ТЕНЗОМЕТР Российский патент 2013 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для продолжительных измерений напряженно-деформированного состояния морских ледостойких сооружений.

Известно устройство для измерения деформации конструкций преимущественно на месте их эксплуатации - датчик тензорезистивного типа [1]. Датчик содержит один или несколько тензорезисторов, эластичное покрытие, защищающее тензорезисторы от внешнего воздействия, и коммутационную плату. Устройство характеризуется тем, что все три компонента датчика соединены клеевым способом в единую трехслойную конструкцию. Недостатком датчика, препятствующим его использованию для длительной эксплуатации в течение нескольких лет в жестких климатических условиях, является недостаточная стабильность метрологических характеристик вследствие неустойчивости клеевых соединений к морской среде.

Известно также многочисленное семейство датчиков давления, силы и перемещений емкостного типа, обладающих более высокой чувствительностью и стабильностью характеристик по сравнению с тензорезистивными датчиками. Так, например, известен дифференциальный емкостной датчик угловых и линейных перемещений, содержащий два неподвижных электрода и один подвижный, расположенный между ними [2]. Для преобразования электрической емкости в выходной сигнал используется электронная схема, содержащая в своем составе питающий синусоидальный генератор переменного тока, усилитель дифференциального сигнала и фазовый детектор. Недостатком этого датчика является использование лампы накаливания для стабилизации амплитуды питающего генератора. Такое техническое решение ограничивает рабочий ресурс датчика сроком службы лампы накаливания, а также увеличивает энергопотребление.

Известен также емкостной датчик силы, содержащий преобразователь перемещения с двумя электродами и защитным кольцом, подключенными к электронному блоку с операционным усилителем и компаратором напряжения [3]. Датчик отличается тем, что в него введен термозависимый делитель напряжения, а емкостной преобразователь выполнен недифференциальным с электродами разных диаметров.

Недостатком данного датчика является дополнительная погрешность и нелинейность преобразования, вносимая нелинейной характеристикой терморезистора, на базе которого построен термозависмый делитель напряжения.

Близким аналогом заявляемой конструкции тензометра является датчик усилия емкостного типа [4]. Датчик состоит из корпуса, внутри которого размещены подвижный шток и два магнита с нанесенными на них электродами емкостного преобразователя перемещения. Корпус датчика выполнен из диэлектрического и немагнитного материала. Подвижный магнит с нанесенными на нем электродами может перемещаться при воздействии измеряемого усилия на шток. Электронная схема датчика содержит генератор переменного тока, два выпрямителя, усилитель и сумматор двух дифференциальных сигналов. Недостатком данной конструкции является применение постоянных магнитов, что влечет за собой необходимость применения диэлектрического немагнитного корпуса, конструктивно несовместимого по электрохимическому потенциалу со стальной конструкцией морской ледостойкой платформы. Магниты развивают ограниченное усилие по перемещению электродов емкостного преобразователя, что не позволяет применить относительно тугое герметизирующее уплотнение подвижного штока. Датчик данной конструкции не имеет регулировки положения подвижного штока, позволяющего контролировать его метрологические характеристики на месте эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности признаков является тензодатчик, содержащий преобразователь линейных перемещений емкостного типа [5]. Чувствительные элементы тензодатчика емкостного типа установлены каждый на отдельной платформе, снабженной линейными или точечными опорами со стороны деформируемой поверхности. Подвижные платформы прижимаются к исследуемой поверхности на расстоянии базы измерений с помощью грузов или магнитов. Недостатками данного технического решения, с точки зрения поставленной задачи, является отсутствие защиты преобразователя линейных перемещений от влияния внешней среды, а также недостаточная жесткость закрепления подвижных опор на поверхности исследуемого объекта грузами или магнитами.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции тензометра с высокой эксплуатационной надежностью, свободного от недостатков аналогов и прототипа и пригодного для длительного многолетнего мониторинга напряженно-деформированного состояния ледостойких морских нефтегазовых сооружений.

