RU2483277C1

RU2483277C1 - Strain gauge

Info

Publication number: RU2483277C1
Application number: RU2011147974/28A
Authority: RU
Inventors: Рудольф Александрович Балакин; Валерий Михайлович Тимец
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-05-27

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: strain gauge is made in the form of a sealed cylindrical body with a sliding stem. Inside the body there is a capacitance primary converter, one electrode of which is fixed on the body, and the second one - on the sliding stem. Inside the body there is a secondary metering converter, which carries out conversion of electrical capacitance into a digital code. The sliding stem of the converter is equipped with a sliding radial seal and a tail with micrometrical thread and two stop nuts, on one of which there is a vernier scale.

EFFECT: elimination of noise effect, possibility to transfer data along a cable communication line to a large distance without distortions, increased operational reliability, possibility to tune and to realise metrological monitoring of a strain gauge in place of operation.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для продолжительных измерений напряженно-деформированного состояния морских ледостойких сооружений.The invention relates to measuring technique and can be used for continuous measurements of the stress-strain state of marine ice-resistant structures.

Известно устройство для измерения деформации конструкций преимущественно на месте их эксплуатации - датчик тензорезистивного типа [1]. Датчик содержит один или несколько тензорезисторов, эластичное покрытие, защищающее тензорезисторы от внешнего воздействия, и коммутационную плату. Устройство характеризуется тем, что все три компонента датчика соединены клеевым способом в единую трехслойную конструкцию. Недостатком датчика, препятствующим его использованию для длительной эксплуатации в течение нескольких лет в жестких климатических условиях, является недостаточная стабильность метрологических характеристик вследствие неустойчивости клеевых соединений к морской среде.A device is known for measuring the deformation of structures mainly at the place of their operation — a strain gauge type sensor [1]. The sensor contains one or more strain gauges, an elastic coating that protects the strain gauges from external influences, and a patch board. The device is characterized in that all three sensor components are glued together in a single three-layer structure. The lack of a sensor that prevents its use for long-term operation for several years in harsh climatic conditions is the insufficient stability of metrological characteristics due to the instability of adhesive joints to the marine environment.

Известно также многочисленное семейство датчиков давления, силы и перемещений емкостного типа, обладающих более высокой чувствительностью и стабильностью характеристик по сравнению с тензорезистивными датчиками. Так, например, известен дифференциальный емкостной датчик угловых и линейных перемещений, содержащий два неподвижных электрода и один подвижный, расположенный между ними [2]. Для преобразования электрической емкости в выходной сигнал используется электронная схема, содержащая в своем составе питающий синусоидальный генератор переменного тока, усилитель дифференциального сигнала и фазовый детектор. Недостатком этого датчика является использование лампы накаливания для стабилизации амплитуды питающего генератора. Такое техническое решение ограничивает рабочий ресурс датчика сроком службы лампы накаливания, а также увеличивает энергопотребление.Also known is a large family of pressure sensors, force and displacement capacitive type, with higher sensitivity and stability characteristics compared to strain gauge sensors. So, for example, a differential capacitive sensor of angular and linear displacements is known, containing two fixed electrodes and one movable located between them [2]. To convert the electric capacitance into an output signal, an electronic circuit is used, which contains a supply sinusoidal alternator, a differential signal amplifier and a phase detector. The disadvantage of this sensor is the use of an incandescent lamp to stabilize the amplitude of the supply generator. Such a technical solution limits the working life of the sensor to the service life of the incandescent lamp, and also increases energy consumption.

Известен также емкостной датчик силы, содержащий преобразователь перемещения с двумя электродами и защитным кольцом, подключенными к электронному блоку с операционным усилителем и компаратором напряжения [3]. Датчик отличается тем, что в него введен термозависимый делитель напряжения, а емкостной преобразователь выполнен недифференциальным с электродами разных диаметров.Also known is a capacitive force sensor containing a displacement transducer with two electrodes and a protective ring connected to an electronic unit with an operational amplifier and a voltage comparator [3]. The sensor is characterized in that a temperature-dependent voltage divider is introduced into it, and the capacitive converter is non-differential with electrodes of different diameters.

