RU2724993C1 - Method of monitoring force action on ferromagnetic rod element - Google Patents
Method of monitoring force action on ferromagnetic rod element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2724993C1 RU2724993C1 RU2020109357A RU2020109357A RU2724993C1 RU 2724993 C1 RU2724993 C1 RU 2724993C1 RU 2020109357 A RU2020109357 A RU 2020109357A RU 2020109357 A RU2020109357 A RU 2020109357A RU 2724993 C1 RU2724993 C1 RU 2724993C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- emg
- fse
- monitoring
- monitoring system
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
- G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительных приборов, а именно к способам непрерывного мониторинга ферромагнитных стержневых элементов строительных конструкций под воздействием сил растяжения-сжатия, таких как вантовые и висячие системы, напрягаемая и обычная арматура железобетонных конструкций, несущие тросы разводных мостов и подъемных механизмов.The invention relates to the field of measuring devices, and in particular to methods for continuous monitoring of ferromagnetic rod elements of building structures under the influence of tensile-compression forces, such as cable-stayed and suspension systems, tensile and conventional reinforcement of reinforced concrete structures, bearing cables of movable bridges and lifting mechanisms.
Известны способы определения механических напряжений с использованием магнитопровода для намагничивания изделия и вычисления комплексного спектра сигнала (RU 2195636, опубл. 27.12.2002, RU 2189020, опубл. 10.09.2002, RU 2441227, опубл. 27.01.2012, RU 2527310, опубл. 27.08.2014, RU 2527666, опубл. 10.09.2014). Способы разработаны с учетом взаимосвязи механических напряжений в ферромагнитном материале с магнитными свойствами, которая проявляется в виде эффекта Виллари (Физическая энциклопедия). Известные способы применимы в случаях периодических проверок на наличие дефектов. Однако указанные способы не учитывают воздействие температур, которые влияют на определение величины механического напряжения и не позволяют с высокой точностью осуществлять непрерывный мониторинг напряженно-деформированного состояния строительных конструкций.Known methods for determining mechanical stresses using a magnetic circuit to magnetize the product and calculate the complex signal spectrum (RU 2195636, publ. 12/27/2002, RU 2189020, publ. 09/10/2002, RU 2441227, publ. 27.01.2012, RU 2527310, publ. 27.08 .2014, RU 2527666, publ. 09/10/2014). The methods are developed taking into account the relationship of mechanical stresses in a ferromagnetic material with magnetic properties, which manifests itself in the form of the Villari effect (Physical Encyclopedia). Known methods are applicable in cases of periodic checks for defects. However, these methods do not take into account the effects of temperatures that affect the determination of the value of mechanical stress and do not allow high accuracy to continuously monitor the stress-strain state of building structures.
Наиболее близким к - заявляемому является способ замера механических напряжений в ферромагнитных протяженных конструкциях с симметричным сечением типа рельсов (RU 2521753, опубл. 1.07.2014), согласно которому предварительно осуществляют намагничивание изделия с помощью постоянных магнитов или путем пропускания тока по нему. Способ основан на магнитоупругом эффекте, возникающем под действием механических деформаций в ферромагнитном симметричном изделии (эффект Виллари), и осуществляется с использованием подвижных индуктивных датчиков для сканирования сечения рельсы.Closest to the claimed one is a method for measuring mechanical stresses in long ferromagnetic structures with a symmetrical section such as rails (RU 2521753, publ. 1.07.2014), according to which the product is pre-magnetized using permanent magnets or by passing current through it. The method is based on the magnetoelastic effect arising under the action of mechanical deformations in a ferromagnetic symmetrical product (Villari effect), and is carried out using movable inductive sensors to scan the rail section.
Известный способ позволяет выявить дефекты и зарегистрировать наличие механического напряжения в изделии, но он не определяет достоверную величину этого напряжения. Система не подвергается калибровке и не учитывает воздействие температур. Такой способ применим в случае периодических проверок на наличие дефектов, но для непрерывного мониторинга металлических стержневых элементов строительных конструкций, например, канатов вантовых и висячих систем, тросов подъемных механизмов, напрягаемой и обычной арматуры железобетонных конструкций и т.п., такой способ не применим.The known method allows to identify defects and register the presence of mechanical stress in the product, but it does not determine the reliable value of this voltage. The system is not calibrated and does not take into account the effects of temperature. This method is applicable in the case of periodic checks for defects, but for continuous monitoring of metal core elements of building structures, for example, ropes of cable-stayed and hanging systems, cables of hoisting mechanisms, prestressed and ordinary reinforced concrete structures, etc., this method is not applicable.
