PL204989B1

PL204989B1 - Apparatus for measuring changes of distance

Info

Publication number: PL204989B1
Application number: PL369943A
Authority: PL
Inventors: Janusz Nurkowski
Original assignee: Polska Akademia Nauk Inst Mekh
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2010-02-26
Also published as: PL369943A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru zmian odległości, zwłaszcza do pomiaru deformacji obiektów.The subject of the invention is a device for measuring distance changes, in particular for measuring the deformation of objects.

Do pomiaru deformacji obiektów wykorzystuje się głównie metody:The following methods are mainly used to measure the deformation of objects:

- bezpoś rednie - róż nego typu przymiary,- direct - various types of gauges,

- optyczne: klasyczne (teodolit), elektrooptyczne (rastry, linijki LCD),- optical: classic (theodolite), electro-optical (rasters, LCD rulers),

- radiowe: laserowe lub mikrofalowe (naziemne bądź satelitarne) mierzące czas przelotu fali elektromagnetycznej,- radio: laser or microwave (terrestrial or satellite) measuring the time of flight of an electromagnetic wave,

- mechano-elektryczne: rezystancyjne (tensometryczne, potencjometryczne), indukcyjne (w układzie z ruchomym rdzeniem lub zmienną szczeliną), pojemnościowe wykonywane najczęściej w ukł adzie róż nicowym oraz strunowe.- mechanical-electric: resistive (strain gauge, potentiometric), inductive (in a system with a moving core or with a variable gap), capacitive, usually performed in a differential system, and string.

Wszystkie powyższe rozwiązania mają wiele niedogodności. Metody bezpośrednie optyczne, i radiowe w zasadzie nie nadają się do pomiarów wewną trz struktury obiektu niedost ę pnej bezpoś rednio, jak na przykład zalanych betonem lub zasypanych ziemią w konstrukcji zapory wodnej czy osuwiska. Przyrządy laserowe są wrażliwe na działanie wilgoci, a co ważniejsze mają błąd pomiaru około 5 mm. Urządzenia satelitarnego pomiaru pozycji GPS w zasadzie można stosować tylko w otwartej przestrzeni ze względu na konieczność odbioru fali elektromagnetycznej z satelity; pomiar pod powierzchnią ziemi i w konstrukcjach ekranowanych jest zatem niemożliwy, poza tym rozdzielczość systemu GPS jest ograniczona w najlepszym razie do około centymetra.All of the above solutions have many disadvantages. Direct optical and radio methods are generally not suitable for measurements inside the structure of an object that is inaccessible directly, such as flooded with concrete or covered with earth in the structure of a water dam or landslides. Laser instruments are sensitive to moisture and more importantly have a measurement error of around 5mm. Satellite GPS position measurement devices can, in principle, be used only in open space due to the need to receive electromagnetic waves from the satellite; Measurement below the ground and in shielded structures is therefore impossible, and the resolution of the GPS system is limited at best to about a centimeter.

Przetworniki mechano-elektryczne strunowe, w których przemieszczenie zmienia naprężenie struny, a w konsekwencji częstotliwość drgań własnych oraz rezystancyjne naklejane bezpośrednio na badany obiekt, w których zmienia się rezystancja tensometru, z istoty swojej mierzą niewielki zakres przemieszczenia, rzędu ułamka milimetra i do pomiaru większych odkształceń wymagają dźwigniowego bądź sprężynowego układu ich redukcji. Energia do wzbudzania akcji laserowej lub drgań struny jest dość znaczna, co praktycznie uniemożliwia wykonanie przyrządów w formie iskrobezpiecznej, do zastosowania na przykład w górnictwie. W przetwornikach indukcyjnych ogólnie wykorzystuje się zjawisko zmiany indukcyjności własnej cewki lub indukcyjności wzajemnej dwóch cewek - przy zmianie położenia rdzenia lub szerokości szczeliny powietrznej w obwodzie magnetycznym, wywołanej przesunięciem liniowym. Sygnałem w tego typu przetwornikach jest zmiana napięcia, podczas gdy jego częstotliwość jest stała. Dla zwiększenia liniowości i czułości charakterystyki przetwornika stosuje się przetworniki różnicowe. Na przykład znany przetwornik indukcyjny różnicowo-transformatorowy (LVDT), z ruchomym rdzeniem składa się z trzech cewek, jednej cewki zasilającej i dwóch odczytowych połączonych przeciwsobnie oraz z przesuwnego rdzenia ferromagnetycznego sprzęgającego magnetycznie wszystkie cewki. Przyrząd ma budowę symetryczną i w takim stanie nie ma napięcia na cewkach wtórnych, zaburzenie symetrii przez ruchomy rdzeń powoduje pojawienie się napięcia, które mierzy fazoczuły woltomierz. W metodzie indukcyjnej z ruchomym rdzeniem bezpośredni zakres pomiarowy jest około kilku centymetrów, a w metodzie ze zmienną szczeliną kilka milimetrów.String mechano-electric converters, in which the displacement changes the tension of the string, and consequently the frequency of natural vibrations, and the resistive ones glued directly to the tested object, in which the resistance of the strain gauge changes, essentially measure a small range of displacement, of the order of a fraction of a millimeter, and require larger deformations to measure leverage or spring system of their reduction. The energy for inducing laser action or string vibrations is quite significant, which makes it practically impossible to make devices in an intrinsically safe form, for use, for example, in mining. In inductive transducers, the phenomenon of changing the self inductance of the coil or the mutual inductance of two coils is generally used - when the position of the core or the width of the air gap in the magnetic circuit changes, caused by a linear shift. A signal in this type of converters is a change in voltage, while its frequency is constant. Differential transducers are used to increase the linearity and sensitivity of the transducer characteristic. For example, a known moving-core differential-transformer (LVDT) converter consists of three coils, one power coil and two readouts connected in push-pull, and a sliding ferromagnetic core magnetically coupling all the coils. The device has a symmetrical structure and in such a state there is no voltage on the secondary coils, the disturbance of symmetry by the moving core causes the appearance of voltage, which is measured by the phase-sensitive voltmeter. In the moving-core induction method, the direct measuring range is about a few centimeters, and in the variable-gap method, a few millimeters.

