RU1841276C

RU1841276C - Electromechanical device for measuring mechanical quantities

Info

Publication number: RU1841276C
Application number: SU0003173982A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Фирсов
Filing date: 1987-05-04
Publication date: 2018-12-04

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: device comprises a receiving plate (1), the housing (2) with a dielectric fluid (3), the current collecting electrodes. Inside the housing (2) in a horizontal plane with a gap relative to the receiving plate (1), the capillary elements (4) are located in the form of arcs of equal length. Capillary elements (4) are arranged protuberances symmetrically to each other relative to the tool axis. Capillary elements (4) are filled with mercury and an electrolyte solution, forming a multi-phase boundary. Thus, each capillary element (4) is open-made from the border of mercury. A collector electrode with a closed end of the capillary element (4) is connected to the other electrode of the open end of the capillary element (4).

EFFECT: improving accuracy of measurements.

1 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения динамического давления, усилия, микроперемещений и вибраций в широком диапазоне частот, в системах АСУ ТП, а также для измерения напряженно-деформированного состояния грунта в массиве и на контакте с сооружением, вызванного квазистатической или динамической нагрузкой при исследовании поведения реальных строительных конструкций, оснований и фундаментов и их моделей.The proposed device relates to a measuring technique and can be used to measure dynamic pressure, force, microdisplacements and vibrations in a wide range of frequencies, in ACS TP systems, as well as to measure the stress-strain state of the soil in the array and on contact with the structure caused by quasistatic or dynamic load in the study of the behavior of real building structures, foundations and foundations and their models.

Известны электрохимические устройства диффузионного (концентрационного) типа для измерения различных механических величин, например, перемещений (см. Фиш М.Л., Лаптев Ю.В. Диффузионные преобразователи неэлектрических величин, Киев, "Технiка", 1979, 119 с.), содержащие герметичный, заполненный электролитом корпус, упругие элементы и подвижные электроды, материал которых образует с электролитом обратимую окислительно-восстановительную систему. Устройства этого типа обладают высокой чувствительностью к измеряемой величине, большой температурной погрешностью и низким частотным диапазоном (от 0 до 100 Гц).There are diffusion (concentration) type electrochemical devices for measuring various mechanical quantities, for example, displacements (see Fish M.L., Laptev Yu.V. Diffusion converters of non-electric quantities, Kiev, "Tekhnika", 1979, 119 pp.) Containing sealed, electrolyte-filled housing, elastic elements and moving electrodes, the material of which forms with the electrolyte a reversible redox system. Devices of this type have a high sensitivity to the measured value, a large temperature error and a low frequency range (from 0 to 100 Hz).

Известны электрохимические устройства резистивного типа, основанные на изменении сопротивления проводящей среды между электродами электролитической ячейки под действием изменения измеряемой величины (см. Стрижевский И.В., Дмитриев В.И., Финкельштейн Э.Б. Хемотроника, М., "Наука", 1974, гл. 4.).Electrochemical devices of the resistive type are known, based on the change in the resistance of the conducting medium between the electrodes of an electrolytic cell under the influence of a change in the measured value (see Strizhevsky IV, Dmitriev VI, Finkelstein EB Chemotronics, M., Nauka, 1974, ch. 4.).

К недостаткам таких устройств следует отнести различные электрохимические воздействия на поверхность электродов, возникающие при прохождении через них электрического тока.The disadvantages of such devices include various electrochemical effects on the surface of the electrodes that occur when electric current passes through them.

