УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА Советский патент 2006 года по МПК G01C9/18 

Предлагаемое изобретение относится к области приборостроения, а именно, к приборам для измерения углов наклона сооружений или грунта при воздействии возмущений, вызываемых взрывом или землетрясением.

Изобретение является усовершенствованием известного устройства для определения угла наклона по авт. св. №792074 от 1.9.80 г кл. G 01 C 9/18, которое в настоящее время используется для измерения угла наклона сооружений или грунта в условиях воздействия сейсмовзрывных волн от мощных взрывов.

Это устройство имеет герметичный корпус, внутренняя полость которого заполнена жидкостью, поплавок, полностью погруженный в жидкость, подвеску поплавка и систему для дистанционного съема информации. Поплавок выполнен в виде пустотелого конуса, вершина которого связана с основанием корпуса при помощи двухстепенного шарнира, а в верхней части укреплена крестовина, стержни которой выполнены из ферромагнитного материала и входят в осевые отверстия катушек индуктивного преобразователя, расположенных в корпусе. Для соответствия объемных весов измерительного прибора и грунта, в котором он установлен, поплавок выполнен пустотелым по всей длине из прочного устойчивого к намоканию материала.

Устройство обеспечивает съем информации об углах и направлении наклона до ±40' в частотном диапазоне от 0,5 до 1,2 Гц, устойчиво к вертикальным перегрузкам до 20 g, с пороговой чувствительностью 1'.

Основным недостатком устройства, выполненного на этом принципе, является его недостаточная устойчивость к большим вертикальным перегрузкам. При ядерных или крупномасштабных взрывах ВВ, моделирующих параметры ядерного взрыва в ближней зоне, где ΔР_ф˜200 кгс/см², вертикальные перегрузки достигают величины 150-200 g. При использовании этого устройства для съема информации в ближней зоне двухстепенной подвес разрушается, и устройство выходит из строя. Если применить в двухстепенном подвесе подшипники большего размера, то устройство будет выдерживать вертикальные перегрузки до 40 g, но пороговая чувствительность его при этом снизится до 2'.

Целью предлагаемого дополнительного изобретения является повышение устойчивости устройства к вертикальным перегрузкам, а также повышение его пороговой чувствительности и расширение частотного диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в конструкции устройства используется балансир, который жестко крепится к нижней части поплавка ниже двухстепенного подвеса таким образом, чтобы его ось симметрии совпадала с осью симметрии поплавка. Масса и объем балансира выбираются таким образом, чтобы при воздействии на устройство вертикальных перегрузок равнодействующая сила, действующая на двухстепенной подвес, равнялась нулю:

m₁a-V₁ρa+m₂a-V₂ρa=0

или

m₁-V₁ρ+m₂-V₂ρ=0,

где

m₁ - масса поплавка;

V₁ - объем поплавка;

m₂ - масса балансира;

V₂ - объем балансира;

ρ - удельный вес жидкости;

a - воздействующее ускорение.

Следовательно, двухстепенной подвес оказывается полностью разгруженным при любой вертикальной перегрузке и его разрушение исключено. Кроме того, появляется возможность в этом узле применять подшипники меньшего размера, обеспечивающие минимальное трение. При наклоне объекта к моменту поплавка, стремящегося сохранить вертикальное положение, присоединяется восстанавливающий момент жестко скрепленного на одной оси с ним балансира, который также стремится занимать вертикальное положение. В результате такого сложения восстанавливающих моментов пороговая чувствительность устройства повышается и появляется возможность отслеживать более высокочастотные релаксационные наклоны грунтового массива и сооружений.

Предлагаемое устройство изображено на фиг.1, на фиг.3 - разрез по осям качания поплавка, на фиг.2 - разрез узла преобразователя перемещения в электрический сигнал.

Устройство имеет корпус 1, поплавок 2, балансир 3, двухстепенной подвес 4, катушки индуктивности 5. С поплавком связана крестовина 6, с которой соединены ферромагнитные стержни 7 индуктивного преобразователя. Верхняя часть корпуса заканчивается прозрачной сферической формы пробкой 8, под которой находится пузырек 9, с помощью которого обеспечивается юстировка поплавка при установке устройства на сооружении. Верхняя часть корпуса закрыта крышкой 10, которая крепится болтами 11.

Выводы от катушек индуктивности выполнены через герметичный разъем 12 и соединены кабелем 13 с регистрирующей аппаратурой. Внутри корпуса залита жидкость 14, в качестве которой используется полиметилсилоксановая жидкость (ПМС). Эта жидкость выполняет несколько функций:

а) служит для создания подъемной силы, которая действует на поплавок;

б) демпфирует колебания системы поплавок-балансир;

в) обладает смазывающим эффектом, что уменьшает трение в подвижных элементах двухстепенного подвеса.

Поплавок 2 выполнен конусным и соединен с корпусом через двухстепенной подвес 4, который позволяет поплавку наклоняться по двум взаимноперпендикулярным направлениям относительно вертикальной оси.

Масса и объем балансира 3 выбираются таким образом, чтобы сумма сил, действующих на двухстепенной подвес со стороны поплавка и балансира, при любой вертикальной нагрузке равнялась нулю.

Стержни 7 входят в осевые отверстия закрепленных на корпусе катушек индуктивности 5 и являются подвижными элементами индуктивного преобразователя.

Для измерения наклонов в глубине грунтового массива устройство опускают в приборную скважину по жесткой штанге.

После опускания устройство заливают в скважине грунтоцементным раствором, у которого свойства после отвердевания близки с окружающим грунтом. Устройство можно также основанием закрепить на сооружении.

При наклоне грунтового массива или сооружения, что имеет место при взрыве или землетрясении, корпус устройства также наклоняется, на тот же угол относительно корпуса в плоскости наклона отклонится система поплавок-балансир. Сердечники, закрепленные в верхней части поплавка, изменяют свое положение относительно своих катушек индуктивности, а электрический сигнал, полученный на выходе катушек, соединенных попарно по дифференциальной схеме, будет пропорционален перемещению сердечника, а следовательно, и углу наклона.

В организации-заявителе разработаны чертежи предлагаемого устройства, изготовлены 3 экспериментальных образца и проведены лабораторные испытания, которые подтвердили его работоспособность и получение положительного эффекта:

- устойчивость к вертикальным перегрузкам до 200 g;

- повышение пороговой чувствительности до 10'';

- расширение частотного диапазона измерений, предлагаемое устройство позволяет измерять углы наклона при релаксационном движении грунта с частотой от 0,2 до 2,5 Гц.

Предлагаемое техническое решение обладает простотой и эффективностью и позволяет на своей основе создать целую серию устройств для изменения углов наклона массивов грунта и сооружений в ближней зоне ядерного взрыва.

Устройство для определения угла наклона по авт. св. №792074 состоит в том, что к поплавку ниже двухстепенного подвеса жестко прикреплен балансир, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии поплавка. Масса и объем балансира выбраны таким образом, что вертикальная составляющая равнодействующей силы на двухстепенном подвесе равняется нулю. Технический результат - повышение устойчивости устройства к вертикальным перегрузкам, повышение его пороговой чувствительности и расширение частотного диапазона. 3 ил.

Устройство для определения угла наклона по авт. св. №792074, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем повышения устойчивости к вертикальным перегрузкам, нижняя часть корпуса выполнена разъемной, а поплавок дополнительно снабжен стержнем, на котором жестко установлен противовес.