W przetwornikach strunowych, rezystancyjnych i indukcyjnych dla uzyskania pomiaru zmian odległości kilkudziesięciu centymetrów niezbędny jest reduktor odkształceń. Jego stosowanie komplikuje, podraża urządzenie i jest potencjalnym źródłem błędów.In string, resistive and inductive transducers, a strain reducer is necessary to measure distance changes of several dozen centimeters. Its use complicates, expensive for the device and is a potential source of errors.

Znana jest konstrukcja elektronicznego przetwornika przesunięć liniowych na wielkości elektryczne w którym zastosowano dwie nieruchome cewki współpracujące z generatorem LC. Sygnałem wyjściowym jest natężenie prądu stałego pobieranego przez generator ze źródła zasilania zależnego od sprzężenia tych cewek pod wpływem przemieszczającego się wewnątrz nich rdzenia ferrytowego. Częstotliwość oscylacji również się zmienia ale jest to efekt uboczny w stosunku do zmian ich amplitudy.It is known to design an electronic converter of linear displacements into electrical quantities, in which two stationary coils cooperating with the LC generator are used. The output signal is the intensity of direct current consumed by the generator from a power source depending on the coupling of these coils due to the ferrite core moving inside them. The oscillation frequency also varies, but this is a side effect of the amplitude changes.

Podobnie, wynalazek SU807047 również bazuje na przesuwnym rdzeniu magnetycznym przemieszczającym się względem dwóch cewek. W innym rozwiązaniu na przykład GB2195770, zmienia się szczelina między cewką a elementem magnetycznym. Takie układy cechuje wysoka czułość ale mały zakres pomiarowy rzędu kilku milimetrów.Likewise, the invention of the SU807047 also relies on a sliding magnetic core to move relative to two coils. In another solution, for example GB2195770, the gap between the coil and the magnetic element changes. Such systems are characterized by high sensitivity but a small measuring range of a few millimeters.

Zgodnie z wynalazkiem urządzenie do pomiaru zmian odległości, w którym czujnik zawiera cewki indukcyjne charakteryzuje się tym, że czujnik jest zespołem co najmniej jednej pary cewek indukcyjnych połączonych elektrycznie szeregowo, a umieszczonych względem siebie równolegle, znajdujących się wespół z kondensatorem w obwodzie generatora LC drgań elektrycznych. Całość umieszczona jest w obudowie, do wnętrza której z jednej strony przymocowane są przez izolatory końce zespołu cewek oraz wyprowadzone są hermetycznie przewody elektryczne z generatoraAccording to the invention, a distance measurement device, in which the sensor comprises inductors, is characterized in that the sensor is a set of at least one pair of induction coils electrically connected in series and placed in parallel with each other, connected with a capacitor in the circuit of the electric vibration LC generator. . The whole is placed in a housing, inside which, on one side, the ends of the coil assembly are attached by insulators and the electric wires from the generator are hermetically led out.

PL 204 989 B1 umieszczonego pomiędzy tymi końcami cewek. Natomiast z przeciwnej strony obudowy wyprowadzone jest hermetycznie cięgno, które wewnątrz obudowy poprzez izolator przymocowane jest do drugiego końca cewek. Na zewnątrz obudowy cięgno korzystnie umieszczone jest w osłonie. Do zewnętrznej strony obudowy i cięgna przymocowane są kotwie.Between the ends of the coils. On the other hand, from the opposite side of the casing, a hermetically led pull-rod is led inside the casing, through an insulator, to the other end of the coils. On the outside of the housing, the tie rod is preferably housed in a housing. Anchors are attached to the outside of the casing and the tie rods.

