WO2010053392A1 - Transducer for measuring vertical displacements - Google Patents

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WO2010053392A1
WO2010053392A1 PCT/PT2009/000058 PT2009000058W WO2010053392A1 WO 2010053392 A1 WO2010053392 A1 WO 2010053392A1 PT 2009000058 W PT2009000058 W PT 2009000058W WO 2010053392 A1 WO2010053392 A1 WO 2010053392A1
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WO
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transducer
load cell
liquid
measuring
vertical displacements
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PCT/PT2009/000058
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Portuguese (pt)
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WO2010053392A4 (en
Inventor
Joaquim De Azevedo Figueiras
Carlos Manuel DA SILVA FÉLIX
Carlos Filipe Guedes Rodrigues
Original Assignee
Universidade Do Porto
Instituto Politécnico Do Porto
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C5/00Measuring height; Measuring distances transverse to line of sight; Levelling between separated points; Surveyors' levels
    • G01C5/04Hydrostatic levelling, i.e. by flexibly interconnected liquid containers at separated points

Definitions

  • the measurement of relative vertical displacements in civil engineering structures - arrows is one of the most representative quantities of the behavior of this structure and a reference quantity in the evaluation of its safety and integrity.
  • the measurement of these arrows is generally hampered, in the specific case of bridges, by the impossibility of establishing physical references, particularly in the ground, to allow their autonomous and permanent measurement.
  • Different techniques of arrow measurement have been tried and adopted in real structures allowing, depending on the structure typology and the terrain morphology, different levels of autonomy and precision.
  • Patent Number JP56162009 May 19, 1980
  • the object of this patent is for the measurement of liquid levels associated with measurement of arrows in civil engineering works on transient or permanent structural monitoring systems.
  • the transducer uses a hydrostatic leveling that runs through the structure under observation and a fixed reference position, enabling the relative vertical position of the various instrumented points to be determined over time by measuring the height. of the column of liquid at each of these same points.
  • 0 liquid level sensor shown here is designed and framed in the foregoing context, it takes advantage of a principle more than 2000 years, widely 'known Archimedes principle, and translates, as a result of its internal architecture, directly, perfectly linear and highly sensitive, the variation of a hydrostatic level (namely of water or possibly of a comparable fluid) in the signal of extensometric sensors (of any nature).
  • Figure 1 Transducer for measuring vertical displacements: measuring mechanism and general internal constitution - Section A-A;
  • Figure 2 - Transducer for measuring vertical displacements measuring mechanism and general internal constitution - Section B-B;
  • Figure 12 Lower element for immersible body suspension: front view
  • Figure 13 Lower element for immersible body suspension: side view
  • Figure 14 Upper element for immersible body suspension: front view
  • Figure 15 Upper element for immersible body suspension: side view
  • Figure 17 Schematic principle of the method of measuring arrows using liquid levels
  • Figure 18 Diagram of forces on the body partially immersed in a liquid
  • Figure 19 - Load cell single-line, deformed diagram, bending moment diagram and axial stress diagram.
  • a at time t1 is the liquid height at point A at the initial time (t); 3 ⁇ 4 'the height of liquid in the (fixed) reference section at time t ⁇ ; and "0 o and the liquid height in the (fixed) reference section at the initial time (t 0 ).
  • the target vertical displacement transducer of this invention developed for the purpose of measuring arrows in civil engineering works, thus bases its operation on measuring the height of the liquid column at a given point in a hydraulic circuit. .
  • the structure of the present relative vertical displacement transducer is shown in Figure 1 and Figure 2.
  • the basic principle for obtaining the height of liquid is to measure the apparent weight of a body of previously studied geometry and properties (6), partially immersed in a liquid and whose immersed volume is associated with its relative liquid height (position (2)).
  • the Archimedes Principle is used to deduce that, being a solid body, partially immersed in a fluid, by the action of an upward pushing force of hydrostatic origin (see Figure 18), the value of its weight, within that liquid is apparently less than its weight measured in air (resulting from the forces? and 1 ⁇ .
  • the difference between the value of the actual weight (P) measured in air and the impulse exerted by the liquid (') corresponds to apparent body weight (3 ⁇ 4?) ⁇
  • Vi is the immersed volume of the cylindrical or prismatic body; A is the base area of the body; * is the immersed height of the body; m is the mass of the body; ⁇ is the acceleration of gravity and P is the density of the liquid in which the body is immersed.
  • the present transducer consists of a watertight container (1) connected to the respective hydraulic circuit (3) by means of a tubular nozzle (9) near the base (8).
  • This container (1) comprises inside it the free surface of the liquid column (2) as well as suspended through its upper cover (18) the partially immersed rigid cylindrical body (6) and a load cell (4) which It will be possible to measure, over time, through a pair of extensometric sensors (5) the respective apparent weight of the different body (6).
