Датчик порового давления Советский патент 1993 года по МПК E02D1/00 

I Фиг.

между наконечником иронической шайбой. Поршень и цилиндр установлены с возможностью взаимодействия и сооснос наконечником, а цилиндр сообщается с фильтром. Полость между поршнем, цилиндром и входным отверстием преобразователя давления, а также фильтр заполнены жидкостью, При внедрении датчика в грунт поровая вода контактирует с жидкостью в фильтре. Давление поровой воды пёр едаёт- ся через жидкость к входному отверстию

преобразователя давления, который формирует электрический сигнал, соответствующий давлению поровой воды. Поршень и цилиндр используются для оперативной прочистки фильтра при частичной разборке датчика. В процессе навинчивания наконечника поршень вытесняет за пределы датчика избыток жидкости из цилиндра через фильтр вместе с частицами грунта, проникшими в фильтр во время эксплуатации датчика, 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройствам для определения физико-механических свойств грунтов при инженерно-геологических изысканиях в строительстве. Датчик предназначен для использования в составе зондов статического зондирования грунтов, а также для оснащения других устройств, применяемых гдля измерения давления поровой воды, „ - ;v vv v - у -: ; -:

Известен датчик порогового давления, содержащий корпус, фильтр/сообщённый с измерителем давлений в виде капилляра, запОлйедйЯ(5го Маслом 1.;

Известно устройство для определения физико-механических свойств грунта, содержащее в своем составе полый корпус, датчик перового давления, фильтр из пористого материала и дренажные отверстия в полом корпусе 2.

Наиболее близким к изобретению является датчик перового давления из состава пенетрометра. Датчик порового давления содержит наконечник с конусом, фильтр, и преобразователь давления в электрический сигнал мембранного типа 3.

Недостатками устройства при более совершенной конструкции, чем известные, являются сложная технология изготовления фильтра из пористого материала (керамика) со сквозными микроотверстиями определенного диаметра, его низкая механическая прочность, необходимость частой замены фильтра из-за засорения микрочастицами грунта, снижающая производительность работ.

Цель изобретения - повышение надежности датчика, упрощение его конструкции и увеличение производительности измерений.

Цель достигается тем, что датчик порового давления, содержащий наконечник с конусом, фильтр, расположенный заподлицо с поверхностью датчика, преобразователь давления и полость у входа преобразователя давления, сообщенную с фильтром, а полость и сам фильтр заполнены жидкостью, причем полость образована цилиндрической боковой поверхностью, согласно изобретению, снабжен поршнем с уплотни- тельной манжетой, а фильтр выполнен в виде по крайней мере одной щели, при этом

поршень установлен в полости у входа преобразователя давления с возможностью взаимодействия с ее цилиндрической поверхностью через уплотнительную манжету, а его торцевая поверхность

ограничивает объем полости, кроме того, щель фильтра может быть образована по окружности датчика, причем датчик снабжен фольговой шайбой, примыкающей к торцевой поверхности наконечника со стороны конуса, а диаметр фольговой шайбы меньше диаметра наконечника, также датчик снабжен конической шайбой, установленной между фольговой шайбой и конусом, и стопором, закрепленным на наконечнике,

а фольговая шайба выполнена с радиальными выступами, достигающими диаметра на- конечника, при этом фольговая и коническая шайбы имеют отверстие под стопор и, кроме того, щель фильтра может

быть выполнена по образующей боковой поверхности датчика параллельно его оси.

На фиг. 1 дан общий вид датчика порового давления; на фиг. 2 - сечение датчика; на фиг. 3 представлен другой пример выполнения датчика; на фиг. 4 и фиг. 5 - его сечения,

В корпусе 1 датчика порового давления (фиг, 1) закреплен преобразователь 2 давления в электрический сигнал, Наконечник 3

привинчен к корпусу 1. Наконечник 3 снабжен каналами 4, диаметр и количество которых существенного значения не имеют (на

i ..

фиг. 2 показано три канала). Каналы 4 пред- н|эзначены для гидравлического сообщения видного отверстия 5 (входа) преобразователя 2 давления с фильтром. Фильтр выпол;н в виде щели 6 по поверхности датчика, н з фиг. 1 и фиг. 2 - по окружности датчика, н з фиг. 3, 4, 5 - параллельно оси датчика. Щель б образована посредством фольговой наибы 7, зажатой между наконечником 3 и конической шайбой 8 (фиг. 1). Прижим обес- чивается навинчиванием конуса 9 на винт 10, который является продолжением наконечника 3, Таким образом, высота щели б р.шна толщине фольговой шайбы 7 и состав- лмет порядка 0,003 - 0,005 мм. Щель 6 явля- е- ся фильтром в заявленном датчике: малая висота щели 6 препятствует проникновению в датчик микрочастиц грунта, размеры которых обычно больше, чаще диаметр частиц грунта составляет сотые доли миллимет- и более. На фиг. 1 для наглядности висота щели 6 показана многократно больш

е ее фактического значения.