Наиболее близким по техническому решению (прототипом) является электрохимическое устройство для измерения механических величин (Minc S. и др. Elektrochemiczne przetworniki pomiarome

mechaniecznych, „Pomiary, automatyka, Kontrola", 1964, r. 10, №8, S. 334-337 или перевод с польского языка этой статьи С. Минца и др. №83007/0, бюро переводов ВИНИТИ, M., 1970, с. 14), состоящее из воспринимающей пластины и укрепленных на ней в горизонтальной плоскости последовательно соединенных между собой прямолинейных капиллярных элементов одинаковой длины, имеющих внутри многофазовые границы раздела ртуть - раствор электролита, а в запаянных концах газовые пузырьки и токосъемные электроды.The closest technical solution (prototype) is an electrochemical device for measuring mechanical quantities (Minc S. et al. Elektrochemiczne przetworniki pomiarome

mechaniecznych, „Pomiary, automatyka, Kontrola", 1964, r. 10, №8, S. 334-337 or translation from the Polish language of this article by S. Minz and others. No. 83007/0, translation bureau VINITI, M., 1970 14), consisting of a sensing plate and horizontally fixed on it horizontal plane successively interconnected straight capillary elements of the same length, with mercury inside multiphase interfaces - electrolyte solution, and gas bubbles and current collecting electrodes at the sealed ends.

Принцип действия подобных устройств основан на U-II эффекте, сущность которого заключается в следующем. Если стеклянный (или выполненный из другого диэлектрического материала) капилляр, заполненный ртутью и раствором электролита, подвергать периодическим механическим колебаниям в направлении его оси, то между двумя электродами, находящимися в контакте с ртутью и электролитом, возникнет переменное напряжение с частотой, идентичной частоте возбуждающих колебаний.The principle of operation of such devices is based on the U-II effect, the essence of which is as follows. If a glass (or made of another dielectric material) capillary filled with mercury and electrolyte solution is subjected to periodic mechanical vibrations in the direction of its axis, then between two electrodes that are in contact with mercury and electrolyte, an alternating voltage will occur with a frequency identical to the frequency of exciting oscillations .

Устройства для измерения механических величин на основе U-II эффекта (гидрофон, стетоскоп и др.) имеют большой выходной сигнал и высокую чувствительность за счет большого количества границ раздела ртуть - раствор электролита внутри капилляра и последовательного их соединения (например, гидрофон такого типа почти в два раза чувствительнее пьезоэлектрического гидрофона, в котором использована сегнетова соль), относительно низкое выходное сопротивление (порядка от нескольких десятков до десятков килоом при частоте 1 кГц), практически незначительную чувствительность к изменению температуры в интервале от +20 до -40°С, не требуют внешнего источника тока, так как работают в генераторном режиме.Devices for measuring mechanical quantities based on the U-II effect (hydrophone, stethoscope, etc.) have a high output signal and high sensitivity due to the large number of mercury ––– electrolyte solution interfaces inside the capillary and their serial connection (for example, this type of hydrophone is almost Two times more sensitive than the piezoelectric hydrophone, which uses the salt of a salt), the relatively low output impedance (on the order of several tens to tens of kilohms at a frequency of 1 kHz) is almost insignificant Model sensitivity to temperature change in the range from +20 to -40 ° С does not require an external power source, since they operate in the generator mode.

Недостатком известного устройства является необходимость совершения периодических колебаний самих капиллярных элементов, укрепленных на воспринимающей пластине, под действием измеряемой механической величины, направленной вдоль оси этих элементов. Это, в ряде случаев, накладывает ограничения на применение подобных устройств. Так, в случае измерения механической величины, совпадающей с направлением силы тяжести, уменьшается надежность работы устройства в результате опускания и слияния между собой глобул ртути в капиллярах.A disadvantage of the known device is the necessity of performing periodic oscillations of the capillary elements themselves, mounted on the receiving plate, under the action of a measured mechanical quantity, directed along the axis of these elements. This, in some cases, imposes restrictions on the use of such devices. Thus, in the case of measuring a mechanical quantity that coincides with the direction of gravity, the reliability of the device operation decreases as a result of lowering and merging the globules of mercury in the capillaries between them.

