RU2657550C1

RU2657550C1 - Pressure cell for measuring voltages in soils

Info

Publication number: RU2657550C1
Application number: RU2017127438A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Евтушенко; Владимир Владимирович Фирсов; Евгений Геннадьевич Скибин; Михаил Андреевич Кучумов
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2018-06-14

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment, is intended for measuring stress in soils under dynamic loads, in particular during soil compaction, blasting, earthquake, and can be used in construction, mining, experimental research. Load cell for measuring stress in the soil consists of a body, a protective cover located on top of the body, airspace, hydraulic fluid, working cover, ring gasket, while the working cover is made in the form of a straight thick-walled circular cylindrical glass, the bottom of which is made in the form of an elastic membrane. Body is annular and made of an electrically insulating material, protective cover is made in the form of a straight thick-walled circular cylindrical cup, the bottom of which is made in the form of a rigid membrane, protective cover is located on top of the annular body, and working cover is located at the bottom of the annular body. Ring gasket is installed between the working cover, the bottom of the annular body and the protective cover, the protective and working covers are interconnected. In the inner wall of the annular body, two circular elastic metal membranes rigidly constrained along the contour and arranged parallel to each other are provided, on the inner surfaces of which, from the constraint circuits in the annular body to their centers, ring elastic insulating protective coatings are applied to half their radius. Space between the elastic metal membranes, which act as electrodes, is filled with a liquid electrolyte, and the hydraulic fluid fills the space between the working cover, the lower elastic metal membrane and the annular body.

EFFECT: technical result consists in increasing operational reliability and reliability of voltage measurements.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения напряжения в грунтах при динамических нагрузках, в частности при уплотнении грунта, взрывных работах, землетрясении, и может быть использовано в строительстве, горном деле, экспериментальных исследованиях.The invention relates to measuring equipment, is intended for measuring stress in soils under dynamic loads, in particular during soil compaction, blasting, earthquakes, and can be used in construction, mining, experimental research.

Известно устройство «Месдоза для измерения напряжений в грунте» [Патент RU 2031197], состоящее из корпуса, передающего элемента, крышки, двух упругих мембран с тензорезисторами, жестко закрепленных по концам в корпусе и посередине к передающему элементу при помощи кольца. В передающем элементе и мембране имеются сквозные отверстия для натяжного винта, упругих прокладок.A device is known "Mesdoza for measuring stress in the ground" [Patent RU 2031197], consisting of a housing, a transmitting element, a cover, two elastic membranes with strain gauges, rigidly fixed at the ends in the housing and in the middle to the transmitting element using a ring. The transmission element and the membrane have through holes for the tensioning screw, elastic gaskets.

Недостатками этого устройства являются невозможность измерения напряжений в грунте при быстрых динамических нагрузках, что обусловлено наличием в конструкции массивного передающего элемента и других деталей, а также большая погрешность измерений, обусловленная ее конструкцией:The disadvantages of this device are the inability to measure stresses in the ground under fast dynamic loads, due to the presence of a massive transmitting element and other parts in the design, as well as a large measurement error due to its design:

а) большой относительной высотой, так как известно [Энциклопедия современной техники. Строительство. М., 1964. Изд-во «Советская энциклопедия» (раздел: Давление в грунтах. Измерение); http://bibliotekar.ru/spravochnik-181-enciklopedia-tehniki/281.htm], что величина относительной погрешности для жестких месдоз прямо пропорциональна отношению их высоты к диаметру;a) high relative height, as it is known [Encyclopedia of modern technology. Construction. M., 1964. Publishing house "Soviet Encyclopedia" (section: Pressure in the soil. Measurement); http://bibliotekar.ru/spravochnik-181-enciklopedia-tehniki/281.htm], that the value of the relative error for rigid mass doses is directly proportional to the ratio of their height to diameter;

б) влиянием переменного модуля деформации грунта.b) the influence of a variable modulus of soil deformation.

Известно устройство «Месдоза» [http://studopedia.su/16_56502_mesdoza.html], принятое за прототип, состоящее из металлического корпуса, нижней (рабочей) и верхней (защитной) крышек, прокладок. Корпус и рабочая крышка выполнены в виде прямых толстостенных круговых цилиндрических стаканов, а их дно в виде упругих мембран. На мембрану корпуса с внутренней стороны стакана наклеены тензодатчики, а сверху корпус закрыт плоской защитной крышкой с круговой прокладкой, образуя воздушное пространство. Между корпусом и расположенной снизу рабочей крышкой установлена кольцевая прокладка. Пространство между рабочей крышкой и корпусом заполнено гидравлической жидкостью.The device "Mesdoza" [http://studopedia.su/16_56502_mesdoza.html], adopted for the prototype, consisting of a metal housing, lower (working) and upper (protective) covers, gaskets. The case and the working cover are made in the form of straight thick-walled circular cylindrical glasses, and their bottom in the form of elastic membranes. Strain gages are glued to the housing membrane from the inside of the cup, and the top is closed by a flat protective cover with a circular gasket, forming an air space. An annular gasket is installed between the housing and the working cover located below. The space between the working cover and the housing is filled with hydraulic fluid.

