RU2765802C1

RU2765802C1 - Hydraulic stress sensor for ice cover

Info

Publication number: RU2765802C1
Application number: RU2020139205A
Authority: RU
Inventors: Максим Сергеевич Знаменский; Сергей Михайлович Ковалёв; Александр Иванович Шушлебин; Сергей Николаевич Щепанюк; Анатолий Александрович Яцкевич
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-02-03

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to equipment and measuring technology and can be used for measuring directional stresses in ice. The apparatus includes a flat receiving element with an internal cavity and a pressure sensor, filled with a liquid. The flat receiving element therein comprises a replaceable connecting tube and is connected to an external measuring apparatus with a pressure sensor and a pressure gauge installed thereon and to an external compensation pressure adjuster via a splitter.

EFFECT: increase in the accuracy of measurement of directional stresses in ice, achieved by maintaining a constant sensitivity of the apparatus throughout the entire working measurement range.

2 cl, 1 dwg

Description

Гидравлический датчик напряжений для ледяного покрова относится к ледоведению и ледотехнике и служит для измерения направленных напряжений во льду, которые используются при определении характеристик прочности льда, прогнозе его разрушения и для обеспечения безопасного пребывания людей и техники на льду и строительстве гидротехнических сооружений на шельфе замерзающих морей.The hydraulic stress sensor for ice cover refers to ice science and ice engineering and is used to measure directional stresses in ice, which are used to determine the characteristics of ice strength, predict its destruction and ensure the safe stay of people and equipment on ice and the construction of hydraulic structures on the shelf of freezing seas.

Известно устройство для измерения давления во льду /1/, которое выполнено в виде упругого полого шара с расположенными внутри измерителями его деформации. К недостаткам устройства следует отнести тот факт, что с его помощью можно определять только давление (скалярную величину) в слое льда и невозможно определение напряжений в заданном направлении измерения.Known device for measuring pressure in ice /1/, which is made in the form of an elastic hollow ball located inside the gauges of its deformation. The disadvantages of the device include the fact that it can only determine the pressure (scalar value) in the ice layer and it is impossible to determine the stresses in a given direction of measurement.

Известен также закладной датчик, предназначенный для мониторинга полного давления в грунте /2/. Установка датчика производится при возведении насыпей, обратной засыпке, сооружении подпорных стен и т.д. Датчик состоит из двух круглых пластин, сваренных по периметру и образующих внутри себя полость. Полость заполнена несжимаемой жидкостью. Грунт воздействует на пластину, вызывая изменение давления жидкости в корпусе датчика. Жидкость передает давление на мембрану, связанную с встроенным датчиком давления. Чувствительным элементом датчика является металлическая струна. Давление меняет силу натяжения и резонансную частоту колебаний струны датчика, что считывается с помощью электромагнитных катушек. К недостаткам устройства следует отнести то, что датчик не приспособлен для применения в ледовых условиях. Закладка датчика производится в горизонтальной плоскости для фиксации статического вертикального давления грунта. Датчик невозможно откалибровать или проверить его работоспособность после его установки в грунт.Also known embedded sensor designed to monitor the total pressure in the ground /2/. The sensor is installed during the construction of embankments, backfilling, construction of retaining walls, etc. The sensor consists of two round plates, welded along the perimeter and forming a cavity inside. The cavity is filled with an incompressible fluid. The soil acts on the plate, causing a change in fluid pressure in the sensor housing. The fluid transmits pressure to a diaphragm connected to a built-in pressure transducer. The sensitive element of the sensor is a metal string. The pressure changes the tension and resonant frequency of the pickup string, which is read by electromagnetic coils. The disadvantages of the device include the fact that the sensor is not suitable for use in ice conditions. The sensor is laid in a horizontal plane to fix the static vertical pressure of the soil. The sensor cannot be calibrated or checked for performance once it has been installed in the ground.