Cewki wykonane są z drutu o dużej sprężystości, np. stalowego, zapewniającego ich dużą odkształcalność i naprężenie cięgna. Umożliwiają one ruch posuwisto-zwrotny kotwi przymocowanych do dwóch stron cewek. Pod wpływem przemieszczania się kotwi względem siebie w wyniku np. ruchów gruntu, zmienia się indukcyjności cewek, więc i częstotliwość drgań generatora. Zmiany częstotliwości proporcjonalne do odkształcenia łatwo mierzy się. Cewki pod względem elektrycznym są połączone ze sobą szeregowo, a mechanicznym równolegle. Dzięki takiemu rozwiązaniu układ elektroniczny generatora podłączony jest do zespołu cewek z jednej strony, krótkimi przewodami, a drugi koniec tego zespołu ma możliwość swobodnego przemieszczania się bez zmiany długości i kształtu tych przewodów. Radykalnie zmniejsza to i stabilizuje wartość indukcyjności pasożytniczej połączeń, w porównaniu do sytuacji gdyby generator był podłączony do jednej cewki zmieniają cej swą dł ugość w szerokim zakresie.The coils are made of highly elastic wire, e.g. steel, which ensures their high deformability and tension of the tendon. They allow the reciprocating movement of the bolts attached to the two sides of the coils. Due to the displacement of the bolts in relation to each other, as a result of, for example, ground movements, the inductance of the coils changes, and therefore the frequency of the generator vibrations. Changes in frequency proportional to strain are easily measured. The coils are electrically connected in series and mechanically connected in parallel. Thanks to this solution, the electronic system of the generator is connected to the set of coils on one side with short wires, and the other end of the set is able to move freely without changing the length and shape of these wires. It dramatically reduces and stabilizes the value of the parasitic inductance of the connections, compared to the situation if the generator was connected to one coil, changing its length over a wide range.

Kondensator tworzący z zespołem cewek obwód rezonansowy, mający specjalnie dobrany termiczny współczynnik zmian pojemności, służy również do kompensacji termicznych zmian częstotliwości pochodzących od zmian indukcyjności cewek i parametrów pozostałych części generatora. Niestabilność drgań generatora powodowana rozmaitymi czynnikami ogranicza dokładność pomiaru do kilkudziesięciu mikrometrów. Maksymalne mierzone odkształcenia są ograniczone sprężystymi własnościami cewek.The capacitor forming a resonant circuit with the set of coils, having a specially selected thermal coefficient of capacitance changes, is also used to compensate for thermal frequency changes resulting from changes in the inductance of the coils and the parameters of the remaining parts of the generator. The instability of generator vibrations caused by various factors limits the measurement accuracy to several dozen micrometers. The maximum measured deformations are limited by the elastic properties of the coils.

W konstrukcji powyż szej - w odniesieniu do znanych rozwiązań - istotna jest zmiana czę stotliwości generatora LC, wynikająca ze zmian długości cewek a nie z przemieszczenia rdzenia.In the above design - in relation to known solutions - the change of the frequency of the LC generator is important, resulting from changes in the length of the coils and not from the displacement of the core.

Rozwiązanie według wynalazku cechuje szeroki zakres pomiarowy (kilkudziesięciu centymetrów) bez konieczności użycia reduktorów przemieszczenia, dobra rozdzielczość (kilku mikrometrów) i dokł adność (kilkudziesię ciu mikrometrów), du ż a prostota, niezawodność i mał y koszt wykonania. Sygnałem z przyrządu są, korzystnie, zmiany częstotliwości nie wymagające stosowania przetworników A/C w procesie rejestracji i przetwarzania danych. Urządzenie zużywa mało energii elektrycznej, możliwe jest więc niezależne zasilanie akumulatorowe i wykonanie w wersji iskrobezpiecznej.The solution according to the invention is characterized by a wide measuring range (several dozen centimeters) without the need to use displacement reducers, good resolution (several micrometers) and accuracy (several dozen micrometers), great simplicity, reliability and low production cost. The signal from the instrument is preferably frequency variation which does not require the use of A / D converters in the process of data recording and processing. The device consumes little electricity, so it is possible to independently supply batteries and to be made in an intrinsically safe version.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku schematycznie przedstawiającym rozwiązanie urządzenia do pomiaru odkształceń gruntu.The subject of the invention is explained in more detail in the embodiment in the drawing schematically showing the solution of the soil deformation measurement device.