Недостатком этого устройства является ненадежность его работы при ударных нагрузках, например при уплотнении грунта, во время забивки сваи или взрывных работах. Это обусловлено тем, что наклеенные на мембрану тензодатчики при ударной нагрузке отслаиваются.The disadvantage of this device is the unreliability of its operation under shock loads, for example during compaction of the soil, during pile driving or blasting. This is due to the fact that the strain gauges glued to the membrane peel off during impact loading.

Изобретение направлено на измерение напряжения в грунтах при динамических нагрузках, при этом достигается технический результат, заключающийся в повышении надежности и достоверности измерений таких напряжений.The invention is directed to measuring stress in soils under dynamic loads, while achieving a technical result, which consists in increasing the reliability and reliability of measurements of such stresses.

Технический результат достигается месдозой для измерения напряжения в грунтах, состоящей из корпуса, защитной крышки, расположенной сверху корпуса, воздушного пространства, гидравлической жидкости, рабочей крышки, кольцевой прокладки, при этом рабочая крышка выполнена в виде прямого толстостенного кругового цилиндрического стакана, дно которого выполнено в виде упругой мембраны, а корпус выполнен кольцевым из электроизоляционного материала, защитная крышка выполнена в виде прямого толстостенного кругового цилиндрического стакана, дно которого выполнено в виде жесткой мембраны, защитная крышка расположена сверху кольцевого корпуса, а рабочая крышка расположена снизу кольцевого корпуса, а кольцевая прокладка установлена между рабочей крышкой, низом кольцевого корпуса и защитной крышкой, защитная и рабочая крышки соединены между собой, во внутренней стенке кольцевого корпуса жестко защемлены по контуру две круглые упругие металлические мембраны, расположенные параллельно друг другу, на внутренние поверхности которых от контуров защемления в кольцевом корпусе к их центрам нанесены на величину половины их радиуса кольцевые эластичные электроизоляционные защитные покрытия, пространство между упругими металлическими мембранами, выполняющими роль электродов, заполнено жидким электролитом, а гидравлическая жидкость заполняет пространство между рабочей крышкой, нижней упругой металлической мембраной и кольцевым корпусом.The technical result is achieved by a pressure gauge for measuring stress in soils, consisting of a housing, a protective cover located on top of the housing, air space, hydraulic fluid, a working cover, an annular gasket, while the working cover is made in the form of a straight thick-walled circular cylindrical cup, the bottom of which is made in the form of an elastic membrane, and the casing is made circular from an insulating material, the protective cover is made in the form of a straight thick-walled circular cylindrical glass, but which is made in the form of a rigid membrane, the protective cover is located on top of the annular case, and the working cover is located below the annular case, and the ring gasket is installed between the working cover, the bottom of the annular case and the protective cover, the protective and working covers are interconnected, in the inner wall of the annular the casing is rigidly clamped along the contour of two round elastic metal membranes located parallel to each other, on the inner surfaces of which are from the pinching contours in the ring casing to and At the centers, half the radius is provided with ring elastic electrical insulating protective coatings, the space between the elastic metal membranes acting as electrodes is filled with liquid electrolyte, and the hydraulic fluid fills the space between the working cover, the lower elastic metal membrane and the ring body.

На фиг. 1 показан общий вид устройства месдозы.In FIG. 1 shows a general view of a mesdoze device.

На фиг. 2 приведена эпюра деформации круглой защемленной по контуру мембраны под распределенной нагрузкой.In FIG. Figure 2 shows the diagram of the deformation of a circular membrane clamped along the contour under a distributed load.