Известно взятое за прототип устройство для измерения напряжений в твердых средах, в том числе и во льду /3/. Оно содержит два жестких приемных диска, один из которых выполнен ступенчатым, и на ступенях уложены трубчатые кольца с увеличивающейся жесткостью к центру диска. При возрастании напряжений диски сжимаются и, по мере возрастания напряжений во льду происходит ступенчатое увеличение жесткости устройства. В центре между дисками установлен датчик перемещений. Калибровка осуществляется в прессе перед установкой устройства в лед.Known taken as a prototype device for measuring stresses in solid media, including ice /3/. It contains two hard receiving discs, one of which is stepped, and tubular rings are laid on the steps with increasing rigidity towards the center of the disc. As the stresses increase, the disks are compressed and, as the stresses in the ice increase, a stepwise increase in the rigidity of the device occurs. A displacement sensor is installed in the center between the disks. Calibration is carried out in the press before placing the device in ice.

К недостаткам устройства следует отнести переменную (ступенчатую) чувствительность датчика, невозможность проведения тестирования устройства во время работы во льду и его значительную толщину вследствие конструктивных особенностей, что снижает точность измерений.The disadvantages of the device include the variable (stepped) sensitivity of the sensor, the impossibility of testing the device during operation in ice, and its significant thickness due to design features, which reduces the measurement accuracy.

Техническим результатом предложенной конструкции является повышение точности измерения направленных напряжений во льду.The technical result of the proposed design is to improve the accuracy of measuring directional stresses in ice.

Это достигается путем сохранения постоянной чувствительности устройства во всем рабочем диапазоне измерений и тем, что приемный элемент датчика, выполненного из двух круглых пластин, соединенных по периметру и содержащих внутри себя полость. При этом толщина приемного элемента намного меньше его диаметра. Сам приемный элемент сменной тонкой трубкой соединен через тройник при помощи быстроразъемных соединений (БРС) рукавами с выносным измерительным блоком и выносным компенсационным регулятором давления. Соединительные сменные трубки изготавливаются разной длины для установки датчика во льду на необходимой глубине в зависимости от решаемых задач. Выносной измерительный блок включает датчик давления мембранного типа и образцовый манометр. Датчик давления через плату аналого-цифровой преобразователь (АЦП) стыкуется с регистратором, например, ноутбуком. Образцовый манометр предназначен для визуальной регистрации давления в системе при тестировании устройства. Выносной компенсационный регулятор обеспечивает установку нулевого уровня давления в системе датчика после его замораживания во льду, а также для проверки работоспособности системы и тестировании устройства.This is achieved by maintaining a constant sensitivity of the device over the entire operating range of measurements and by the fact that the receiving element of the sensor is made of two round plates connected along the perimeter and containing a cavity inside. In this case, the thickness of the receiving element is much less than its diameter. The receiving element itself is connected by a replaceable thin tube through a tee using quick couplings (BRS) by sleeves with an external measuring unit and an external compensation pressure regulator. Interchangeable connecting tubes are manufactured in different lengths to install the sensor in ice at the required depth, depending on the tasks being solved. The remote measuring unit includes a membrane-type pressure sensor and a reference pressure gauge. The pressure sensor through the analog-to-digital converter (ADC) board is connected to the registrar, for example, a laptop. The reference pressure gauge is designed to visually record the pressure in the system when testing the device. The remote compensation regulator provides zero pressure setting in the sensor system after it has been frozen in ice, as well as for checking the system performance and testing the device.

Состав предлагаемой конструкции приведен на фиг. 1, на которой представлен:The composition of the proposed design is shown in Fig. 1, which shows:

1 - приемный элемент,1 - receiving element,

2 - пропил,2 - propyl,

3 - ледяной покров,3 - ice cover,

4 - сменная трубка,4 - replaceable tube,

5 - тройник,5 - tee,

6 - быстроразъемные соединения,6 - quick connectors,

7, 8 - рукава,7, 8 - sleeves,

9 - выносной измерительный блок,9 - remote measuring unit,

10 - выносной компенсационный регулятор давления,10 - remote compensation pressure regulator,

11 - мембранный датчик давления,11 - membrane pressure sensor,

12 - образцовый манометр.12 - exemplary pressure gauge.