Недостатком данного датчика является дополнительная погрешность и нелинейность преобразования, вносимая нелинейной характеристикой терморезистора, на базе которого построен термозависмый делитель напряжения.The disadvantage of this sensor is the additional error and non-linearity of the conversion introduced by the non-linear characteristic of the thermistor, on the basis of which a thermally dependent voltage divider is built.

Близким аналогом заявляемой конструкции тензометра является датчик усилия емкостного типа [4]. Датчик состоит из корпуса, внутри которого размещены подвижный шток и два магнита с нанесенными на них электродами емкостного преобразователя перемещения. Корпус датчика выполнен из диэлектрического и немагнитного материала. Подвижный магнит с нанесенными на нем электродами может перемещаться при воздействии измеряемого усилия на шток. Электронная схема датчика содержит генератор переменного тока, два выпрямителя, усилитель и сумматор двух дифференциальных сигналов. Недостатком данной конструкции является применение постоянных магнитов, что влечет за собой необходимость применения диэлектрического немагнитного корпуса, конструктивно несовместимого по электрохимическому потенциалу со стальной конструкцией морской ледостойкой платформы. Магниты развивают ограниченное усилие по перемещению электродов емкостного преобразователя, что не позволяет применить относительно тугое герметизирующее уплотнение подвижного штока. Датчик данной конструкции не имеет регулировки положения подвижного штока, позволяющего контролировать его метрологические характеристики на месте эксплуатации.A close analogue of the claimed design of the strain gauge is a capacitive-type force sensor [4]. The sensor consists of a housing, inside of which there is a movable rod and two magnets with electrodes of a capacitive displacement transducer deposited on them. The sensor housing is made of dielectric and non-magnetic material. A movable magnet with electrodes deposited on it can move when the measured force acts on the rod. The sensor electronic circuit contains an alternator, two rectifiers, an amplifier and an adder of two differential signals. The disadvantage of this design is the use of permanent magnets, which entails the need to use a dielectric non-magnetic body, structurally incompatible in electrochemical potential with the steel structure of an offshore ice-resistant platform. Magnets develop a limited force to move the electrodes of the capacitive transducer, which does not allow the use of a relatively tight sealing seal of the moving rod. The sensor of this design has no adjustment of the position of the movable rod, allowing to control its metrological characteristics at the place of operation.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности признаков является тензодатчик, содержащий преобразователь линейных перемещений емкостного типа [5]. Чувствительные элементы тензодатчика емкостного типа установлены каждый на отдельной платформе, снабженной линейными или точечными опорами со стороны деформируемой поверхности. Подвижные платформы прижимаются к исследуемой поверхности на расстоянии базы измерений с помощью грузов или магнитов. Недостатками данного технического решения, с точки зрения поставленной задачи, является отсутствие защиты преобразователя линейных перемещений от влияния внешней среды, а также недостаточная жесткость закрепления подвижных опор на поверхности исследуемого объекта грузами или магнитами.The closest technical solution to the claimed one according to the set of features is a strain gauge containing a linear displacement transducer of capacitive type [5]. The sensitive elements of the capacitive load cell are each mounted on a separate platform equipped with linear or point supports on the side of the deformable surface. Moving platforms are pressed to the test surface at the distance of the measurement base using weights or magnets. The disadvantages of this technical solution, from the point of view of the task, is the lack of protection of the linear displacement transducer from the influence of the external environment, as well as the insufficient rigidity of fixing the movable supports on the surface of the object under study with weights or magnets.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции тензометра с высокой эксплуатационной надежностью, свободного от недостатков аналогов и прототипа и пригодного для длительного многолетнего мониторинга напряженно-деформированного состояния ледостойких морских нефтегазовых сооружений.The objective of the present invention is to develop a tensometer design with high operational reliability, free from the disadvantages of analogues and prototype and suitable for long-term long-term monitoring of the stress-strain state of ice-resistant offshore oil and gas facilities.