Технический результат - обеспечение непрерывного мониторинга напряженно-деформированного состояния ферромагнитных стержневых элементов конструкций, типа несущие тросы вантовых и висячих систем, арматурные элементы и т.п., и повышение достоверности способа за счет учета температурного воздействия окружающей среды при каждом замере величины силового воздействия, а также предварительной калибровки системы мониторинга.The technical result is the provision of continuous monitoring of the stress-strain state of ferromagnetic rod structural elements, such as load-bearing cables of cable-stayed and suspension systems, reinforcing elements, etc., and increasing the reliability of the method by taking into account the temperature effect of the environment at each measurement of the magnitude of the force effect, and also pre-calibration of the monitoring system.
Указанный технический результат достигается тем, что способ мониторинга силового воздействия на ферромагнитный стержневой элемент включает замер силового воздействия на стержень и основан на магнитоупругом эффекте, возникающем под действием механических деформаций в ферромагнитном стержневом элементе. Согласно изобретению внутри катушки электромагнитной головки (ЭМГ) с температурным датчиком ЭМГ помещают ферромагнитный стержневой элемент (ФСЭ) с температурным датчиком ФСЭ, затем соединяют эту электромагнитную пару и указанные температурные датчики с системой мониторинга, оснащенной собственным температурным датчиком. Предварительно проводят калибровку системы мониторинга и размещают ее в специальном корпусе. Далее из микроконтроллера системы подают на ЭМГ импульсы тока, усиленные силовым блоком системы, с заданной частотой и амплитудой, а величину силового воздействия на ФСЭ (σ) в данный момент времени вычисляют в зависимости от величины изменения среднего значения измеряемого напряжения (Uavg), температуры катушкиThe specified technical result is achieved by the fact that the method of monitoring the force on the ferromagnetic rod element includes measuring the force on the rod and is based on the magnetoelastic effect that occurs under the action of mechanical deformations in the ferromagnetic rod element. According to the invention, a ferromagnetic rod element (FSE) is placed inside the coil of the electromagnetic head (EMG) with the EMG temperature sensor and the FSE temperature sensor, then this electromagnetic pair and these temperature sensors are connected to a monitoring system equipped with its own temperature sensor. The monitoring system is pre-calibrated and placed in a special case. Next, from the microcontroller of the system, current pulses are fed to the EMG, amplified by the power unit of the system, with a given frequency and amplitude, and the magnitude of the force effect on the FSE (σ) at a given time is calculated depending on the magnitude of the change in the average value of the measured voltage (U avg ), temperature coils
ЭМГ (T1), температуры ФСЭ (T2) и температуры системы мониторинга (T3) по заданной математической зависимости:EMG (T 1 ), FSE temperature (T 2 ) and monitoring system temperature (T 3 ) according to a given mathematical relationship:
гдеWhere
α, β, γ, ε - параметры, определяемые в ходе калибровки системы мониторинга,α, β, γ, ε - parameters determined during the calibration of the monitoring system,
i -индекс суммирования;i is the summation index;
n - старшая степень, с которой переменные входят в модель, n is the highest degree with which the variables enter the model,
Далее сравнивают величину σ с заданным допустимым значением и передают данные сравнения на пульт оператора для принятия решений.Next, the value of σ is compared with a given acceptable value and the comparison data is transmitted to the operator console for decision making.
Кроме того, ЭМГ выполняют в форме полого цилиндра с катушкой, обеспечивающей создание переменного магнитного поля в ФСЭ при пропускании импульсов тока.In addition, EMG is performed in the form of a hollow cylinder with a coil, which provides the creation of an alternating magnetic field in the FSE while transmitting current pulses.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.
На фиг. 1 представлена блок-схема системы мониторинга силового воздействия на ферромагнитный стержневой элемент строительной конструкции согласно заявляемому способу.In FIG. 1 shows a block diagram of a system for monitoring the force effect on a ferromagnetic core element of a building structure according to the claimed method.
На фиг. 2 показана в изометрии электромагнитная головка с помещенным внутри нее стержневым ферримагнитным элементом (электромагнитная пара).In FIG. 2 is an isometric view of an electromagnetic head with a core ferrimagnetic element (electromagnetic pair) placed inside it.
