Электромагнитный датчик для измерения 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, опубл. 09.11.2011, CN 101246143, опубл. 20.08.2008).
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 такой датчик 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.
Технический результат достигается тем, что электромагнитный датчик для измерения внутренних напряжений в стержневом ферромагнитном элементе строительной конструкции включает внутренний каркас датчика для размещения стержневого элемента, две расположенные одна под другой изолированные друг от друга первичную и вторичнуюконцентричные обмотки, закрепленные поверх каркаса, и внешнюю оболочку датчика, при этом
D1 = D2 + 2 х l, D2 = D + 2xL, где
D - диаметр стержневого элемента,
D1 - диаметр первичной обмотки,
D2 - диаметр вторичной обмотки,
L - толщина стенок внутреннего каркаса датчика,
l - толщина вторичной обмотки.
Заявленные соотношения D, d, l и L обеспечивают неразъемность и неподвижность элементов конструкции в процессе замеров. Расположение одна под другой двух изолированных друг от друга первичную и вторичную концентричных обмоток, закрепленных поверх каркаса, обеспечивает лучшую связь между обмотками за счет уменьшения электромагнитных потерь.
Датчик заявленной конструкции обеспечивает надежность его закрепления в процессе замеров величин внутренних напряжений в стержневых элементах, 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.
Кроме того, высокая достоверность дополнительно обеспечивается учетом температуры каркаса самого датчика и температуры стержневого элемента при каждом замере величины внутренних напряжений в стержневом элементе.
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 А-А электромагнитного датчика заявленной конструкции.
На фиг. 3 показан поперечный разрез Б-Б электромагнитного датчика заявленной конструкции.
На фиг. 4 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 D2;
4 - вторичная обмотка;
5 - слой изоляционного материала;
6 - первичная обмотка;
7 - датчик температуры внутреннего каркаса;
8 - внешняя оболочка электромагнитного датчика;
9 - электромагнитный датчик;
10 - микроконтроллер;
11 - датчик температуры ФСЭ 1;
12 - измерительный блок;
13 - силовой блок;
14 - источник питания силового блока;
15 - пульт оператора;
16 - блок питания системы мониторинга;
17 - температурный датчик устройства для мониторинга (внутри корпуса), при этом
D1 - диаметр первичной обмотки,
D2 - диаметр вторичной обмотки,
L - толщина стенок внутреннего каркаса датчика,
l - толщина вторичной обмотки.
Процесс измерения внутренних напряжений в ФСЭ 1 с использованием электромагнитного датчика 9 заявленной конструкции осуществляется следующим образом.
Предварительно внутрь каркаса 3 электромагнитного датчика 9 помещают ФСЭ 1, образуя электромагнитную пару. Датчики 7 и 11 измеряют температуру каркаса 3 электромагнитного датчика 9 и температуру ФСЭ 1, соответственно. Перед установкой на конструкцию систему мониторинга калибруют. Систему размещают в специальном корпусе (не показан), в котором устанавливают температурный датчик 17.
При подаче питания от стабилизированного источника питания 14, в котором стабилизируется напряжение источника питания, силовой блок 13 генерирует импульсы тока с частотой и амплитудой, задаваемой микроконтроллером 10, и передает на электромагнитный датчик 9, в котором размещен ФСЭ 1.
При этом импульсы поступают на первичную обмотку 6 датчика 9 и генерируют импульсы во вторичной обмотке 4, за счет индуктивной связи.
Согласно эффекту Виллари при изменении длины (размера) ФСЭ 1 изменяются его магнитные свойства (магнитная проницаемость). Импульсы тока, протекающие через первичную обмотку 6 датчика 9, порождают переменное магнитное поле в области ФСЭ 1. Изменение магнитных свойств при деформации ФСЭ 1 удается детектировать путем измерения среднего значения напряжения на вторичной обмотке 4 датчика 9.
avg
Силовой блок 13 подает усиленные импульсы переменного тока на датчик 9. Импульсы, попадающие на первичную обмотку 6 датчика 9, создают импульсы во вторичной обмотке 4 за счет индуктивной связи. Которые в свою очередь меняют форму и значения в зависимости от величины силового воздействия σ, возникающего на ФСЭ 1. Далее сигнал попадает в измерительный блок 12, который замеряет величину интегрального напряжения U со вторичной обмотки 4 датчика 9 и далее передает его на МК 10.
1
2
3
МК 10 осуществляет вычисление величины нагрузки силового воздействия а на ФСЭ 1 с учетом показаний температур Т, Т и Т с датчиков 7, 11 и 17, а также с учетом величин, определенных при калибровке, по заданной математической зависимости.
Для дальнейшей обработки и интерпретации оцифрованных данных информация с МК 10 поступает на пульт оператора 15, например, на ПК по интерфейсу USB.