  • 3 ⁇ 4 correspond to the forces installed on the part, namely axial stress and bending moment, respectively; 3 ⁇ 4 is the apparent weight of the body suspended in the load cell (acting external force) and 'the respective arm of the load cell.
  • a pair of strain gauges arranged in opposite fibers of the thinner central vertical zone (see Figure 9) subjected to composite circular flexion, form the basis of this sensor and lead to an element which, in addition to its high sensitivity, has high temporal and meteorological stability. , making it particularly suitable for permanent structural monitoring applications.
  • the mechanical strain, « is numerically given by the sum of the axial strain portion, * m, and the bending strain portion, * m, given
  • R is the modulus of elasticity of the material
  • A is the cross-sectional area
  • ' is the moment of inertia of the cross section the local coordinate of the part perpendicular to its axis.
  • the total strain, 1 ⁇ 2, measured by a strain gauge is given, as shown above, by the sum of the said portions and corresponds to:
  • this load cell besides having a geometry and dimensions adjusted to its function and the desired sensitivity and field of measurement (7), presents perfectly defined boundary conditions (12/13 and 14/15) that allow a clear and stable characterization of the internal stresses installed.
  • boundary conditions (12/13 and 14/15) that allow a clear and stable characterization of the internal stresses installed.
  • a cylindrical or prismatic outer container (1) connected to the reference hydraulic circuit (3) by a mouth (9) of similar diameter to the circuit itself, internally contains its fluid in imminent hydrostatic equilibrium. Access to the interior of this outer container (1) is by means of a removable lid (18) rigidly secured to the main body using a sequence of securing screws (20). Under service conditions, it is within the container (1) that the free surface of the liquid column (2) of the respective hydraulic system is within a pre-defined measuring range (7). Stainless steel also ensures the attachment of all internal mechanical components by means of a central fastener (17) located on the top cover (18).
  • a partially immersed body (6) i.e. the suspended mass subjected to an eminently variable thrust and whose apparent weight is to be measured, is coupled to a load cell (4) and suspended from the lid.
  • This element (6) consists of a cylindrical surface, closed at the tops and as a whole slightly denser than the liquid.
  • the driving force acting on this element is directly proportional to the height of liquid installed inside the container. Its dimensions are defined so that, on the one hand, it covers the desired field of measurement (7) - height, and on the other hand, it ensures that the pushing force, proportional to the planar area of this element, is consistent with the sensitivity. intended. It is a target element that can be adapted to either the field of measurement or the sensitivity of the sensor. A conical shape in the base further ensures the elimination of unwanted air bubbles in contact with the surface of this body.
  • the load cell (4) takes advantage of a studied geometry in order to allow a high sensitivity and stability in measuring the apparent weight of the suspended body.
  • This element has a "U" geometry, with the points of application of the forces (12/13 and 14/15) at their ends and subjected in the central region to compound circular bending forces.
  • it is a high rigidity element, thus contributing to a negligible deviation resulting from the consideration of the suspended body as integrally with the structure over the entire measuring range of the sensor.
  • strain gauges (5) installed on opposite sides of the thinner central load cell (4) subjected to compound circular flexion, in turn, isolates the flexing effect, leading to the total elimination of deformation due to axial stress installed on the part and the effects associated with temperature variation.
  • it is a versatile transducer in the nature and technology of its signal, which, depending on the nature of the installed strain gauges (5), may be associated with both electric-based and optical-based monitoring systems. .
  • the connections between the load cell (4) and the suspended body (6) and between the load cell (4) and the transducer cover (18) are punctually connected via a conical system. (12/13 and 14/15) on both the load cell (4) and its supports (17 and 10). This detail contributes to a repeatable and stable positioning of the load application points in the load cell.
  • a pair of transverse dowels (11 and 16) further guarantee the integrity of the system against sudden movements, for example resulting from system installation.
  • connection to the hydraulic circuit (3) has adequate architecture and characteristics which, in hydrostatic equilibrium, allows the leveling of all points of the lower mouth (9) by means of commercial stainless steel hydraulic pipe fittings.
  • a fastening system to the rigid base (8) of the transducer by means of a three-point screw arrangement (22) shall ensure rigid attachment of the transducer to the frame and allow for vertical adjustment of the sensor body.
  • the verticality of the transducer will ensure no physical contact between the moving elements of the transducer, ensuring no friction and resulting deviations.
  • An air inlet valve (21) at the top of the transducer allows, when open, the air pressure inside the transducer to be identical to the local atmospheric pressure.
  • Two mechanical connectors (19) allow the connection of this transducer to a sensor network and its acquisition equipment.