На фиг. 1 и 2 показаны:In FIG. 1 and 2 are shown:
1 - микроконтроллер (МК);1 - microcontroller (MK);
2 - измерительный блок;2 - measuring unit;
3 - силовой блок;3 - power unit;
4 - электромагнитная головка (ЭМГ);4 - electromagnetic head (EMG);
5 - датчик температуры ЭМГ;5 - EMG temperature sensor;
6 - датчик температуры ферромагнитного стержневого элемента (ФСЭ);6 - temperature sensor ferromagnetic rod element (FSE);
7 - источник питания силового блока 3;7 - power supply of the
8 - пульт оператора;8 - operator panel;
9 - блок питания системы мониторинга;9 - power supply monitoring system;
10 - датчик температуры устройства для мониторинга (внутри шкафа корпуса);10 - temperature sensor of the monitoring device (inside the cabinet);
11 - ФСЭ в оболочке;11 - FSE in the shell;
12 - трос ФСЭ.12 - cable FSE.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
Предварительно внутри катушки ЭМГ 4 помещают ФСЭ 11, образующие электромагнитную пару. Температурные датчики 5 и 6 установлены в ЭМГ 4 таким образом, что измеряют температуру катушки ЭМГ 4 и температуру ФСЭ, соответственно. Перед установкой на конструкцию систему мониторинга калибруют, т.е. определяют постоянные величины α, β, γ, ε, которые являются параметрами математической модели, зависящими от физических характеристик ФСЭ 1. Систему размещают в специальном корпусе (не показан).Preliminarily, inside the EMG 4 coil, FSE 11 is placed, forming an electromagnetic pair.
В корпусе устанавливают температурный датчик 10. При подаче питания от стабилизированного источника питания 7 (стабилизируется напряжение источника питания, а изменяется и измеряется величина тока) силовой блок 3 генерирует импульсы тока с частотой и амплитудой, задаваемой МК 1, и передает на ЭМГ 4, в полости катушки которой размещен ФСЭ 11 (фиг. 2).A temperature sensor 10 is installed in the housing. When power is supplied from a stabilized power source 7 (the voltage of the power source is stabilized, and the current value is measured), the
При этом на низкоомном резисторе (не показан) измерительного блока 2 наблюдается падение среднего значения напряжения, пропорционального току, протекающему через катушку ЭМГ 4.In this case, on a low-resistance resistor (not shown) of the
Согласно эффекту Виллари при изменении длины (размера) ферромагнитного стержневого элемента изменяются его магнитные свойства (магнитная проницаемость). Т.к. ЭМГ 4 и ФСЭ 11 образуют электромагнитную пару, то импульсы тока, протекающие через ЭМГ 4, порождают переменное магнитное поле в области ФСЭ 11. Изменение магнитных свойств при деформации ФСЭ 11 удается детектировать путем измерения среднего значения импульсов тока.According to the Villari effect, when the length (size) of a ferromagnetic rod element changes, its magnetic properties (magnetic permeability) change. Because Since EMG 4 and FSE 11 form an electromagnetic pair, the current pulses flowing through
Силовой блок 3 подает усиленные импульсы переменного тока на ЭМГ 4, в которой они меняют форму и значения в зависимости от величины силового воздействия σ, возникающего на ФСЭ 11. Далее сигнал попадает в измерительный блок 2, который замеряет величину интегрального напряжения (Uavg) с ЭМГ 4 и далее передает его на МК 1.The
МК 1 осуществляет вычисление величины нагрузки силового воздействия σ на ФСЭ 11 с учетом показаний температур Т1, Т 2 и Т3 с датчиков 5, 6 и 10, а также с учетом величин α, β, γ, ε, определенных при калибровке ЭМГ 4, по следующей математической зависимости:.MK 1 calculates the load of the force impact σ on the
Для дальнейшей обработки и интерпретации оцифрованных данных информация с МК 1 поступает на пульт оператора 8, например, на ПК по интерфейсу USB.For further processing and interpretation of digitized data, information from MK 1 is sent to the
Далее описан процесс мониторинга силового воздействия на ферромагнитный (стальной) трос с оболочкой (стренд) вантового моста.The following describes the process of monitoring the force effect on a ferromagnetic (steel) cable with a sheath (strand) of a cable-stayed bridge.
