ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Советский патент 2006 года по МПК G01L11/00 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения давления в грунте при прохождении по нему сейсмовзрывных волн, вызванных подземными ядерными взрывами или крупномасштабными взрывами зарядов ВВ.

В настоящее время известны жидкостные устройства для измерения давлений в грунте. В этих устройствах давление на чувствительный элемент (измеритель давления) передается через жидкость.

Для измерения давления в грунте при производстве взрывов применяют устройство для измерения давления по авт. св. №572570 кл. Е2С 39/00. Это устройство включает эластичную оболочку, заполненную жидкостью и герметично соединенную с жестким основанием, в котором установлен датчик давления. Чувствительный элемент датчика сообщается непосредственно с внутренней полостью оболочки.

Устройство помещается в приборную скважину, которая затем заполняется грунтоцементной смесью, после затвердевания приобретающей свойства, близкие к свойствам окружающего грунта. Устройство позволяет измерять давление на разных глубинах скважины без ориентации чувствительного элемента, что не дает точного представления о характере распределения давлений в грунте в зависимости от направления на источник взрыва и является основным недостатком данного устройства.

Устройство для измерения давления в грунте по авт. св. №899943 кл. Е21С 39/00 позволяет измерять давление в грунте с заданной фиксированной ориентацией чувствительного элемента. Это устройство включает жесткое в виде диска с полостью основание, закрытое резиновой мембраной. На основании установлен датчик давления, а полость основания между датчиком и мембраной заполнена жидкостью. С основанием жестко соединен цилиндрический корпус, в котором размещается датчик давления.

К корпусу со стороны противоположной основанию прикреплен кронштейн с жестко установленными на нем двумя пружинящими скобами, расположенными под углом 120° относительно друг друга. Скобы, подсоединенные к основанию, обеспечивают устойчивое ориентированное положение устройства после установки в скважине с помощью электромагнитного отцепа. После установки устройства в скважину заливают грунтоцементный раствор, который со всех сторон плотно прилегает к устройству и стенкам скважины и после затвердевания приобретает свойства, близкие к свойствам окружающего грунта.

Одним из недостатков, присущих данному устройству, является концентрация напряжений вокруг устройства, регистрируемая совместно с полезным сигналом и приводящая к существенным погрешностям измерения.

При наличии значительных пластических деформаций в грунте в плоскости датчика концентрация напряжений в данном устройстве может достигать максимальных значений (в песке +70...100% и -30...50%) и не зависит от траектории нагружения. Это явление обусловлено возникновением на устройстве жестких грунтовых ядер возникающих под действием сил трения грунта об устройство из-за различия деформаций грунта и датчика, особенно большого в радиальном направлении.

Кроме этого, существенное влияние на результат измерения оказывает величина неизмеряемых составляющих давления, воздействующих на боковую поверхность датчика.

Известно устройство для измерения давления грунта по авт. св. №168032 кл. G 01 L 1/02, содержащее корпус с жестким кольцевым основанием, по периметру которого установлен упругий элемент, а измеритель давления расположен внутри датчика.

Данному устройству также присущи недостатки устройства по авт. св. 899943 кл. E21C 39/00.

Упругий элемент не обеспечивает разделение по времени воздействия на чувствительный элемент измеряемых и не измеряемых составляющих давления.

В качестве прототипа выбран датчик давления по авт. св. №301584 кл. G 01 L 11/00, в котором снижено влияние концентрации напряжений и, следовательно, уменьшена погрешность измерения.

Этот датчик содержит тонкий слой из эластичного материала, например, резины, пронизанный каналами, заполненными малосжимаемой жидкостью и соединенными с измерителем давления.

Погрешность выходного сигнала такого датчика, вызванная влиянием напряжений, действующих в плоскости эластичной поверхности датчика, определяется отношением площади поперечного сечения датчика к площади воспринимаемой поверхности датчика. Величину ее можно сделать достаточно малой, варьируя этим отношением.

Такие же условия относятся и к жидкости, заполняющей датчик.

