ИЗМЕРИТЕЛЬ ОСЕВЫХ СИЛ В КАНАТНО-ПУЧКОВОЙ АРМАТУРЕ
METER OF AXIAL FORCES IN TENDONS

Техническое решение относится к измерительной технике, в частности к измерениям осевых сил в канатно-пучковой арматуре защитных оболочек ВВЭР АЭС, и может быть использовано для измерения усилий нагружения различных конструкций и определения их массы.
Известно измерительное устройство, измеряющее натяжение пучков канатов. Устройство состоит из двух кольцевых пластин, на одну из которых нанесен диэлектрик, а на диэлектрик - пьезорезисторный материал. Методом толстопленочной технологии на пластине сформировано шесть активных и два пассивных (ненагруженных) пьезорезисторов. Этим же методом сформированы токоведущие цепи и контактные площадки, соединяющие пьезорезисторы в мост Витстоуна или потенциометрическую цепочку (Патент GB 2326719 МПК G01L 1/20, G01L 1/22, G01L 23/18, G01L 5/24. Force sensitive devices/Atkinson J.K., Cranny A.W., Sion R.P. - №19980013171; заявл. 19.06.98).
Недостатком аналога является:
- невысокая точность, т.к. пьезорезисторы измеряют локальное напряжение, а равнодействующая прикладываемого к устройству усилия не стабилизирована;
- достаточно высокий дрейф начальных сопротивлений пьезорезисторов;
- высокое значение температурных коэффициентов сопротивления пьезорезисторов (0,0004-0, 0009) 1/°C.
При больших значениях измеряемых сил измеритель невозможно откалибровать, т.к. в настоящее время силозадающие образцовые машины с пределом измерений более 500 тс отсутствуют. Погрешность измерений силозадающих строительных машин с большим пределом измеряемой силы составляет (5-7%).
Известен способ эксплуатационного контроля натяжения канатно-пучковой арматуры в преднапрягаемых конструкциях и сооружениях (Патент РФ 2315272 МПК G01L 5/10, G01N 29/024. Способ эксплуатационного контроля натяжения канатно-пучковой арматуры в преднапрягаемых конструкциях и сооружениях (Хилков Б.В., Хилков К. В. - №2006119188; заявл. 01.06.2006; опубл. 02.01.2008). Суть предлагаемого способа состоит в установке между верхней плитой анкерного блока и опорной плитой нескольких металлических проставок, имеющих между проставками и опорной плитой акустические развязки. В отверстия верхней плиты вставлены ультразвуковые излучатели, соединенные с измерителем временных сигналов.
Однако с помощью предложенного метода невозможно создать измерительный прибор, который позволял бы проводить проверку во время эксплуатации канатного пучка (ультразвуковой излучатель хранится отдельно и сможет быть установлен только во время проведения профилактических работ). Рассуждения авторов о том, что проставки имеют высокую механическую надежность, несостоятельны, так как они не могут оперативно зафиксировать обрыв отдельных канатов в пучке, на основании которого можно было бы принять решение о безопасной эксплуатации энергетической установки. Следует иметь в виду, что векторы измерения усилий в проставках не стабилизированы. Поэтому в местах контакта верхней плиты и проставок возможно наличие больших значений контактных напряжений и релаксация их во времени.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является измеритель осевых сил в напряженном канате, содержащий верхнюю и нижнюю силопередающие плиты с центральным отверстием для каната, расположенный между ними датчик силы, имеющий верхнюю и нижнюю силовоспринимающие прокладки и электрические соединенные между собой чувствительные элементы и силовыравнивающие поверхности, образованные на участках контакта плиты подкладок (Проспект фирмы TELEMAC. Динамический датчик, тензодатчик CV-8. 1999).
Датчик силы CV-8 представляет собой цилиндр из термообработанной стали, оснащен чувствительными измерительными приборами, которые установлены между концевой канатной муфтой и опорной плитой. Локальные деформации сжатия, вызванные в цилиндре силой натяжения в канате, измеряются восемью равноотстоящими чувствительными с вибрирующими проволочными элементами, расположенными по периферии цилиндра.
Средняя величина показаний напряжений (механических), снятых с восьми чувствительных элементов, представляет собой среднее значение деформации на канате. Кольцеобразные подкладки из мягкой стали на концах датчика деформируются в определенном месте, сохраняя относительно равномерное распределение напряжения между канатной головкой и опорной плитой.