В процессе монтажа вантовой системы стальной трос 12 с оболочкой, который представляет собой ФСЭ 11, разместили в полости катушки ЭМГ 4, установили его и закрепили. Внутри катушки ЭМГ 4 предварительно были размещены температурные датчики 5 и 6. В таком виде электромагнитная пара была установлена внутри системы вантового моста.During the installation of the cable-stayed system, a
Наружный соединительный кабель подключили к системе мониторинга с собственным температурным датчиком 10 (фиг. 1), которую разместили в отдельном шкафу.An external connecting cable was connected to the monitoring system with its own temperature sensor 10 (Fig. 1), which was placed in a separate cabinet.
При подключении питания системы мониторинга от блока 9 МК 1 генерировал короткие импульсы тока, задавая частоту, равную 10 Гц с длительностью импульса 5 мс и периодичностью 1 час.When power was supplied to the monitoring system from
Силовой блок 3, представляющий собой схему полного ключевого моста на полевых транзисторах с драйверами и опторазвязкой, преобразовал сигналы в импульсы тока с аналогичными временными характеристиками и амплитудой порядка 7 А и передал их на ЭМГ 4.The
Температурные датчики 5, 6 и 10 по запросу МК 1 передали на вход МК 1 следующие показания:
Т1=23°С, Т2=27°С, Т3=42°С.T 1 = 23 ° C, T 2 = 27 ° C, T 3 = 42 ° C.
На выходе измерительного блока 2 величина интегрального напряжения Uavg вторичного тока составила 2950 мВ. В результате вычислений МК 1 величина силового воздействия σ на трос составила 20000Н. Допустимое значение величины а - не более 25000 Н.At the output of the
Если бы величина σ была выше 25000 Н, то система сообщила бы оператору об усилии σ, превышающем допустимое значение в ванте. Такое усилие привело бы к разрушению ванты.If the value of σ were above 25000 N, the system would inform the operator of the force σ exceeding the permissible value in the cable. Such an effort would lead to the destruction of the cable.
Через 1 час система снова осуществила опрос, сгенерировала импульсы и зарегистрировала величину Uavg. Результаты опроса: величин Т1, Т2, Т3 остались прежними, но величина Uavg. стала равной 2405 мВ. Расчет показал, что величина σ была равна нулю, что свидетельствовало об аномалии, характерной для обрыва ванта. Сообщение об этом с МК 1 поступило на пульт оператора.After 1 hour, the system again polled, generated pulses and recorded the value of U avg . The survey results: the values of T 1 , T 2 , T 3 remained the same, but the value of U avg . became equal to 2405 mV. The calculation showed that the value of σ was equal to zero, which indicated an anomaly characteristic of the cable termination. A message about this from
Кроме указанного технического результата заявляемый способ обладает рядом преимуществ по сравнению с известными, а именно:In addition to the specified technical result, the claimed method has several advantages in comparison with the known, namely:
- способ работает в температурном диапазоне от -50 до +70°С, что позволяет использовать его практически по всей территории России при любых погодных условиях без снижения технических характеристик системы;- the method works in the temperature range from -50 to + 70 ° C, which allows it to be used practically throughout the territory of Russia under any weather conditions without reducing the technical characteristics of the system;
- возможность установки ЭМГ и электромагнитной пары в железобетонных конструкциях на этапе бетонирования без риска повреждения элементов устройства;- the ability to install EMG and electromagnetic pairs in reinforced concrete structures at the concreting stage without the risk of damage to the elements of the device;
- система мониторинга, осуществляющая заявляемый способ, не содержит движущихся частей и элементов, чувствительных к механическим повреждениям, что обеспечивает высокую износостойкость и надежность в работе.- the monitoring system implementing the inventive method does not contain moving parts and elements sensitive to mechanical damage, which provides high wear resistance and reliability in operation.
