ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ПЕСЧАНОГО ГРУНТА Российский патент 1996 года по МПК G01L7/00 G01L9/04 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления в сыпучих средах, преимущественно в песке.

Известен датчик для измерения давлений в сыпучих материалах с помощью тензорезисторов, у которого согласование деформационных свойств с измеряемой средой осуществляется путем соответствующего подбора материала и числа канавок в корпусе (см. патент США N 4092856, кл. 73/141A, опубл. 6.06.78) [1]
К недостаткам этого датчика относится то, что он обладает низкой чувствительностью, так как тензорезисторы устанавливаются на кольцевых выступах, деформация которых мала. Согласно описанию патента датчик измеряет давление в диапазоне килобар (1 бар 1,02 кгс/см²), для измерения же меньших давлений этот датчик не пригоден.

Известен также прибор для измерения напряжений в массиве грунта, выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, жесткий диск с опорами и измерительные приспособления, выполненные в виде балочки (см. а.с. N 212584) [2]
Недостатком этого прибора является то, что различие в модулях деформируемости прибора E_п и окружающей среды E_г приводит к увеличению давления на прибор, если E_п > E_г, или к уменьшению при E_п < E_г.

Увеличение давления при E_п > E_г объясняется тем, что под влиянием давления окружающая среда сжимается, деформация датчика, обладающего меньшей сжимаемостью, отстает от деформации среды. Датчик как бы выступает, возвышается относительно проведенной в окружающей среде условной плоскости, которая до нагрузки совпадала с верхней контактной поверхностью датчика. На эту выступающую поверхность передается большее давление, чем на окружающую датчик среду.

При E_п < E_г, т.е. при применении датчиков со сравнительно гибкой мембраной, уменьшение давления объясняется тем, что под давлением мембрана прогибается сильнее, чем окружающая среда (арочный эффект).

Невозможность точно оценить, а затем и полностью исключить из результатов измерений получаемую систематическую погрешность приводит к тому, что измеренные данные остаются искаженными неучтенной и вследствие этого неисключенной частью методической погрешности. Поэтому для уменьшения ошибки измерения упругие свойства датчика должны всемерно приближаться к деформационным свойствам замещенного им грунта.

Поскольку сделать универсальный датчик (на все случаи жизни) сложно, целесообразно сделать деформационные характеристики датчика индентичными деформационным характеристикам среды, наиболее часто встречающейся в практике измерений. Как правило, в качестве такой среды используется сухой песок.

На фиг. 1 приведено изменение модуля деформации песка, заимствованного из опытов Г. Е. Лазебника (см. Методика определения в массиве грунта при опытах в лабораторных и в натуральных условиях. Отчет НИИ строительных конструкций Госстроя СССР, N гос. рег. 70027561, 1969, с. 24). Как видно из кривой, деформационные характеристики среды имеют два участка с деформациями λ₁ и λ₂, их соотношение составляет λ₂/λ₁ = 2,8. Такого же изменения характеристик датчика можно добиться, если применить в качестве преобразователя упругий элемент с переменной деформативностью (жесткостью).

Цель изобретения повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик, имеющий корпус, жесткий диск с опорами и измерительные балочки, введен упругий элемент в виде двух тарельчатых пружин, соединенных вместе своими меньшими основаниями, пружины расположены по оси симметрии корпуса между двумя измерительными балочками, первая пружина контактирует с дном корпуса, а вторая пружина с жестким диском, при этом деформации пружин выбраны из соотношения:
λ₂/λ₁ = 2,8,
где λ₁- деформация первой пружины;
λ₂- деформация второй пружины.

На фиг.2 показан общий вид датчика в разрезе.

Датчик включает в себя цилиндрический корпус 1 с дном, жесткий диск 2 с опорами 3. Между двумя измерительными балочками 4 по оси симметрии корпуса расположен упругий элемент 5, выполненный в виде двух тарельчатых пружин, соединенных вместе своими меньшими основаниями. Первая пружина контактирует с дном корпуса, а вторая с жестким диском. На измерительные балочки 4 наклеены тензорезисторы 6.

Датчик работает следующим образом. Регистрирующим прибором снимают нулевой отсчет, после чего устанавливают датчик в песчаный грунт. Жесткий диск, воспринимающий нагрузку, изгибает измерительные балочки, тем самым изменяя сопротивление тензорезисторов. Давление датчика определяется по градуировочной кривой.

Использование упругого элемента, имеющего такие же деформационные характеристики, что и окружающая среда, позволяет свести к минимуму методические погрешности измерения, в результате чего увеличиваются точность и достоверность измерения.

Использование: в измерительной технике для измерения давления в сыпучих средах, преимущественно в песке. Сущность изобретения: датчик содержит цилиндрический корпус 1 с дном, внутри которого установлены измерительные балочки 4 с тензорезисторами 6 и жесткий диск 2 с опорами 3, контактирующими с измерительными балочками. Введение упругого элемента 5, выполненного в виде двух тарельчатых пружин, соединенных вместе своими меньшими основаниями, повышает точность измерений. Деформации пружин выбраны из соотношения λ₂/λ₁ = 2,8,, где λ₁- деформация первой пружины, контактирующей с дном, длина волны 2, λ₂- деформация второй пружины, контактирующей с жестким диском. 2 ил.

Датчик давления песчаного грунта, содержащий цилиндрический корпус с дном, внутри которого установлены измерительные балочки с тензорезисторами и жесткий диск с опорами, контактирующими с измерительными балочками, отличающийся тем, что в него введен упругий элемент, выполненный в виде двух тарельчатых пружин, соединенных вместе своими меньшими основаниями, пружины расположены по оси симметрии корпуса между двумя измерительными балочками, первая пружина контактирует с дном корпуса, а вторая пружина с жестким диском, при этом деформации пружин выбраны из соотношения

где λ₁- деформация первой пружины;
λ₂- деформация второй пружины.