Месдоза для измерения напряжения в грунтах состоит из кольцевого корпуса 1, выполненного из электроизоляционного материала, рабочей 2 и защитной 3 крышек, выполненных в виде прямых толстостенных круговых цилиндрических стаканов. Защитная крышка 3 расположена сверху кольцевого корпуса 1, а рабочая крышка 2 расположена снизу кольцевого корпуса 1, причем дно рабочей крышки 2 выполнено в виде упругой мембраны (на фиг. не показана), а дно защитной крышки 3 выполнено в виде жесткой мембраны (на фиг. не показана). Во внутренней стенке кольцевого корпуса 1 жестко защемлены по контуру две круглые упругие металлические мембраны 4, 5, расположенные параллельно друг другу. На внутренние поверхности упругих металлических мембран 4, 5 от контура защемления в кольцевом корпусе 1 к их центрам нанесены на величину половины их радиуса кольцевые эластичные электроизоляционные защитные покрытия 6. Пространство между упругими металлическими мембранами 4 и 5, выполняющими роль электродов, заполнено жидким электролитом 7, образуя «электрохимическую ячейку». Между рабочей крышкой 2, низом кольцевого корпуса 1 и защитной крышкой 3 установлена кольцевая прокладка 8. Гидравлическая жидкость 9 заполняет пространство между рабочей крышкой 2, нижней упругой металлической мембраной 5 и кольцевым корпусом 1. Узел устройства, стягивающего крышки 2 и 3, например, с помощью болтового или резьбового соединения (на фиг. не показан). Токосъемный узел может быть закреплен на крышке 3 (на фиг. не показан).Mesdoza for measuring stress in the soil consists of an annular body 1 made of insulating material, working 2 and protective 3 covers made in the form of straight thick-walled circular cylindrical glasses. The protective cover 3 is located on top of the annular housing 1, and the working cover 2 is located below the annular housing 1, and the bottom of the working cover 2 is made in the form of an elastic membrane (not shown in Fig.), And the bottom of the protective cover 3 is made in the form of a rigid membrane (in FIG. not shown). In the inner wall of the annular body 1, two circular elastic metal membranes 4, 5 located parallel to each other are rigidly clamped along the contour. On the inner surfaces of the elastic metal membranes 4, 5 from the pinching contour in the ring casing 1, ring elastic electrical insulating protective coatings are applied to the centers of their radius half the size of their radius 6. The space between the elastic metal membranes 4 and 5, acting as electrodes, is filled with liquid electrolyte 7, forming an "electrochemical cell". An annular gasket 8 is installed between the working cover 2, the bottom of the annular housing 1 and the protective cover 3. Hydraulic fluid 9 fills the space between the working cover 2, the lower elastic metal membrane 5 and the ring housing 1. The assembly of the device, which tightens the covers 2 and 3, for example, using a bolted or threaded connection (not shown in FIG.). The collector assembly can be mounted on the cover 3 (not shown in FIG.).

Месдоза работает следующим образом. При возникновении динамических напряжений в грунтах они воспринимаются упругой мембраной рабочей крышки 2, при этом гидравлическая жидкость 9 деформирует упругую металлическую мембрану 4, а жидкий электролит 7 деформирует упругую металлическую мембрану 5 электрохимической ячейки.Mesdoza works as follows. When dynamic stresses occur in the soil, they are perceived by the elastic membrane of the working cover 2, while the hydraulic fluid 9 deforms the elastic metal membrane 4, and the liquid electrolyte 7 deforms the elastic metal membrane 5 of the electrochemical cell.

Известно [А.Я. Гохштейн. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. Под ред. А.Н.Фрумкина. М., Наука, 1976, с. 33], что если при деформации электрода, находящегося в контакте с электролитом, изменяется его площадь, то возникает «эффект упругого заряжения». При этом если заряд электрода поддерживается постоянным, например, путем введения демпфирующего сопротивления в цепь электрода, то меняется потенциал самого электрода относительно раствора. Сопротивление выбирается настолько большим, чтобы межфазный слой не успевал разрядиться за период динамической деформации (постоянная времени разряда равна произведению емкости электрода на указанное сопротивление), что повышает надежность и достоверность измерений.It is known [A.Ya. Hohstein. Surface tension of solids and adsorption. Ed. A.N. Frumkina. M., Science, 1976, p. 33], that if the deformation of the electrode in contact with the electrolyte changes its area, then the "effect of elastic charging" occurs. Moreover, if the electrode charge is kept constant, for example, by introducing damping resistance into the electrode circuit, then the potential of the electrode relative to the solution changes. The resistance is chosen so large that the interfacial layer does not have time to discharge during the period of dynamic deformation (the discharge time constant is equal to the product of the electrode capacitance by the specified resistance), which increases the reliability and reliability of the measurements.

В случае круглых защемленных по контуру упругих мембран при их деформации эпюра растяжения-сжатия представлена на фиг. 2, из которой видно, что в разных частях мембраны происходит растяжение-сжатие от деформации, близкое по величине, но противоположное по знаку и не приводящее к изменению величины исходной площади.In the case of round elastic membranes clamped along the contour during their deformation, the tension-compression diagram is shown in FIG. 2, from which it can be seen that in different parts of the membrane, tension-compression from deformation occurs, close in magnitude, but opposite in sign and not leading to a change in the magnitude of the initial area.