Указанная цель достигается тем, что тензометр на основе преобразователя линейных перемещений емкостного типа выполнен в виде герметизированного цилиндрического корпуса с выдвижным штоком. Корпус и выдвижной шток крепятся к жестким опорам объекта. Внутри корпуса размещены емкостной первичный преобразователь и вторичный измерительный преобразователь, осуществляющий преобразование электрической емкости в цифровой код. Взаимно подвижные электроды первичного преобразователя закреплены один на корпусе преобразователя, а второй на выдвижном штоке. Вторичный преобразователь выполнен в виде генератора переменного тока, питающего первичный емкостной преобразователь, усилителя сигнала от первичного преобразователя, фазо-чувствительного детектора (ФЧД), выпрямляющего усиленный сигнал, выход ФЧД подключен к аналого-цифровому преобразователю, сопряженному с интерфейсным блоком, формирующему цифровой код. Все перечисленные элементы соединены между собой согласно схеме Фиг.2.

Тензометр также характеризуется тем, что выдвижной шток снабжен скользящим радиальным уплотнением и хвостовиком с микрометрической резьбой и навинченными на резьбу двумя стопорными гайками, на одной из которых нанесена нониусная шкала.

Преимущество предлагаемого устройства, позволяющего устранить недостатки аналогов и прототипа, заключается в совокупности отличительных признаков и прежде всего в том, что вторичный измерительный преобразователь выдает результат измерения в цифровом коде стандартного формата. Это позволяет исключить влияние помех и передавать данные по кабельной линии связи на большое расстояние без искажений и использовать тензометр в составе цифровой информационно-измерительной системы.

Герметичное уплотнение выдвижного штока, а также корпуса и кабельного ввода повышает эксплуатационную надежность и обеспечивает защиту устройства от влияющих факторов внешней среды, в том числе при работе под водой.

Другим важным преимуществом тензометра является возможность подстройки и метрологического контроля на месте эксплуатации благодаря исполнению выдвижного штока с резьбовым хвостовиком и микрометрической резьбой. Две стопорные гайки, навинченные на хвостовик, одна из которых имеет нониусную шкалу, позволяют точно перемещать шток на заданную величину относительно жесткой опоры и тем самым при монтаже на объект устанавливать первичное положение нуля и контролировать чувствительность в процессе эксплуатации.

Тензометр имеет болтовое разъемное крепление к двум жестко приваренным опорам, что облегчает его техническое обслуживание и доступ для ремонта в течение длительного срока эксплуатации.

Конструкция тензометра в схематическом виде приведена на Фиг.1. В состав конструкции входят герметизированный цилиндрический корпус 1, закрепленный болтами к жесткой опоре 2. На левом торце корпуса установлен кабельный токоввод 3 с типовым сальниковым уплотнением. Внутри корпуса размещен первичный преобразователь линейных перемещений емкостного типа в виде двух дисковых электродов 4 и 5. Электрод 4 жестко связан с корпусом, а электрод 5 с выдвижным штоком 6. Выдвижной шток 6 имеет скользящее герметизирующее уплотнение с левой стороны, и резьбовой хвостовик 7 с микрометрической резьбой с правой стороны. На хвостовик навинчены две стопорные гайки 8 и 9, одна из которых имеет нониусную шкалу по ее периметру. Гайки осуществляют крепление подвижного штока к правой жесткой опоре 10. Внутри цилиндрического корпуса размещен также вторичный измерительный преобразователь 11, смонтированный на печатной плате.

Функциональная схема вторичного измерительного преобразователя приведена на Фиг.2. В состав функциональной схемы входят генератор переменного тока 12, питающий первичный преобразователь линейных перемещений 13, усилитель сигнала 14, поступающего от первичного преобразователя, фазо-чувствительный выпрямитель 15, аналого-цифровой преобразователь 16, интерфейсный блок 17.

Работа тензометра происходит в следующей последовательности. Тензометр с помощью двух болтов и стопорных гаек крепится к двум жестко приваренным опорам, установленным на объекте на расстоянии измерительной базы. По кабельной линии подается питающее напряжение и тензометр начинает измерять деформацию объекта между опорами. Выходное напряжение тензометра в аналоговой форме может измеряться тестером на отдельной жиле кабеля с целью контроля и начальной установки. Установка выходного напряжения в нулевую точку шкалы производится перемещением выдвижного штока с помощью стопорных гаек 8 и 9, используя нониусную шкалу.