Указанные элементы устройства соединены следующим образом. В пропиле 2 сделанном в ледяном покрове 3 установлен приемный элемент 1, который соединен сменной трубкой 4 через тройник 5 при помощи быстроразъемные соединения 6 рукавами 7 и 8 с выносным измерительным блоком 9 и выносным компенсационным регулятором давления 10. На измерительном блоке 9 установлены мембранный датчик давления 11 и образцовый манометр 12.These elements of the device are connected as follows. In the cut 2 made in the ice cover 3, a receiving element 1 is installed, which is connected by a replaceable tube 4 through a tee 5 using quick couplings 6 by sleeves 7 and 8 with an external measuring unit 9 and an external compensation pressure regulator 10. A membrane pressure sensor is installed on the measuring unit 9 11 and exemplary pressure gauge 12.

Гидравлический датчика напряжений осуществляется следующим образом. В ледяном покрове 3 производят пропил 2 на заданную глубину. В пропил 2 вставляют приемный элемент 1 с присоединенной трубкой 4, длина которой выбирается в соответствии с глубиной установки устройства. Далее гидравлический приемный элемент 1 через тройник 5, быстроразъемные соединения 6 рукавами 7 и 8 подсоединяется к выносному измерительному блоку 9 с мембранным датчиком давления 11 и образцовым манометром 12, а также к выносному компенсационному регулятору давления 10. Датчик давления 11 через плату АЦП (на фиг. 1 не указан) стыкуется с регистрирующим устройством. После чего производят замораживание приемного элемента 1. Далее при помощи компенсационного регулятора давления 10 выводят гидравлический датчик напряжений в ноль и проводят тестирование устройства во льду, увеличивая давление в системе и возвращаясь к нулевому уровню.Hydraulic stress sensor is carried out as follows. In the ice cover 3, a cut 2 is made to a predetermined depth. A receiving element 1 is inserted into the cut 2 with an attached tube 4, the length of which is selected in accordance with the installation depth of the device. Further, the hydraulic receiving element 1 through a tee 5, quick couplings 6 by sleeves 7 and 8 is connected to an external measuring unit 9 with a membrane pressure sensor 11 and a reference pressure gauge 12, as well as to an external compensating pressure regulator 10. Pressure sensor 11 through the ADC board (in Fig. .1 not specified) is docked with the recording device. After that, the receiving element 1 is frozen. Then, using the compensation pressure regulator 10, the hydraulic stress sensor is brought to zero and the device is tested in ice, increasing the pressure in the system and returning to zero.

Использованные источник уровня техникиUsed prior art source

1. Альтшулер Г.Г., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Датчик давления / Авт. свид. №561887. 1977. (Аналог).1. Altshuler G.G., Smirnov V.N., Shushlebin A.I. Pressure sensor / Aut. certificate No. 561887. 1977. (Analogue).

2. Датчик давления: модель 19ХХ. Производитель: Sungjin Geotech Корея. Company Address: 6-1, Yeongdeungpo-ro 25-gil, Yeongdeungpo-gu, Seoul, Korea. (Аналог).2. Pressure sensor: model 19XX. Manufacturer: Sungjin Geotech Korea. Company Address: 6-1, Yeongdeungpo-ro 25-gil, Yeongdeungpo-gu, Seoul, Korea. (Analogue).

3. Никитин В.А., Смирнов B.H., Сыроваткин В.И., Шушлебин А.И. Авт. Свид. №1633295, 1990 г. 3. Nikitin V.A., Smirnov B.N., Syrovatkin V.I., Shushlebin A.I. Auth. Certificate No. 1633295, 1990

Claims

1. Hydraulic stress sensor for ice cover, including a flat receiving element with an internal cavity filled with liquid and with a built-in pressure sensor, characterized in that the flat receiving element is connected through a replaceable connecting tube and a splitter to an external measuring device with a pressure sensor installed on it and pressure gauge and to a compensating external pressure regulator.

2. Hydraulic stress sensor for ice cover according to claim 1, characterized in that the replaceable connecting tubes are made of different lengths.