ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТНОЙ ПЛИТЫ НА ГРУНТ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к измерениям величины давления фундаментной плиты на грунт таких сооружений, как реакторные отделение АЭС, мосты, плотины, высотные и промышленные здания, и может быть использована в системах мониторинга за напряженно-деформированным состоянием грунтов.
Известен датчик давления песчаного грунта, включающий в себя цилиндрический корпус с дном, внутри которого установлены измерительные балочки с наклеенными тензорезисторами, жесткий диск с опорами, контактирующими с измерительными балочками, и упругий элемент, расположенный по оси симметрии корпуса, выполненный в виде двух тарельчатых пружин, соединенных вместе своими меньшими основаниями, причем первая пружина контактирует с дном корпуса, а вторая с жестким диском (см., например, патент РФ №2065590 по кл. МПК G01L7/00, G01L9/04 от 20.08.1996 г.).
Датчик работает следующим образом. При изменении нагрузки на датчик жесткий диск изгибает измерительные балочки, тем самым изменяя сопротивление тензорезисторов. Величина сопротивления тензорезисторов в соответствии с градуировочной кривой определяет величину давления на грунт в инженерных единицах.
К недостаткам данного датчика следует отнести небольшой срок сохраняемости метрологических характеристик и невысокий срок службы из-за использования приклеиваемых тензорезисторов.
Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является датчик давления фундаментной плиты на грунт, содержащий цилиндрический корпус, жесткий диск, упругий элемент, расположенный по оси симметрии корпуса и жесткого диска, и измерительное устройство, расположенное по оси упругого элемента и жесткого диска, и выполненное в виде многогранника с не менее чем тремя гранями. На каждой грани многогранника закреплена натянутая струна с электромагнитной системой, при этом оси струн расположены симметрично оси упругого элемента (см., например, патент РФ №2598692 по кл. МПК G01L 7/00 от 23.04.2015 г.).
В данном датчике давления фундаментной плиты на грунт измерительное устройство одним концом закреплено к выступу, расположенному по оси упругого элемента, а вторым концом, выполненным в виде ступенчатого стержня, опирается на гайку с наружной резьбой и отверстием по центру. Гайка заворачивается в ступенчатое отверстие по оси жесткого диска и фиксируется к жесткому диску сваркой, при этом стержень меньшего диаметра входит в отверстие гайки и фиксируется в ней также сваркой.
К недостаткам описанной конструкции следует отнести повышенные весогабаритные характеристики датчика, обусловленные местом крепления второго конца измерительного устройства. Все детали датчика: корпус, жесткий диск, упругий элемент, измерительное устройство и особенно струны выполнены из высокопрочного металла, имеют практически одинаковый модуль упругости и под действием измеряемой силы (с учетом перегрузки) должны находиться в области упругой деформации. В целях повышения надежности и увеличения времени сохраняемости метрологических характеристик датчика, как правило, струны измерительного устройства натягиваются на величину, не превышающую значения 0,6 - 0,7 от максимальной величины зоны упругой деформации, в то время, как упругий элемент и жесткий диск могут работать, практически, во всей этой зоне. Так как в данной конструкции датчика оси струн измерительного устройства совпадают с направлением вектора измеряемой силы, а оно фиксирует суммарную величину деформации упругого элемента и жесткого диска, то абсолютное значение деформации, фиксируемое между точками крепления измерительного устройства, и является величиной деформации струн.
Согласно закону Гука, величина абсолютной деформации равна:
ΔL=F×L/E×A,
где:
ΔL - величина абсолютной деформации;
F - сила, приложенная к детали;
L - длина нагружаемой детали;
Ε - модуль упругости материала детали;
А - площадь сечения нагружаемой детали.