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Abstract

The present invention relates to a transducer for measuring vertical displacement in civil engineering structures, such as bridges and overpasses. For that purpose, the transducer carries out hydrostatic levelling over the structure being observed, from a fixed reference position, thus enabling the relative vertical displacement over time to be determined at the various points equipped with said instrument. This transducer is based on the principle of Archimedes and is formed by an outer container (1) containing a liquid in a hydrostatic quasi-equilibrium (2) with the additional hydraulic circuit (3), said container representing the altimetric position of said body in relation to the remaining circuit. A partially immersed mass (6) is coupled by means of a load cell (4) provided with extensiometric sensors (5), allowing the liquid level to be transformed into a force (apparent weight of the body (6)) that can be measured by the load cell (4) in the signal from the extensiometric sensors.

Description

DESCRIÇÃO  DESCRIPTION
"TRANSDUTOR PARA MEDIÇÃO DE DESLOCAMENTOS VERTICAIS" "TRANSDUCER FOR MEASURING VERTICAL DISPLACEMENTS"
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO BACKGROUND OF THE INVENTION
A observação automática do comportamento de viadutos e pontes é um tema em crescente desenvolvimento, donde sobressaem inúmeras potencialidades e assinalável interesse em qualquer processo de avaliação, manutenção e reforço estrutural . A informação proveniente da observação do comportamento das referidas obras de arte é, em diferentes contextos, um elemento preponderante no controlo da qualidade e segurança da construção e um indicador de relevo na gestão e manutenção da infra-estrutu a ao longo de todo o seu período de vida útil . Automatic observation of the behavior of viaducts and bridges is a growing theme, highlighting numerous potentialities and remarkable interest in any process of assessment, maintenance and structural reinforcement. Information from the observation of the behavior of these works of art is, in different contexts, a major element in the control of the quality and safety of the building and an important indicator in the management and maintenance of the infrastructure throughout its period. Shelf life.
No âmbito proposto, a medição de deslocamentos verticais relativos em estruturas de engenharia civil - flechas, nomeadamente no tabuleiro de pontes, constitui uma das grandezas mais representativas do comportamento dessa mesma estrutura e uma grandeza de referência na avaliação da sua segurança e integridade. Contudo, a medição dessas flechas está geralmente dificultada, no caso específico das pontes, pela impossibilidade em estabelecer referências físicas, designadamente no solo, que permitam a sua medição autónoma e permanente. Diferentes técnicas de medição de flechas têm sido experimentadas e adoptadas em estruturas reais permitindo, função da tipologia da estrutura e da morfologia do terreno, diferentes niveis de autonomia e precisão. Das técnicas experimentadas para medição flechas, destacam-se as que contemplam, nos casos mais simples, uma prumada vertical, rígida ou flexível, ao solo e correspondente medição do deslocamento relativo junto deste último, passando, nos casos mais complexos, por técnicas de aplicação geodésica fazendo uso de nivelamentos geométricos ou posicionamento tridimensional através de sistema de medição à base de níveis ópticos ou teodolitos respectivamente, até, nos casos mais recentes, recorrem ao Sistema de Posicionamento Global - GPS. Contudo, ainda com o mesmo propósito, um dos métodos que tem demonstrado mais vantagens e maior sucesso na monitorização de pontes, sempre que a referência física ao solo está impossibilitada, é a medição, dessas mesmas flechas, com base em sistemas de níveis líquidos. Within the proposed scope, the measurement of relative vertical displacements in civil engineering structures - arrows, namely in the bridge deck, is one of the most representative quantities of the behavior of this structure and a reference quantity in the evaluation of its safety and integrity. However, the measurement of these arrows is generally hampered, in the specific case of bridges, by the impossibility of establishing physical references, particularly in the ground, to allow their autonomous and permanent measurement. Different techniques of