Заявляемый способ может быть использован при мониторинге силового воздействия следующих строительных конструкций:The inventive method can be used to monitor the force effects of the following building structures:
- вантовые и висячие системы;- cable-stayed and hanging systems;
- напрягаемая и обычная арматура железобетонных конструкций;- prestressed and ordinary reinforcement of reinforced concrete structures;
- несущие тросы разводных мостов и подъемных механизмов.- bearing cables of drawbridges and hoisting mechanisms.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020109357A RU2724993C1 (en) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | Method of monitoring force action on ferromagnetic rod element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020109357A RU2724993C1 (en) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | Method of monitoring force action on ferromagnetic rod element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2724993C1 true RU2724993C1 (en) | 2020-06-29 |
Family
ID=71509808
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020109357A RU2724993C1 (en) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | Method of monitoring force action on ferromagnetic rod element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2724993C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2073856C1 (en) * | 1992-08-17 | 1997-02-20 | Башкирский государственный университет им.40-летия Октября | Method of determination of mechanical stresses and magneto-elastic transducer for determination of mechanical stresses |
RU2159924C1 (en) * | 1999-06-17 | 2000-11-27 | Уренгойское производственное объединение им. С.А. Оруджева "Уренгойгазпром" | Procedure determining intensity of stress in articles made of ferromagnetic materials and device for its implementation |
CN100397059C (en) * | 2006-06-20 | 2008-06-25 | 淮海工学院 | Mechanical stress measuring apparatus |
US20130221950A1 (en) * | 2012-02-23 | 2013-08-29 | Polycontact Ag | Method and measurement arrangement for measuring mechanical stresses in ferromagnetic workpieces |
RU2521753C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) | On-line detection method of defects and mechanical stresses in extended structures |
-
2020
- 2020-03-02 RU RU2020109357A patent/RU2724993C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2073856C1 (en) * | 1992-08-17 | 1997-02-20 | Башкирский государственный университет им.40-летия Октября | Method of determination of mechanical stresses and magneto-elastic transducer for determination of mechanical stresses |
RU2159924C1 (en) * | 1999-06-17 | 2000-11-27 | Уренгойское производственное объединение им. С.А. Оруджева "Уренгойгазпром" | Procedure determining intensity of stress in articles made of ferromagnetic materials and device for its implementation |
CN100397059C (en) * | 2006-06-20 | 2008-06-25 | 淮海工学院 | Mechanical stress measuring apparatus |
US20130221950A1 (en) * | 2012-02-23 | 2013-08-29 | Polycontact Ag | Method and measurement arrangement for measuring mechanical stresses in ferromagnetic workpieces |
RU2521753C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) | On-line detection method of defects and mechanical stresses in extended structures |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN201438141U (en) | Bridge dynamic deflection test device | |
EP1869437B1 (en) | Method for measuring the condition of steel structures | |
US5821430A (en) | Method and apparatus for conducting in-situ nondestructive tensile load measurements in cables and ropes | |
JPH07197457A (en) | Structural element, particularly tensile strength unit of soil or rock anchor, pressureproof unit of pile, prestressed concrete structure and monitor for clamping unit for diagonal cable bridge rope | |
CN108489641B (en) | Stress measuring device and method for prestressed steel strand | |
JPH02212734A (en) | Apparatus and method for detecting change in structual integrity of structural member | |
Liu et al. | Comparison of AC and pulsed magnetization-based elasto-magnetic methods for tensile force measurement in steel strand | |
Zhang et al. | Prediction of fatigue damage in ribbed steel bars under cyclic loading with a magneto-mechanical coupling model | |
CN105158300A (en) | Detection method for bridge linear steel member | |
CN103048066A (en) | Monitoring method for prestress state of side slope anchor cable | |
CN111855027A (en) | Stress monitoring method for bridge deck and newly-built bearing platform in bridge structure | |
RU2724993C1 (en) | Method of monitoring force action on ferromagnetic rod element | |
Wang et al. | Monitoring of cable forces using magneto-elastic sensors | |
CN205352586U (en) | Monitoring and automatic measurement system of prestressed anchorage cable internal force | |
Ricken et al. | Improved multi-sensor for force measurement of pre-stressed steel cables by means of the eddy current technique | |
Apicella et al. | Experimental evaluation of external and built-in stress in Galfenol rods | |
RU198377U1 (en) | An electromagnetic sensor for measuring internal stresses in a rod ferromagnetic element of a building structure | |
Lin et al. | Crack damage detection of structures using distributed electrical-time-domain reflectometry sensors | |
CN107421670A (en) | It is a kind of can inside long term monitoring stress of steel bunch prestress pipe bay assemblies and its construction method | |
Jackiewicz et al. | New methodology of testing the stress dependence of magnetic hysteresis loop of the L17HMF heat resistant steel casting | |
RU199215U1 (en) | Electromagnetic sensor for measuring internal stresses in a ferromagnetic rod element of a building structure | |
EP0602039B1 (en) | Method for measuring mechanical stresses and fatigue conditions in steel | |
Krešák et al. | Testing methods of steel wire ropes at the anchor | |
RU2281489C2 (en) | Wear sensing method for steel wire rope of hoisting machine | |
Kurz et al. | Non-destructive stress determination of steel elements in pre-stressed constructions using micromagnetic and ultrasound methods |