Однако этот измеритель имеет погрешность при измерении силы натяжения каната, обусловленную локальными деформациями силовыравнивающих поверхностей, образованных на участках контакта плит и подкладок. Локальные деформации не отражают полную деформацию силовыравнивающей поверхности. Диапазон измерения силы натяжения армоканатов может быть от сотен до тысяч тонн и выше. Образцовые силозадающие установки на такие диапазоны имеют единичное исполнение и стоят значительно дороже образцовых силозадающих устройств на десятки тонн. Поэтому калибровка силоизмерительных устройств на большие диапазоны измерения, как правило, проводится либо на неполный диапазон измерения (что приводит к увеличению погрешности), либо задающими силу устройствами, имеющими средства измерения с большой погрешностью, например, через измерение давления в гидросистеме.
Также невозможна поверка метрологических характеристик чувствительных элементов датчика силы и, в случае необходимости, их замена после установки на канате, так как установка или снятие датчика возможны только в процессе монтажа или демонтажа каната, что снижает надежность контроля армоканата. Следует иметь в виду, что силовоспринимающие подкладки датчика изготавливают из мягкой стали и используют только один раз. Величина усилия пересчитывается по показаниям манометра домкрата методом “лифт-оф”.
Задачами заявляемого технического решения являются:
- повышение точности измерения осевых сил канатно-пучковой арматуре;
- обеспечение возможности калибровки измерителя на существующем образцовом оборудовании;
- уменьшение габаритно-массовых характеристик;
- увеличение надежности измерителя.
Поставленные задачи решаются тем, что измеритель осевых сил в канатно-пучковой арматуре содержит нижнюю и верхнюю силопередающие плиты с центральным отверстием, между которыми расположено силоизмеряющее устройство с электромагнитной системой. В качестве силоизмеряющего устройства используют несколько автономных струнных динамометров, имеющих корпус и чувствительный элемент в виде пластины с натянутой струной. Струна каждого из динамометров расположена перпендикулярно вектору прилагаемой силы. Каждый из динамометров имеет две сферические поверхности, одна из которых выпуклая и сформирована на шаровой подушке, а другая вогнутая и выполнена в пластине, контактирующей с шаровой подушкой. Пластина с натянутой струной и вогнутой поверхностью опирается на узкий выступ корпуса и жестко соединена с корпусом по внешнему контуру. В корпусе измерителя размещена схемная камера для электромагнитной системы и боковые отверстия с герметичным разъемом.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
- повышение точности достигается тем, что предложенная схема позволяет измерять всю величину осевой силы как сумму сил, измеренных каждым из динамометров, находящихся между двумя силонесущими кольцами. Следует иметь в виду, что диапазон измерения каждого динамометра меньше силы, приложенной к измерителю осевых сил натяжения каната в n раз, где n - число динамометров. В этом случае сумма сил, приложенных к динамометрам, равна силе, приложенной к измерителю осевых сил натяжения каната. При таком техническом решении каждый динамометр может быть откалиброван на образцовой силозадающей машине, которая имеет значительно меньший диапазон задающих сил, что позволит применять образцовые средства измерения сил. Погрешности отдельных динамометров складываются, а предел измерения измерителя осевой силы возрастает во столько же раз.
Поэтому относительная погрешность измерителя осевых сил натяжения в канатно-пучковой арматуре будет не больше среднеарифметической относительных погрешностей откалиброванных динамометров на образцовой силозадающей машине;
- уменьшение габаритно-массовых характеристик достигается тем, что струна расположена на пластине перпендикулярно вектору усилия, прилагаемого к динамометру. Пластина опирается на выступ корпуса и фиксируется сваркой. При таком расположении прикладываемой силы относительно струны значительно сокращаются габариты чувствительного элемента. При параллельном расположении струны и вектора прикладываемой силы приходиться увеличивать длину чувствительного элемента после закрепления струны, чтобы обеспечить равномерность деформации в зоне крепления струны.
Кроме того, уменьшается погрешность динамометра за счет малого значения гистерезиса градуировочной характеристики (величина трения в опоре пластины минимальна) и соответственно может быть увеличен диапазон перегрузки без увеличения погрешности.