Вместе с этим при использовании датчика для измерения динамических давлений, что отвечает назначению предлагаемого датчика, на эти условия (отношение площадей поперечного сечения и воспринимающей поверхности жидкости) накладываются ограничения, связанные вязкими свойствами жидкости, трением ее о стенки каналов (полости), поэтому за счет выбора отношения погрешность выходного сигнала сделать достаточно малой невозможно.

Основным недостатком данного датчика является невозможность разделения по времени воздействия на чувствительный элемент измеряемых и неизмеряемых составляющих давления, т.е. задержки времени воздействия на чувствительный элемент боковых составляющих.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет разделения по времени воздействия на чувствительный элемент измеряемых и неизмеряемых составляющих давления, т.е. задержки времени воздействия на чувствительный элемент боковых составляющих. Это достигается тем, что в тонком эластичном диске, пронизанном заполненными малосжимаемой жидкостью каналами, соединенными с измерителем давления, который расположен внутри датчика, по периметру диска выполнена воздушная полость, минимальный размер которой определяется по формуле

l_min.≥ct_з.,

где l_min. - минимальный размер воздушной полости;

c - скорость деформации грунта в неизмеряемом направлении;

t_з. - необходимое время задержки воздействия.

Существенным отличительным признаком от существующих устройств в известных технических решениях является:

- по периметру датчика выполнена воздушная полость, что обеспечивает разделение по времени воздействия измеряемых и неизмеряемых составляющих давления.

На чертеже показан предлагаемый датчик давления.

Датчик давления включает дисковидный корпус 1, выполненный из эластичного материала, например, резины, внутреннюю полость, заполненную малосжимаемой жидкостью 2, например, глицерином, заливаемой через отверстие, закрываемое винтом 3; измерителя давления 4, соединенного с жидкостью. Корпус 1 выполнен совместно с воздушной полостью 5, ограничивающей датчик по периметру.

Для измерения давления в грунте датчик помещается в среду таким образом, чтобы нормаль к его плоскости совпадала с направлением на источник взрыва или с другим, необходимым для измерения направлением. Напряженное состояние датчика, помещенного в контролируемую среду или на ее контакте с жесткой границей, описывается шаровым тензором напряжений, так как давление жидкости, заполняющей (полость), согласно закону Паскаля направлено во все стороны одинаково. При этом значение этого давления отражает нормальное к плоскости датчика напряжение контролируемой среды.

При взрыве возникающие в грунте давления воздействуют на датчик, при этом происходит задержка времени воздействия на чувствительный элемент боковых составляющих давления, что повышает точность измерения.

Проведенные в полевых условиях экспериментальные исследования разработанных датчиков показали их высокую надежность в работе и полностью подтвердили положительный эффект, сформулированный в формуле изобретения, заключающийся в повышении в среднем на 15% точности измерений за счет разделения по времени воздействия на чувствительный элемент измеряемых и неизмеряемых составляющих давления, т.е. задержки времени воздействия на чувствительный элемент боковых составляющих давления.

Датчик давления включает в себя тонкий диск из эластичного материала, пронизанный заполненными малосжимаемой жидкостью каналами, соединенными с измерителем давления. Измеритель давления расположен внутри датчика. По периметру диска выполнена воздушная полость, минимальный размер которой определяется по формуле: l_min≥c·t_з., где l_min - минимальный размер воздушной полости; c - скорость деформации грунта в неизмеряемом направлении; t_з. - необходимое время задержки воздействия. Технический результат - повышение точности измерений за счет задержки времени воздействия на чувствительный элемент боковых составляющих давления. 1 ил.

Датчик давления, содержащий корпус в виде диска из эластичного материала с внутренней полостью, заполненной малосжимаемой жидкостью, внутри которой расположен преобразователь давления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в корпусе датчика выполнена кольцевая воздушная полость, постоянного сечения, минимальный диаметр которой определяется по формуле

d_min≥c·t_з, где:

с - скорость деформации грунта в неизмеряемом направлении;

t_з - заданное время задержки воздействия.