Фольговая шайба 7 может быть снабжена тремя или более радиальными выступа- м 1 11 (фиг. 2), расположенными в ее

оскости равномерно по окружности. Выступы исключают перекос щели б, дополни-, п льно способствуя устойчивости датчика порового давления .к большим вертикальным и изгибающим нагрузкам. Таким обра- аом, обеспечивается его высокая механическая прочность. Выступы 11 достигают наружного диаметра наконечника 3 в м сте установки фольговой шайбы 7 или могу г быть несколько меньше этого диаметра. К; налы 4 выходят в щель б м ежду выступа- м 111 фольговой шайбы 6. Соответствующее положение фольговой шайбы 7 относитель- н каналов 4 в наконечнике 3 обеспечивает- С5 стопором 12, установленным на нг конечнике. 3. Фольговая шайба 7 имеет ответное отверстие 13 под стопор. Кониче- с ая шайба 8 также снабжена отверстием 14 пс д стопор. Таким образом, при навинчива- Hi и конуса 9 на винт 10 исключается взаим- нь и проворот фольговой шайбы 7, конической шайбы 8 и наконечника 3, что необходимо для обеспечения сохранности фольговой шайбы 7, содержащей выступы 11, при сборке датчика. Возможное выполни ние фольговой шайбы 7 без выступов уп- рсщает конструкцию датчика, из которого могут быть исключены коническая шайба 8

ггопор 12.

Верхняя часть наконечника 3 со стороны входного отверстия 5 преобразователя 2

вления выполнена (фиг. 1) в виде поршня 1Е, снабженного уплотнительной манжетой 16. Поршень 15 имеет возможность взаимодействия с цилиндром 17, установленным вблизи входного отверстия 5 преобразователя 2 соосно с поршнем 15 и наконечником 3. При завинчивании наконечника 3 в корпус

1, в котором предварительно установлен цилиндр 17, поршень 15 постепенно входит в

цилиндр 17, что обеспечивается соосной установкой поршня, цилиндра и наконечника. В представленном варианте исполнения

0 (фиг. 1, 2) датчика цилиндр 17 снабжен наружной резьбой для крепления в корпусе 1

и используется одновременно для прижима преобразователя 2 к корпусу 1 через герметизирующую прокладку 18. Таким образом

5 герметизирована полость, образованная внутри цилиндра 17 между поршнем 15 и входным отверстием 5 преобразователя 2. Каналы 4 используются для сообщения с фильтром (щелью 6) как входного отверстия

0 5 преобразователя 2, так и цилиндра 17. Эта герметизированная полость вместе с каналами 4 и щелью 6 заполнена жидкостью, например глицерином. Наружное давление (атмосферное - при хранении датчика, поро5 вое - в процессе эксплуатации) и капилляр- ные силы сцепления жидкости со стенками щели 6 препятствуют вытеканию жидкости . из щели 6.

Преобразователь 2 давления связан

0 усилителем и. наземным регистратором посредством кабеля 19. Усилитель электрических сигналов может быть .размещен в верхней части корпуса 1 (на фиг. 1 не показан). В качестве преобразователя 2 может

5 быть применен, мембранный тензопреоб- разовател ь давления Д-2,5 или другого типа. Муфта 20 трения, показанная на фиг. 1, относится к элементам зонда статического зондирования грунтов и в работе заявлен0 ного датчика не участвует. Нижняя часть зонда независимо от его конструкции может быть оснащена датчиком порового давления для одновременного измерения порового давления в процессе статического

5 зондирования грунтов. Отметим, что комплекс оборудования для статического зондирования включает зонд, регистратор, наращиваемую колонну штанг и наземную буровую установку. Последний осуществля0 ется задавливание зонда в грунт вместе с

заявленным датчиком порового давления.