При контакте упругих металлических мембран 4 и 5 с жидким электролитом 7 изменение их потенциалов при их деформации не произойдет, поэтому в месдозе (предлагаемом устройстве) применены кольцевые эластичные электроизоляционные защитные покрытия 6, защищающие часть упругих металлических мембран 4 и 5 от соприкосновения с жидким электролитом 7, а кольцевой корпус 1 выполнен из электроизоляционного материала. Это позволяет выделить центральную часть упругих металлических мембран 4 и 5, одна из которых будет испытывать растяжение, а другая - сжатие, что и приведет к появлению электрического сигнала между деформируемыми упругими металлическими мембранами 4 и 5 (электродами электрохимической ячейки), т.е. происходит прямое преобразование деформации упругих металлических мембран 4 и 5 в электрический сигнал. Установленная между рабочей крышкой 2, низом кольцевого корпуса 1 и защитной крышкой 3 кольцевая прокладка 8 изолирует их друг от друга и одновременно служит для герметизации пространства между кольцевым корпусом 1 и рабочей крышкой 2, а также герметизирует стык между рабочей 2 и защитной 3 крышками.When elastic metal membranes 4 and 5 come in contact with liquid electrolyte 7, their potentials will not change when they are deformed, therefore, elastic elastic insulating protective coatings 6 are used in the mesdoz (proposed device) to protect some of the elastic metal membranes 4 and 5 from contact with liquid electrolyte 7 and the annular body 1 is made of electrical insulating material. This makes it possible to isolate the central part of the elastic metal membranes 4 and 5, one of which will undergo tension and the other under compression, which will lead to the appearance of an electrical signal between the deformable elastic metal membranes 4 and 5 (electrodes of the electrochemical cell), i.e. there is a direct conversion of the deformation of the elastic metal membranes 4 and 5 into an electrical signal. Installed between the working cover 2, the bottom of the annular housing 1 and the protective cover 3, the annular gasket 8 isolates them from each other and at the same time serves to seal the space between the annular housing 1 and the working cover 2, and also seals the joint between the working 2 and the protective 3 covers.

Для уменьшения погрешности необходимо стремиться к применению месдоз с минимально возможной относительной высотой, а также применять месдозы, модуль деформации которых в 5-10 раз больше модуля деформации грунта. Жесткость месдозы повышают с помощью гидравлической жидкости 9, а дно стакана защитной крышки 3 выполняют в виде жесткой мембраны (на фиг. не показана).To reduce the error, it is necessary to strive for the use of mesdozes with the lowest possible relative height, as well as to use mesdozes, the deformation modulus of which is 5-10 times greater than the soil deformation modulus. The stiffness of the pulp dose is increased with the help of hydraulic fluid 9, and the bottom of the glass of the protective cover 3 is made in the form of a rigid membrane (not shown in Fig.).

Таким образом, решается проблема измерения напряжения в грунтах при динамических нагрузках, при этом технический результат, заключающийся в повышении надежности и достоверности измерения напряжения в грунтах, обеспечивается за счет прямого преобразования напряжений, возникающих в грунте, и последующих деформаций упругих металлических мембран электрохимической ячейки в электрический сигнал.Thus, the problem of measuring stress in soils under dynamic loads is solved, while the technical result, which is to increase the reliability and reliability of measuring stress in soils, is ensured by direct conversion of stresses occurring in the soil and subsequent deformations of the elastic metal membranes of the electrochemical cell into electrical signal.

Claims

Mesdoza for measuring stress in soils, consisting of a housing, a protective cover located on top of the housing, air space, hydraulic fluid, a working cover, an annular gasket, while the working cover is made in the form of a straight thick-walled circular cylindrical cup, the bottom of which is made in the form of an elastic membrane characterized in that the casing is made circular from an insulating material, the protective cover is made in the form of a straight thick-walled circular cylindrical glass, the bottom of which is flaxen in the form of a rigid membrane, the protective cover is located on top of the annular case, and the working cover is located below the annular case, and the ring gasket is installed between the working cover, the bottom of the annular case and the protective cover, the protective and working covers are interconnected, in the inner wall of the ring case two circular elastic metal membranes parallel to each other are clamped along the contour, on the inner surfaces of which are from the pinching contours in the ring casing to their application centers For half their radius, they are ring elastic electrical insulating protective coatings, the space between the elastic metal membranes acting as electrodes is filled with liquid electrolyte, and the hydraulic fluid fills the space between the working cover, the lower elastic metal membrane and the ring body.