Указанная цель достигается тем, что тензометр на основе преобразователя линейных перемещений емкостного типа выполнен в виде герметизированного цилиндрического корпуса с выдвижным штоком. Корпус и выдвижной шток крепятся к жестким опорам объекта. Внутри корпуса размещены емкостной первичный преобразователь и вторичный измерительный преобразователь, осуществляющий преобразование электрической емкости в цифровой код. Взаимно подвижные электроды первичного преобразователя закреплены один на корпусе преобразователя, а второй на выдвижном штоке. Вторичный преобразователь выполнен в виде генератора переменного тока, питающего первичный емкостной преобразователь, усилителя сигнала от первичного преобразователя, фазо-чувствительного детектора (ФЧД), выпрямляющего усиленный сигнал, выход ФЧД подключен к аналого-цифровому преобразователю, сопряженному с интерфейсным блоком, формирующему цифровой код. Все перечисленные элементы соединены между собой согласно схеме Фиг.2.This goal is achieved by the fact that the strain gauge based on the linear displacement transducer of the capacitive type is made in the form of a sealed cylindrical body with a sliding rod. The housing and the sliding rod are attached to the rigid supports of the object. A capacitive primary transducer and a secondary measuring transducer carrying out the conversion of electric capacitance into a digital code are located inside the housing. Mutually movable electrodes of the primary transducer are fixed one on the transducer housing, and the second on a retractable rod. The secondary converter is made in the form of an alternating current generator supplying the primary capacitive converter, a signal amplifier from the primary converter, a phase-sensitive detector (PSD), which rectifies the amplified signal, the PSF output is connected to an analog-to-digital converter, coupled to an interface unit forming a digital code. All of these elements are interconnected according to the scheme of Figure 2.

Тензометр также характеризуется тем, что выдвижной шток снабжен скользящим радиальным уплотнением и хвостовиком с микрометрической резьбой и навинченными на резьбу двумя стопорными гайками, на одной из которых нанесена нониусная шкала.The strain gauge is also characterized in that the retractable stem is provided with a sliding radial seal and a shank with micrometric thread and two lock nuts screwed onto the thread, one of which has a vernier scale.

Преимущество предлагаемого устройства, позволяющего устранить недостатки аналогов и прототипа, заключается в совокупности отличительных признаков и прежде всего в том, что вторичный измерительный преобразователь выдает результат измерения в цифровом коде стандартного формата. Это позволяет исключить влияние помех и передавать данные по кабельной линии связи на большое расстояние без искажений и использовать тензометр в составе цифровой информационно-измерительной системы.The advantage of the proposed device, which allows to eliminate the disadvantages of analogues and prototype, lies in the combination of distinctive features and, above all, in that the secondary measuring transducer gives the measurement result in a digital code of a standard format. This allows you to eliminate the influence of interference and transmit data over a cable line over a long distance without distortion and use the strain gauge as part of a digital information-measuring system.

Герметичное уплотнение выдвижного штока, а также корпуса и кабельного ввода повышает эксплуатационную надежность и обеспечивает защиту устройства от влияющих факторов внешней среды, в том числе при работе под водой.The hermetic seal of the retractable rod, as well as the housing and cable entry increases operational reliability and protects the device from environmental influences, including when working under water.

Другим важным преимуществом тензометра является возможность подстройки и метрологического контроля на месте эксплуатации благодаря исполнению выдвижного штока с резьбовым хвостовиком и микрометрической резьбой. Две стопорные гайки, навинченные на хвостовик, одна из которых имеет нониусную шкалу, позволяют точно перемещать шток на заданную величину относительно жесткой опоры и тем самым при монтаже на объект устанавливать первичное положение нуля и контролировать чувствительность в процессе эксплуатации.Another important advantage of the strain gauge is the ability to fine-tune and metrological control at the operating site due to the design of a retractable stem with a threaded shank and micrometric thread. Two lock nuts screwed onto the shank, one of which has a vernier scale, allow you to accurately move the rod by a predetermined amount relative to the rigid support, and thereby when installing on an object, set the initial zero position and control sensitivity during operation.

Тензометр имеет болтовое разъемное крепление к двум жестко приваренным опорам, что облегчает его техническое обслуживание и доступ для ремонта в течение длительного срока эксплуатации.The strain gauge has a bolt detachable mount to two rigidly welded supports, which facilitates its maintenance and access for repair for a long service life.