При заданных значениях силы F, модуля упругости Ε и длины деталей в области приложения силы L, величина деформации струн, в основном, определяется площадью сечения измерительного устройства и жесткого диска датчика в области их внутренних полостей. Учитывая то обстоятельство, что величина деформации струны используется с коэффициентом 0,6-0,7, а суммарная длина деталей измерительного устройства и жесткого диска датчика в области их внутренних полостей значительно больше длины струны, то для получения величины суммарной деформации деталей измерительного устройства и жесткого диска, равной величине деформации струны, площадь сечения этих деталей, находящихся под действием силы, должна быть существенно больше оптимальной (в 2÷3 раза). Это приводит к значительным завышениям весогабаритных характеристик датчика. Кроме этого, такое крепление измерительного устройства к жесткому диску может привести к нарушению герметичности полости, в которой располагаются струны и электромагнитная система и как следствие, выход датчика из строя.
Задачей полезной модели является снижение весогабаритных характеристик и повышение надежности датчика давления фундаментной плиты на грунт.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в известном датчике давления фундаментной плиты на грунт, содержащем цилиндрический корпус, жесткий диск, упругий элемент, расположенный по оси симметрии корпуса и жесткого диска, и измерительное устройство, расположенное по оси упругого элемента и жесткого диска, и выполненное в виде многогранника с не менее чем тремя гранями. На каждой грани многогранника закреплена натянутая струна с электромагнитной системой, при этом оси струн расположены симметрично оси упругого элемента и образуют каналы измерения силы, в соответствии с данной предложенной полезной моделью в полость, имеющуюся внутри упругого элемента и жесткого диска, помещен дополнительный элемент - опора, выполненная в виде цилиндра с внутренней полостью, внутри которой расположено измерительное устройство, второй конец которого закреплен к торцевой поверхности опоры, а другая торцевая поверхностью опоры, со стороны полости, соосно прикреплена к ненагруженной части упругого элемента, входящей в полость жесткого диска.
Указанное выполнение датчика давления фундаментной плиты на грунт благодаря креплению измерительного устройства между выступом упругого элемента, расположенном по его оси, и торцевой поверхностью опоры позволяет измерительному устройству, и соответственно струнам, под действием измеряемой силы фиксировать деформацию только упругого элемента, исключив из этого процесса жесткий диск. Это дает возможность существенно увеличить деформацию упругого элемента и жесткого диска (оставаясь в упругой зоне) путем уменьшения площади их сечения, что в свою очередь позволяет уменьшить весогабаритные характеристики датчика. Кроме этого, такое крепление измерительного устройства позволяет более точно расположить его относительно оси упругого элемента, что повысит точность измерения, а также повысить надежность датчика за счет более надежной герметизации полости, в которой расположено измерительное устройство.
На чертеже, на фиг. 1, представлен общий вид датчика в разрезе, на фиг. 2 - измерительное устройство датчика.
Датчик давления фундаментной плиты на грунт устанавливается на грунт 1, заливается бетоном фундаментной плиты 2 и содержит жесткий диск 3 с цилиндрическим выступом, внутри которого имеется полость. На этот выступ соосно установлен торцевой поверхностью и жестко соединен с ним (например, сваркой) упругий элемент 4, выполненный также в виде цилиндра и имеющий со стороны этой торцевой поверхности внутреннею полость, в которой по его оси имеется выступ 5. На этой торцевой поверхности также расположен выступ 6, который входит в полость выступа жесткого диска. На второй торцевой поверхности упругого элемента 4 имеется вогнутая сферическая поверхность. В полости 7, образованной упругим элементом 4 и цилиндрическим выступом жесткого диска 3, по их оси расположена опора 8, внутри которой, в свою очередь, расположено измерительное устройство 9.
Опора 8, выполненная в виде полого цилиндра, одним концом со стороны полости соосно жестко, например, сваркой 10, соединена с выступом 6 упругого элемента 4. Вторая торцевая поверхность опоры 8 выполнена в виде усеченного конуса с отверстием по оси для крепления измерительного устройства 9.