Испытания динамометров на силозадающей машине показали, что они выдерживают перегрузку усилием в 1,5 раза без потери точности;
- надежность предлагаемой конструкции возрастет по следующим причинам:
1. все динамометры имеют большой запас метрологической надежности (1,5);
2. динамометры расположены между пластинами симметрично и работают параллельно;
3. для дополнительного выравнивания распределения нагрузки между динамометрами по известному техническому решению одно из колец выполнено более пластичным;
4. возможна поверка метрологических характеристик чувствительных элементов датчика (динамометра) в случае необходимости их замены.
Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурами.
На фиг.1 представлен общий вид измерителя осевых сил;
На фиг.2 представлен чувствительный элемент динамометра;
На фиг.3 представлен общий вид динамометра;
На фиг.4 представлена установка датчика в условиях эксплуатации.
Измеритель осевых сил в канатно-пучковой арматуре содержит верхнее (1) и нижнее (2) кольца, выполненные со ступенчатыми отверстиями, расположенными по среднему диаметру колец симметрично центра окружностей колец. Технологические винты (3) фиксируют динамометры (4) между верхним и нижним кольцами. Каждый из динамометров состоит из шаровой подушки (5), выполненной в виде цилиндра с двумя параллельными одинаковыми лысками на цилиндрической поверхности или без лысок. На одной из торцевых поверхностей подушки сформирована сферическая поверхность. Шаровая подушка контактирует с вогнутой сферической поверхностью пластины (6), вертикальная проекция пластины совпадает с вертикальной проекцией шаровой подушки. Такая конструкция позволяет снизить погрешность при отклонении вектора сил относительно поверхности колец.
На противоположной торцевой поверхности пластины выполнен паз (7) для размещения струны (8). Струна натянута и закреплена двумя планками (9) и четырьмя винтами (10) с двух концов паза. Над струной размещена электромагнитная система (11), состоящая из катушки индуктивности (12), двух шайб (13) по одной с каждой стороны паза под струну, двух втулок (14), планки (15) с тремя отверстиями, двух шпилек (16) резьбового стержня магнитного материала (17), одной гайки (18) и двух контргаек (19).
Вертикальная проекция корпуса (20) соответствует вертикальной проекции шаровой подушки и пластины. Корпус имеет неширокий выступ (21) по периметру торцевой поверхности, образованной проточкой (22). Ширина выступа определяется величиной допустимых контактных напряжений материалов корпуса и пластины. Корпус имеет проточку (23) для размещения струны и планок ее крепления. Схемная камера (24) служит для размещения электромагнитной системы. Схемная камера для размещения электромагнитной катушки соединена ступенчатым боковым отверстием (25) с внешней поверхностью корпуса для установки герметичного разъема (26). Корпус пластины соединен сварным швом (27). Пластина и шаровая подушка зафиксированы обечайкой 28.
Измеритель осевых сил в канатно-пучковой арматуре работает следующим образом.
изм
i
i
Измеритель (1, 2, 4) устанавливают на опорную плиту (29), которая вмонтирована в защитную оболочку (30) реакторной установки. В каналах защитной оболочки протянуты арматурные пучки, состоящие из канатов (31). На измеритель последовательно надевают вернее кольцо (32), анкерную шайбу (33) крепления канатов в пучке, на которые надеты конусные разъемные цанги (34). Концы канатов заправляют в домкрат, поршень которого упирается в анкерную шайбу, и натягивают канат до требуемого значения. После натяжения пучка цанги зачеканивают и домкрат снимают. На свободные концы канатов надевают защитный кожух (35) и заполняют герметиком (36). Герметик заполняют и в каналы защитной оболочки реактора. Усилие F нагружает динамометры измерителя силами F. Распределение сил F между динамометрами может быть неравномерным, но всюду таково, что векторы этих сил стабилизированы и направлены параллельно силе всего пучка. Измеренная сила равна сумме сил, измеренных каждым динамометром.
Где n - число динамометров, установленных в измерителе осевой силы канатно-пучковой арматуры.
Техническое решение позволяет повысить точность измерения осевых сил натянутого каната, проводить калибровку отдельных динамометров более точными средствами калибровки, уменьшить габаритно-массовые характеристики измерителя и повысить его надежность.