Czujnik w postaci zespołu cewek 1 oraz układu elektronicznego generatora 2 są umieszczone w obudowie 3, z której wyprowadzone jest cięgno 4 i przewody elektryczne 5 tak, aby zachować hermetyczność urządzenia. Cewki 1 przez izolatory 6 są przymocowane z jednej strony do obudowy 3, a z drugiej do sztywnego metalowego łącznika 9 i cięgna 4. Taka konfiguracja cewek zapewnia krótkie i nieodkształcające się połączenie ich z generatorem o małej i stabilnej indukcyjności. Do zewnętrznej strony obudowy 3 i cięgna 4 przymocowane są kotwie 7. Cięgno 4 porusza się w osłonie 8, aby wyeliminować tarcie o grunt. Urządzenie instaluje się w gruncie na żądanej głębokości. Ruchy gruntu przekazywane są przez kotwie 7 i cięgno 4 zmieniając indukcyjność czujnika 1. Powoduje to zmianę częstotliwości oscylacji generatora 2. Cewki wykonane są z drutu sprężystego, np. stalowego o średnicy kilku milimetrów, co umożliwi ich dużą odkształcalność oraz naprężenie wiotkiego cięgna. Zastosowanie wiotkiego cięgna redukuje tarcie, które istniało by w miejscach podparcia cięgna sztywnego. Sygnał generatora jest przekazywany w dogodne miejsce dla pomiaru częstotliwości przewodami 5, na odległość do kilkudziesięciu metrów bez dodatkowych urządzeń, a ze wzmacniaczami i specjalnymi kablami na praktycznie dowolną odległość lub drogą radiową. Miernik częstotliwości zasila również generator 2.The sensor in the form of a set of coils 1 and the electronics of the generator 2 are placed in the housing 3 from which the cable 4 and the electric wires 5 lead out, so as to maintain the airtightness of the device. The coils 1 through insulators 6 are attached on the one hand to the housing 3 and on the other to the rigid metal connector 9 and the strand 4. Such a configuration of the coils ensures a short and non-deforming connection with a generator with a low and stable inductance. Anchors 7 are attached to the outside of the casing 3 and the tie rods 4. The tie rod 4 moves in the cover 8 to eliminate rubbing against the ground. The device is installed in the ground at the desired depth. The ground movements are transmitted through the anchors 7 and the tendon 4, changing the inductance of the sensor 1. This changes the oscillation frequency of the generator 2. The coils are made of elastic wire, e.g. steel wire, with a diameter of several millimeters, which enables their high deformability and tension of the flaccid tendon. The use of a flaccid tendon reduces the friction that would exist at the points where the rigid tendon would be supported. The signal of the generator is transmitted to a convenient place for frequency measurement via wires 5, over a distance of up to several dozen meters, without additional devices, and with amplifiers and special cables, at practically any distance or by radio. The frequency meter also powers generator 2.

Bazę pomiarową można zmieniać długością cięgna 4. Długie cięgno, jeśli nie jest sztywne, wymaga większej siły napinającej, można to osiągnąć przez zwiększenie średnicy drutu cewek lub większej ilości cewek.The datum can be changed by the length of the cable 4. A long cable, if it is not rigid, requires a greater tension force, this can be achieved by increasing the diameter of the wire of the coils or more coils.

Możliwe jest wykonanie układu dwóch cewek współosiowych, a nie obok siebie jak na rysunku, dzięki czemu konstrukcja zyskuje większą zwartość.It is possible to make a system of two coaxial coils, not side by side as shown in the drawing, so that the structure becomes more compact.

Urządzenie według wynalazku jest szczególnie przydatne w takich dziedzinach jak: mechanika gruntów, inżynieria lądowa, monitorowanie osuwisk, wpływ eksploatacji górniczej na powierzchnię, zapory, kopalnie, itp. Może być przydatne również w pomiarach laboratoryjnych.The device according to the invention is particularly useful in areas such as soil mechanics, civil engineering, landslide monitoring, the impact of mining operations on the surface, dams, mines, etc. It can also be useful in laboratory measurements.

Claims

Patent claims

A distance measurement device, wherein the sensor comprises induction coils cooperating with an electric vibration generator, characterized in that the sensor is a set of at least one pair of induction coils (1) electrically connected in series, parallel to each other, arranged in a row. the circuit of the generator (G) of electric vibrations, where the whole is placed in a housing (3), to the inside of which, on one side, the ends of the coil assembly are attached by insulators (6) and the electric wires (5) from the connected generator (G) are led out hermetically to these ends of the coils, while on the other side of the casing there is a hermetically led pull-rod (4), which through an insulator is attached to a rigid connector (9) connecting the opposite ends of the set of coils (1) electrically and mechanically, and to the outer side of the casing and the pull-rods are the bolts (7).

2. The device according to claim 2. The apparatus of claim 1, characterized in that the coils (1) are coaxial.

3. The device according to claim 1 3. The coil as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the coils (1) are made of a highly resilient wire.