Корпус датчика 11 выполнен в виде жесткого цилиндрического диска с центральным выступом, торцевая поверхность которого имеет выпуклую сферическую поверхность, контактирующую с вогнутой сферической поверхностью упругого элемента 4. К корпусу 11 приварен цилиндрический кожух 12. Между корпусом 11 и упругим элементом 4, а также между жестким диском 3 и кожухом 12 установлены герметизирующие кольца 13. Второй конец кожуха 12 прикреплен к жесткому диску 3 винтами 14.
Измерительное устройство 9 выполнено в виде многогранника и содержит не менее трех граней, на каждой из которых располагается струна с электромагнитной системой, а его концы выполнены в виде стержней с резьбой. Одним концом 15 измерительное устройство 9 заворачивается в резьбовое отверстие выступа 5 и закрепляется сваркой, а другим концом 16, входит в отверстие опоры 8 и фиксируется в ней с помощью фигурной гайки 17 соосно с упругим элементом 4. Заворачивая гайку 17, растягивают струны, закрепленные на измерительном устройстве 9, до достижения частотой колебания струн, выбранного максимального значения, а затем фиксируют ее положение к опоре 8 сваркой. Конец 16 измерительного устройства 9 также фиксируют к гайке 17 сваркой. На каждой грани чувствительного элемента располагается струна 18 и электромагнитная система 19. Для обеспечения свободных колебаний струны на поверхности каждой грани под струной имеется углубление. Струна 18 закреплена на концах двумя планками 20, каждая из которых прижимается двумя винтами 21. Электромагнитная система 19 располагается над струной 18 посередине ее длины и содержит катушку индуктивности 22, прижимную планку 23 с двумя отверстиями по краям и одним по середине, две шпильки 24, каждая из которых имеет резьбу с упором с одного конца и внутреннее отверстие с резьбой с другого, стержень 25 из магнитомягкого материала с резьбой, который вворачивается в катушку индуктивности и фиксируется гайкой 26, и два винта 27, закрепляющих электромагнитную систему 19.
По обе стороны от электромагнитной системы 19, с целью снижения прилагаемой силы к измерительному устройству 9 при его упругой деформации на каждой грани выполнены проточки, таким образом, что оставшийся металл образует два полукольца 28. Это позволяет измерительному устройству 9 оставаться в зоне упругой деформации при максимально допустимой перегрузке силы, действующей на датчик.
Датчик работает следующим образом. Датчик устанавливают на грунт и заливают бетоном фундаментной плиты. При давлении фундаментной плиты на грунт происходит деформация упругого элемента, которая прикладывается к измерительному устройству, вызывая изменение частоты колебания струн. Каждая струна с электромагнитной системой измерительного устройства рассматривается как самостоятельный измерительный канал силы с индивидуальной функцией преобразования девиации частоты затухающих собственных свободных колебаний струны в измеряемую силу. Калибровка (поверка) датчика осуществляется на эталонной силовоспроизводящей машине. При этом в функцию преобразования могут быть введены коэффициенты, учитывающие особенности деформации грунта. Сила, измеряемая датчиком давления фундаментной плиты на грунт равна среднему значению силы, измеренной каждой струной и определяется выражением:
Рдатчика=(Р1+Р2+…+Pn)/n, где:
n - число измерительных каналов,
Р1…n - величина давления, измеренная каналом измерения.
Так как измерительное устройство содержит не менее трех измерительных каналов, то в данном датчике может быть применен метод метрологического диагностического самоконтроля, позволяющий при деградационном изменении показаний одного из каналов измерения силы, при этом показания двух других не изменяются, откорректировать его индивидуальную функцию преобразования девиации частоты колебаний струны таким образом, чтобы вернулось прежнее значение измеряемой силы. Это существенно повышает метрологическую надежность устройства измерения силы и увеличивает величину его межповерочного интервала.
С целью повышения точности измерения величины давления на грунт можно использовать различные известные методы усреднения полученных по каждому каналу результатов измерения.