К недостаткам известного устройства можно отнести ограничения в области восприятия низких частот, связанные с инерцией ртути в капиллярах при их движении. Кроме того, на показания известного устройства будут влиять удары, толчки и другие неинформативные воздействия, совпадающие с направлением оси капиллярных элементов.The disadvantages of the known devices include the limitations in the perception of low frequencies associated with the inertia of mercury in the capillaries during their movement. In addition, the readings of the known device will be affected by impacts, shocks and other non-informative effects, which coincide with the direction of the axis of the capillary elements.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения и уменьшение погрешности измерения известного устройства.The aim of the invention is to expand the scope and reduce the measurement error of the known device.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения механических величин, состоящем из воспринимающей пластины и укрепленных на ней в горизонтальной плоскости последовательно соединенных между собой капиллярных элементов одинаковой длины, имеющих внутри многофазовые границы раздела ртуть - раствор электролита, а в запаянных концах газовые пузырьки воздуха и токосъемные электроды, капиллярные элементы отделены от воспринимающей пластины, выполнены в форме дуг, расположенных выпуклостями друг к другу, и имеют открытую с одного конца границу ртути, соприкасающуюся с диэлектрической жидкостью гидравлического преобразователя, причем токосъемный электрод с запаянного конца одного элемента соединен с электродом открытого конца другого элемента.This goal is achieved by the fact that in a known device for measuring mechanical quantities consisting of a receiving plate and capillary elements of equal length sequentially interconnected in a horizontal plane that have multi-phase mercury boundaries - electrolyte solution, and in sealed ends gas bubbles air and collector electrodes, the capillary elements are separated from the receiving plate, are made in the form of arcs, arranged convexes to each other, and have about open at one end of the boundary of mercury in contact with the dielectric fluid of the hydraulic transducer, and the current collector electrode from the sealed end of one element is connected to the electrode of the open end of another element.

Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения, имеющие в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками предлагаемого устройства, поэтому последнее отвечает критерию "существенные отличия".Conducted patent studies have shown that there are no known technical solutions that have in common features similar to the distinctive features of the proposed device, therefore, the latter meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 показана одна из схем предлагаемого устройства для измерения механических величин, например, напряженно-деформированного состояния грунта, вызванного квазистатической или динамической нагрузкой.FIG. 1 shows one of the diagrams of the proposed device for measuring mechanical quantities, for example, the stress-strain state of a soil, caused by a quasistatic or dynamic load.

Устройство состоит из гидравлического преобразователя, имеющего воспринимающую пластину 1 и герметичный корпус 2 с диэлектрической жидкостью 3, внутри которого в горизонтальной плоскости выпуклостями друг к другу расположены стеклянные капиллярные элементы 4 в форме дуг одинаковой длины. Элементы содержат внутри многофазовые границы раздела ртуть - раствор электролита. В запаянных концах элементов глобулы ртути соприкасаются с воздушными пузырьками 5, а в открытых концах с диэлектрической жидкостью. Капиллярные элементы соединены между собой последовательно, причем токосъемный электрод с запаянного конца одного элемента соединен с электродом открытого конца другого элемента. Электроды на концах цепи 6 подключены к измерительному прибору (последний на фиг. 1 не показан).The device consists of a hydraulic transducer having a sensing plate 1 and a sealed body 2 with a dielectric liquid 3, inside of which, in a horizontal plane, glass capillary elements 4 in the form of arcs of the same length are arranged with convexities to each other. The elements contain within the multiphase boundaries of the mercury - electrolyte solution. At the sealed ends of the elements, the globule of mercury is in contact with air bubbles 5, and at the open ends with a dielectric fluid. Capillary elements are interconnected in series, with the current collecting electrode at the soldered end of one element connected to the open end electrode of another element. The electrodes at the ends of the circuit 6 are connected to the measuring device (the latter is not shown in Fig. 1).

Устройство работает следующим образом. При изменении напряженно-деформированного состояния грунта в месте закладки данного устройства произойдет перемещение диэлектрической жидкости, внутри гидравлического преобразователя, которое воздействуя на открытые концы капиллярных элементов, вызовет деформацию многофазовых границ раздела ртуть - раствор электролита, что приведет к изменению площади их поверхностного контакта и, следовательно, к изменению напряжения на концах каждого элемента и суммарного напряжения на концах электрической цепи устройства.The device works as follows. When the stress-strain state of the soil changes, the dielectric fluid will move inside the hydraulic device, which, acting on the open ends of the capillary elements, will cause the deformation of the multiphase mercury-electrolyte interface, which will change the area of their surface contact and, therefore , to a change in voltage at the ends of each element and the total voltage at the ends of the electric circuit of the device.