Конструкция тензометра в схематическом виде приведена на Фиг.1. В состав конструкции входят герметизированный цилиндрический корпус 1, закрепленный болтами к жесткой опоре 2. На левом торце корпуса установлен кабельный токоввод 3 с типовым сальниковым уплотнением. Внутри корпуса размещен первичный преобразователь линейных перемещений емкостного типа в виде двух дисковых электродов 4 и 5. Электрод 4 жестко связан с корпусом, а электрод 5 с выдвижным штоком 6. Выдвижной шток 6 имеет скользящее герметизирующее уплотнение с левой стороны, и резьбовой хвостовик 7 с микрометрической резьбой с правой стороны. На хвостовик навинчены две стопорные гайки 8 и 9, одна из которых имеет нониусную шкалу по ее периметру. Гайки осуществляют крепление подвижного штока к правой жесткой опоре 10. Внутри цилиндрического корпуса размещен также вторичный измерительный преобразователь 11, смонтированный на печатной плате.The design of the strain gauge in a schematic form is shown in Fig.1. The structure of the structure includes a sealed cylindrical housing 1, bolted to a rigid support 2. At the left end of the housing is a cable current lead 3 with a typical stuffing box seal. Inside the housing there is a capacitive-type primary linear transducer in the form of two disk electrodes 4 and 5. The electrode 4 is rigidly connected to the body, and the electrode 5 is with a sliding rod 6. The sliding rod 6 has a sliding sealing seal on the left side, and a threaded shank 7 with a micrometer thread on the right side. Two lock nuts 8 and 9 are screwed onto the shank, one of which has a vernier scale around its perimeter. The nuts fasten the movable rod to the right rigid support 10. Inside the cylindrical body there is also a secondary measuring transducer 11 mounted on a printed circuit board.

Функциональная схема вторичного измерительного преобразователя приведена на Фиг.2. В состав функциональной схемы входят генератор переменного тока 12, питающий первичный преобразователь линейных перемещений 13, усилитель сигнала 14, поступающего от первичного преобразователя, фазо-чувствительный выпрямитель 15, аналого-цифровой преобразователь 16, интерфейсный блок 17.The functional diagram of the secondary measuring transducer is shown in Fig.2. The structure of the functional circuit includes an alternating current generator 12 supplying a primary linear displacement transducer 13, an amplifier of a signal 14 coming from a primary transducer, a phase-sensitive rectifier 15, an analog-to-digital converter 16, an interface unit 17.

Работа тензометра происходит в следующей последовательности. Тензометр с помощью двух болтов и стопорных гаек крепится к двум жестко приваренным опорам, установленным на объекте на расстоянии измерительной базы. По кабельной линии подается питающее напряжение и тензометр начинает измерять деформацию объекта между опорами. Выходное напряжение тензометра в аналоговой форме может измеряться тестером на отдельной жиле кабеля с целью контроля и начальной установки. Установка выходного напряжения в нулевую точку шкалы производится перемещением выдвижного штока с помощью стопорных гаек 8 и 9, используя нониусную шкалу.The operation of the strain gauge occurs in the following sequence. The strain gauge with two bolts and lock nuts is attached to two rigidly welded supports mounted on the object at a distance of the measuring base. The power line is supplied through the cable line and the strain gauge begins to measure the deformation of the object between the supports. The output voltage of the strain gauge in analog form can be measured by a tester on a separate cable core for monitoring and initial installation. The output voltage is set to the zero point of the scale by moving the retractable rod using the lock nuts 8 and 9, using the vernier scale.