При деформации контролируемого объекта (растяжение или сжатие) изменяется расстояние между жесткими опорами 2 и 13 и соответственно изменяется зазор между электродами 4 и 5 емкостного преобразователя линейных перемещений. При изменении зазора между электродами изменяется их электрическая емкость, которая с помощью вторичного измерительного преобразователя 11 сначала преобразуется в пропорциональный электрический сигнал постоянного тока, а затем в цифровой код стандартного формата последовательного интерфейса RS485. Цифровой код передается по кабельной линии в компьютер цифровой информационно-измерительной системы. Аналоговый выход по напряжению также используется для контроля или для спектрального анализа вибраций объекта. Для контроля стабильности метрологических характеристик тензометра периодически осуществляют проверку стабильности точки нуля и чувствительности. Для этого ослабляют стопорные гайки 8 и 9 и производят перемещения выдвижного штока вправо и влево на заданную величину нониусной гайкой. Контролируют выходное напряжение тензометра в аналоговой и цифровой форме по величине заданных перемещений. При необходимости тензометр демонтируют для ремонта и поверки в лабораторных условиях.

Испытания экспериментального образца тензометра подтвердили ожидаемые характеристики в части чувствительности, стабильности, устойчивости к влиянию внешних факторов и электромагнитной совместимости.

Литература 1. RU 2393425 С1, МПК Способ определения температуры и G01B 7/16, 06.05.2009 г. деформации детали 2. http://imlab.ru/Electron/c_Sensor/c Дифференциальный емкостной датчик угловых к линейных перемещений 3. RU 2065588, МПК G01L 1/14, Емкостный датчик силы 20.08.1996 г.   4. RU 2193762, МПК G01L 1/00, Датчик усилия 23.02.2001 г.   5. RU 2343401 С1, МПК G01B 7/16, Тензодатчик (прототип) 30.07.2007 г.   6. RU 2147119 С1, МПК G01L 009/12, Датчик давления 27.03.2000 г.  

Использование: для длительного мониторинга механических напряжений и деформаций в морских ледостойких сооружениях. Сущность: тензометр выполнен в виде герметизированного цилиндрического корпуса с выдвижным штоком. Внутри корпуса размещен емкостной первичный преобразователь, один электрод которого закреплен на корпусе, а второй на выдвижном штоке. Внутри корпуса установлен вторичный измерительный преобразователь, осуществляющий преобразование электрической емкости в цифровой код. Выдвижной шток преобразователя снабжен скользящим радиальным уплотнением и хвостовиком с микрометрической резьбой и двумя стопорными гайками, на одной из которых нанесена нониусная шкала. Технический результат: устранение влияния помех, возможность передачи данных по кабельной линии связи на большое расстояние без искажений, повышение эксплуатационной надежности, возможность подстройки и осуществления метрологического контроля тензометра на месте эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тензометр для измерения деформации объекта на базе между двумя жесткими опорами, содержащий емкостный первичный преобразователь из двух взаимно перемещающихся электродов и вторичный цифровой преобразователь электрической емкости, отличающийся тем, что тензометр выполнен в виде закрепленного на одной опоре герметизированного цилиндрического корпуса с кабельным вводом на одном торце и выдвижным штоком на другом торце, сопряженным со второй опорой, с размещенными первичным и вторичным преобразователями внутри герметизированного корпуса, при этом электроды первичного преобразователя закреплены соответственно на корпусе и выдвижном штоке тензометра, а вторичный преобразователь выполнен в виде генератора переменного тока, подключенного к первичному преобразователю и к управляющему входу фазо-чувствительного детектора (ФЧД), усилителя выходного сигнала первичного преобразователя, подключенного к сигнальному входу фазо-чувствительного детектора (ФЧД), выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, сопряженному с интерфейсным блоком формирования цифрового кода.

2. Тензометр по п.1, отличающийся тем, что выдвижной шток снабжен скользящим радиальным уплотнением и хвостовиком с микрометрической резьбой и навинченными на резьбу двумя стопорными гайками, одна из которых снабжена нониусной шкалой, нанесенной по периметру гайки.