За счет изменения механизма воздействия на многофазовые границы раздела ртуть - раствор электролита удалось существенно расширить область применения электрохимических устройств этого типа. Помимо описанного в примере устройства для измерения напряженно-деформированного состояния грунта, они могут применяться для измерения динамического давления, усилия, в качестве счетчиков, а при соединении инерционной массы с воспринимающей пластиной - в качестве вибро- и сейсмодатчиков большой чувствительности. Возможно использование их и в АСУ ТП для измерения, контроля и сигнализации прецизионных изменений уровня, расхода и других параметров.By changing the mechanism of action on the multiphase boundaries of the mercury – electrolyte solution, it was possible to significantly expand the field of application of electrochemical devices of this type. In addition to the device for measuring the stress-strain state of the soil described in the example, they can be used to measure dynamic pressure, force, as counters, and when connecting an inertial mass with a receiving plate - as vibro and seismic sensors of high sensitivity. It is also possible to use them in the process control system for measuring, monitoring and signaling precision changes in the level, flow rate and other parameters.

Расширение области применения происходит также в результате появившейся возможности измерять низкочастотные механические воздействия, вплоть до квазистатических.The expansion of the scope also occurs as a result of the opportunity to measure low-frequency mechanical effects, up to quasistatic.

Предлагаемая же форма и расположение капиллярных элементов позволяет уменьшить погрешность при измерениях за счет уменьшения возможного воздействия неинформативных боковых толчков и углового ускорения при проведении натурных опытов или экспериментов на моделях в различных условиях.The proposed form and location of the capillary elements allows to reduce the error in the measurements by reducing the possible impact of uninformative side shocks and angular acceleration when conducting field experiments or experiments on models in various conditions.

В лаборатории кафедры "Строительное производство, основания и фундаменты" Новочеркасского политехнического института была изготовлена партия электрохимических деформометров. Дугообразные капиллярные элементы изготавливали из стеклянных трубок с внутренним диаметром 0,07 см (ТУ 25-11-988-75), а токосъемные электроды из платиновой проволоки (ГОСТ 6563-75). В качестве раствора электролита применяли 20% водный раствор серной кислоты на основе дистиллированной воды. Кислоту и ртуть применяли химически чистыми. В качестве диэлектрической жидкости гидравлического преобразователя использовали силиконовое масло.In the laboratory of the department "Construction Production, Foundations and Foundations" of the Novocherkassk Polytechnic Institute a batch of electrochemical deformometers was manufactured. Arc-shaped capillary elements were made of glass tubes with an internal diameter of 0.07 cm (TU 25-11-988-75), and collector electrodes were made of platinum wire (GOST 6563-75). A 20% aqueous solution of sulfuric acid based on distilled water was used as the electrolyte solution. Acid and mercury were used chemically pure. Silicone oil was used as the dielectric fluid of the hydraulic converter.

Исследования работоспособности макетов деформометров на основе предлагаемого электрохимического устройства показали перспективность их использования как в научных экспериментах, так и в народном хозяйстве.Studies of the performance of deformometer models based on the proposed electrochemical device have shown the promise of their use both in scientific experiments and in the national economy.

Claims

An electromechanical device for measuring mechanical quantities, comprising a housing with a sensing plate, and successively interconnected identical capillary elements arranged in a horizontal plane and filled with mercury and electrolyte solution, forming multiphase boundaries, as well as current collecting electrodes, characterized in that, in order to increase measurement accuracy, in it the capillary elements, made in the form of circular arcs are located in the housing with a gap relative to the sensing plate and times Bent to each other symmetrically with respect to the device axis, each capillary element on the side of the mercury border is open, and the current collector electrode from the blind end of one capillary element is connected to the open end of another capillary element, and the casing is filled with a dielectric fluid.