в случаях периодических проверок на наличие дефектов, что не позволяет с высокой точностью осуществлять непрерывный мониторинг напряженно-деформированного состояния строительных конструкций таких как вантовые и висячие системы, напрягаемая и обычная арматура железобетонных конструкций, несущие тросы разводных мостов и подъемных механизмов.
Известен также магнитный датчик для измерения внутренних напряжений ферромагнитных материалов, который встроен в портативные измерительные приборы для измерения напряжений компонентов нагруженных изделий (CN 102539027, опубл. 04.07.2012).
Датчик выполнен с двумя свободно открывающимися и закрывающимися катушками, изолированными друг от друга. Жгуты металлических проводов расположены параллельно и изолированы друг от друга. Один конец каждого жгута провода соединен с заглушкой, а другой конец - с соответствующим контактом гнезда. Датчик монтируют на исследуемое изделие, производят замеры, а затем демонтируют.
Недостаток известного датчика заключается в том, что с его помощью невозможно осуществлять непрерывный мониторинг стержневых ферромагнитных элементов под действием сил растяжения-сжатия, применяемых в таких конструкциях как вантовые и висячие системы, напрягаемая и обычная арматура железобетонных конструкций, несущие тросы разводных мостов и подъемных механизмов, т.к. датчик выполнен съемным и его подвижные/разъемные части подвержены повышенному износу. Кроме того, поскольку датчик такой конструкции должен демонтироваться, то использовать его для закладки в железобетонные конструкции при бетонировании невозможно.
Близких аналогов обнаружено не было.
Технический результат - повышение надежности конструкции датчика за счет отсутствия разъемных и подвижных элементов, а также обеспечение непрерывного процесса мониторинга при высокой достоверности за счет стационарной установки датчика на исследуемый стержневой элемент и учета температуры при каждом замере величины внутренних напряжений в стержневом элементе.
Технический результат достигается тем, что электромагнитный датчик для измерений внутренних напряжений в стержневом ферромагнитном элементе включает внутренний каркас датчика для размещения стержневого элемента с вмонтированным в него температурным датчиком, обмотку, закрепленную поверх каркаса и внешнюю оболочку датчика, при этом
D=d+2L,
где D - диаметр внутреннего каркаса датчика,
d - диаметр ферромагнитного стержневого элемента,
L - толщина стенок внутреннего каркаса датчика.
Заявленные соотношения D, d и L обеспечивают неразъемность и неподвижность элементов конструкции в процессе замеров.
Датчик заявленной конструкции обеспечивает надежность его закрепления в процессе замеров величин внутренних напряжений в стержневых элементах при высокой его достоверности за счет учета температуры самого датчика, а также непрерывность процесса мониторинга таких конструкций как вантовые и висячие системы, напрягаемая и обычная арматура железобетонных конструкций, несущие тросы разводных мостов и подъемных механизмов.
Полезная модель проиллюстрирована следующими фигурами.
На фиг. 1 показан общий вид электромагнитного датчика с размещенным внутри его каркаса стержневым ферромагнитным элементом, на фиг. 2 - продольный разрез электромагнитного датчика заявленной конструкции.
На фиг. 3 представлена блок-схема системы мониторинга силового воздействия на ферромагнитный стержневой элемент с использованием электромагнитного датчика заявленной конструкции, где:
1 - ферромагнитный стержневой элемент ФСЭ с диаметром d;
2 - оболочка троса ФСЭ 1;
3 - внутренний каркас электромагнитного датчика с наружным диаметром D;
4 - обмотка;
5 - датчик температуры внутреннего каркаса 3;
6 - внешняя оболочка электромагнитного датчика;
7 - электромагнитный датчик;
8 - микроконтроллер;
9 - датчик температуры ФСЭ 1;
10 - измерительный блок;
11 - силовой блок;
12 - источник питания силового блока;
13 - пульт оператора;
14 - блок питания системы мониторинга;
15 - датчик температуры устройства для мониторинга (внутри специального корпуса);
D - наружный диаметр внутреннего каркаса 3 датчика 7;
d - диаметр ФСЭ 1;
L - толщина стенок внутреннего каркаса 3 датчика 7 между ФСЭ 1 и внутренним диаметром обмотки 4.
Процесс измерения внутренних напряжений в стержневом ферромагнитном элементе с использованием электромагнитного датчика заявленной конструкции осуществляется следующим образом.
Предварительно внутрь каркаса 3 электромагнитного датчика 7 помещают ФСЭ 1, которые вместе образуют электромагнитную пару. Температурные датчики 5 и 9 измеряют температуру каркаса 3 электромагнитного датчика 7 и температуру ФСЭ 1, соответственно. Перед установкой на конструкцию систему мониторинга калибруют. Систему размещают в специальном корпусе (не показан) и устанавливают в нем температурный датчик 15.
При подаче питания от стабилизированного источника питания 12 (стабилизируется напряжение источника питания, а изменяется и измеряется величина тока) силовой блок 11 генерирует импульсы тока с частотой и амплитудой, задаваемой микроконтроллером 8, и передает на электромагнитный датчик 7, в котором размещен ФСЭ 1.
При этом на низкоомном резисторе (не показан) измерительного блока 10 наблюдается падение среднего значения напряжения, пропорционального току, протекающему через обмотку 4 датчика 7.
Согласно эффекту Виллари при изменении длины (размера) ФСЭ 1 изменяются его магнитные свойства (магнитная проницаемость). Импульсы тока, протекающие через датчик 7, порождают переменное магнитное поле в области ФСЭ 1. Изменение магнитных свойств при деформации ФСЭ 1 удается детектировать путем измерения среднего значения импульсов тока.
avg
Силовой блок 11 подает усиленные импульсы переменного тока на датчик 7, в которой они меняют форму и значения в зависимости от величины силового воздействия σ, возникающего на ФСЭ 1. Далее сигнал попадает в измерительный блок 10, который замеряет величину интегрального напряжения U с датчика 7 и далее передает его на МК 8.
1
2
3
МК 8 осуществляет вычисление величины нагрузки силового воздействия σна ФСЭ 1 с учетом показаний температур T, Т и Тс датчиков 5, 9 и 15, а также с учетом величин, определенных при калибровке, по заданной математической зависимости.
Для дальнейшей обработки и интерпретации оцифрованных данных информация с МК 8 поступает на пульт оператора 13, например, на ПК по интерфейсу USB.
Кроме указанных выше, преимуществом заявляемого датчика по сравнению с известными является простота его конструкции за счет использования единой обмотки для намагничивания ФСЭ и детектирования изменения внутреннего напряжения.