При деформации контролируемого объекта (растяжение или сжатие) изменяется расстояние между жесткими опорами 2 и 13 и соответственно изменяется зазор между электродами 4 и 5 емкостного преобразователя линейных перемещений. При изменении зазора между электродами изменяется их электрическая емкость, которая с помощью вторичного измерительного преобразователя 11 сначала преобразуется в пропорциональный электрический сигнал постоянного тока, а затем в цифровой код стандартного формата последовательного интерфейса RS485. Цифровой код передается по кабельной линии в компьютер цифровой информационно-измерительной системы. Аналоговый выход по напряжению также используется для контроля или для спектрального анализа вибраций объекта. Для контроля стабильности метрологических характеристик тензометра периодически осуществляют проверку стабильности точки нуля и чувствительности. Для этого ослабляют стопорные гайки 8 и 9 и производят перемещения выдвижного штока вправо и влево на заданную величину нониусной гайкой. Контролируют выходное напряжение тензометра в аналоговой и цифровой форме по величине заданных перемещений. При необходимости тензометр демонтируют для ремонта и поверки в лабораторных условиях.During deformation of the controlled object (tension or compression), the distance between the rigid supports 2 and 13 changes and, accordingly, the gap between the electrodes 4 and 5 of the capacitive linear displacement transducer changes. When the gap between the electrodes changes, their electric capacitance changes, which, with the help of a secondary measuring transducer 11, is first converted into a proportional DC electric signal, and then into a digital code of the standard RS485 serial interface format. The digital code is transmitted via cable line to the computer of the digital information-measuring system. The analog voltage output is also used for monitoring or for spectral analysis of object vibrations. To control the stability of the metrological characteristics of the strain gauge periodically check the stability of the zero point and sensitivity. To do this, loosen the lock nuts 8 and 9 and move the retractable rod to the right and left by a predetermined amount with a vernier nut. The output voltage of the strain gauge is monitored in analog and digital form by the value of the given displacements. If necessary, the strain gauge is dismantled for repair and calibration in laboratory conditions.

Испытания экспериментального образца тензометра подтвердили ожидаемые характеристики в части чувствительности, стабильности, устойчивости к влиянию внешних факторов и электромагнитной совместимости.Tests of the experimental model of the strain gauge confirmed the expected characteristics in terms of sensitivity, stability, resistance to the influence of external factors and electromagnetic compatibility.

ЛитератураLiterature 1. RU 2393425 С1, МПК1. RU 2393425 C1, IPC Способ определения температуры и The method for determining the temperature and G01B 7/16, 06.05.2009 г.G01B 7/16, May 6, 2009 деформации деталиdeformation of the part 2. http://imlab.ru/Electron/c_Sensor/c2.http: //imlab.ru/Electron/c_Sensor/c Дифференциальный емкостной датчик угловых к линейных перемещенийDifferential Capacitive Angular to Linear Displacement Sensor 3. RU 2065588, МПК G01L 1/14,3. RU 2065588, IPC G01L 1/14, Емкостный датчик силыCapacitive Force Sensor 20.08.1996 г.08/20/1996 4. RU 2193762, МПК G01L 1/00,4. RU 2193762, IPC G01L 1/00, Датчик усилияForce sensor 23.02.2001 г.02/23/2001 5. RU 2343401 С1, МПК G01B 7/16,5. RU 2343401 C1, IPC G01B 7/16, Тензодатчик (прототип)Load cell (prototype) 30.07.2007 г.07/30/2007 6. RU 2147119 С1, МПК G01L 009/12,6. RU 2147119 C1, IPC G01L 009/12, Датчик давленияPressure meter 27.03.2000 г.03/27/2000

Claims

1. A tensometer for measuring the deformation of an object on the base between two rigid supports, comprising a capacitive primary transducer of two mutually moving electrodes and a secondary digital transducer of electric capacitance, characterized in that the tensometer is made in the form of a sealed cylindrical body fixed to one support with a cable entry on one the end face and the sliding rod on the other end, paired with the second support, with the primary and secondary transducers placed inside the sealed housing, while the electrodes of the primary transducer are mounted respectively on the housing and the sliding rod of the strain gauge, and the secondary transducer is made in the form of an alternating current generator connected to the primary transducer and to the control input of the phase-sensitive detector (PSF), an amplifier of the output signal of the primary transducer connected to the signal input of a phase-sensitive detector (PSF), the output of which is connected to an analog-to-digital converter, coupled to an interface unit of formation The digital code.

2. The strain gauge according to claim 1, characterized in that the sliding rod is provided with a sliding radial seal and a shank with micrometric thread and two lock nuts screwed onto the thread, one of which is equipped with a vernier scale applied around the nut perimeter.