Возможны и измерения только порового

. давления. Для этого верхняя часть корпуса

1 оснащается резьбой для стыковки с колон5 ной штанг, а муфта 20 трения исключается. На фиг. 3, 4 и 5 представлен пример выполнения датчика порового давления, в котором щель 6 выполнена в виде прорези (дисковой фрезой) в наконечнике 3 параллельно его оси и затем уменьшена до нужного размера посредством винтов 21, стяги-, вающих прорезь. Фольговые прокладки 22 ограничивают пределы стягивания, формируя размер щели (фиг. 4, 5), Окончательная обработка внутренней цилиндрической поверхности наконечника 3, взаимодействующей с поршнем 15, выполняется после операции стягивания щели.

Датчик работает следующим образом.

При погружении датчика в грунт возникает давление воды, содержащейся в порах грунта. Поровая вода контактирует с жидкостью (глицерином), которой заполнена щель 6. Давление поровой воды передается к входному отверстию .5 преобразователя 2 давления через жидкость, находящуюся в щели б, каналах 4 и в полости цилиндра 17. Электрический сигнал, соответствующий :давлению поровой воды, формируется преобразователем 2 давления и через кабель 19 поступает на.усилитель, далее - регистратор. Фильтр, образованный щелью 6, препятствует проникновению внутрь датчика частиц грунта, которым могут вызвать засорение фильтра 6.

В .процессе эксплуатации датчика, несмотря на щель 6, которая по высоте меньше геометрических.размеров преобладающего количества частиц грунта, все же происходит засорение фильтра (щели 6) отдельными микрочастицами грунта. Микрочастицы вдавливаются в фильтр при принудительном (обычно с усилием до 8-15 тонн) внедрении датчика в грунт в естественном залегании (без предварительной проходки скважины). Микрочастицы грунта, которые постепенно накапливаются в датчике, должны быть удалены. Для оперативной прочистки щели 6 без полной разборки датчика используется поршень 15 и цилиндр 17. Для прочистки датчика корпус 1 устанавливают вертикально датчиком вверх (фиг, 1). Из корпуса. 1 вывинчивают наконечник 3 в сборе (вместе с конусом 9, фольговой шайбой 7 и конической шайбой 8). Вовнутрь цилиндра 17 доливают жидкость, затем наконечник 3 (вместе с установленными на нем элементами) завинчивают обратно. По мере завинчивания наконечника 3 поршень 15 входит в цилиндр 17, выдавливая избыток жидкости через каналы 4 и щель б вместе с микрочастицами грунта, попавшими внутрь датчика в процессе его эксплуатации. Прочистка варианта датчика по фиг. 3-5 производится аналогично, но путём завинчивания конуса

.

Операция прочистки, восстанавливающая работоспособность датчика, длится несколько минут. При этом замена или разборка фильтра не требуется. Очевидно,

что поршень 15 с цилиндром 17 могут быть установлены и в прототипе для самостоятельного их использования - без остальных элементов заявленного датчика, перечисленных в отличительной части формулы.

Фильтр, образованный щелью в корпусе датчика, вместе с конструктивными элементами, составляющими фильтр, также может быть использован самостоятельно,

без системы прочистки, содержащей поршень с цилиндром.

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию датчика за счет замены керамического фильтра простыми металлическими деталями: фольговой шайбой, конической шайбой и стопором, Керамический фильтр прототипа, содержащий сквозные микроотверстия определенного размера, требует относительно сложной

технологии изготовления; повысить механическую прочность датчика, соответственно и надежность его эксплуатации в условиях высоких силовых нагрузок также за счет замены керамического фильтра металлическими деталями; повысить производительность работ и снизить стоимость эксплуатации датчика за счет быстрого восстановления его работоспособности путем прочистки и исключения необходимости замены фильтра.

Формулаизобретения

датчика, преобразователь давления и полость у входа преобразователя давления, сообщенную с фильтром, а полость и фильтр заполнены жидкостью, причем полость образована цилиндрической боковой поверхйостью, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности датчика, упг рбщения его конструкции и увеличения про- изводительности процесса измерений, датчик снабжен поршнем с уплотнительной

манжетой, а фильтр выполнен в виде по крайней мере одной щели, при этом поршень установлен в полости у входа преобра- зователя давления с возможностью взаимодействия с ее цилиндрической поверхностью через уплотнительную манжету, а его торцевая поверхность ограничивает объем полости.

Рздактор Т.Орловская

Составитель Ю.Авётикян Техред М.Моргентал

каз 172

Тираж

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

этом фольговая и коническая шайбы имеют отверстия под стопор.

Корректор Л.Ливринц

Подписное