arrow measurement have been tried and adopted in real structures allowing, depending on the structure typology and the terrain morphology, different levels of autonomy and precision. Among the techniques used for measuring arrows, the ones that contemplate, in the simplest cases, a vertical rigid or flexible plumbing to the ground, and corresponding measurement of the relative displacement next to the latter, in the most complex cases, by application techniques. using geodetic leveling or three-dimensional positioning by means of optical level or theodolite measurement systems respectively, until, in the most recent cases, they use the Global Positioning System - GPS. However, for the same purpose, one of the methods that has shown the most advantages and the greatest success in bridge monitoring, whenever physical reference to the ground is impossible, is the measurement of these arrows based on liquid level systems.
É precisamente com recurso a um sistema de níveis líquidos que actua o transdutor objecto desta patente. Constitui, desta forma, um instrumento de medição de níveis líquidos que, em equilíbrio hidrostático ao longo da estrutura e fruto da metodologia adiante exposta, permite o seu relacionamento com os deslocamentos verticais relativos da estrutura. It is precisely through the use of a liquid level system that acts the transducer object of this patent. It is thus a liquid level measuring instrument which, in hydrostatic equilibrium along the structure and as a result of the methodology explained below, allows its relationship with the relative vertical displacements of the structure.
Salienta-se, que a técnica exposta e a utilização de níveis líquidos na medição de flechas de estruturas, não é por si só novidade, tendo sido, ao longo dos últimos anos, experimentados, cora o mesmo fim, diferentes instrumentos de medição tais como sensores piezoresistivos ou transdutores de pressão/níveis líquidos, sobretudo de natureza mecânica ou eléctrica, muitas vezes, não especificamente desenvolvidos para esta aplicação . Na vertente exposta e procurando fazer referência à utilização de sistemas de níveis líquidos para medição de deslocamentos verticais em obras de arte, destacam-se, a título de exemplo, alguns registos mais próximos referenciados nas bases de dados disponíveis: It should be noted that the exposed technique and use Measurement of liquid levels in the measurement of structure arrows is not new in itself and, over the last few years, different measuring instruments such as piezoresistive sensors or pressure / liquid level transducers have been tried for the same purpose. mechanical or electrical in nature, often not specifically developed for this application. In the foregoing, and seeking to refer to the use of liquid level systems for measuring vertical displacements in works of art, the following are some of the closest records referenced in the available databases:
- METHOD FOR MEASURING LEVEL OF LARGE-SCALED STRUCTURE Número da Patente: JP63120213 de 7 de Novembro de 1986 - METHOD FOR MEASURING LEVEL OF LARGE-SCALED STRUCTURE Patent Number: JP63120213 of November 7, 1986
- DISPLACEMENT MEASURING DEVICE - DISPLACEMENT MEASURING DEVICE
Número da Patente : JP56162009 de 19 de Maio de 1980  Patent Number: JP56162009 May 19, 1980
- METHOD A D DEVICE FOR MEASURING DISPLACEMENT FOR EVALUATING LOAD RESISTANCE OF BRIDGE - METHOD A D DEVICE FOR MEASURING DISPLACEMENT FOR EVALUATING LOAD RESISTANCE OF BRIDGE
Número da Patente: R20010084318 de 24 de Fevereiro de 2000  Patent Number: R20010084318 of February 24, 2000
- DEVICE FOR MEASURING THE LEVEL OF A FLUID IN A CONTAINER Número da Patente: EP0604670 de 19 de Dezembro de 1992 - DEVICE FOR MEASURING THE LEVEL OF A FLUID IN A CONTAINER Patent Number: EP0604670 of 19 December 1992
- MEASURING DEVICE OF SHAPE OF BRIDGE - MEASURING DEVICE OF SHAPE OF BRIDGE
Número da Patente: JP10227633 de 13 de Fevereiro de 1997 Apresenta-se, ao longo deste documento, os principais aspectos inovadores do objecto desta patente, denominado transdutor de deslocamento para medição de flechas em obras de arte, assim como, as suas principais vantagens quando confrontado com os equipamentos tradicionais . Patent Number: JP10227633 of February 13, 1997 Throughout this document, we present the main innovative aspects of the object of this patent, called displacement transducer for measuring arrows in works of art, as well as its main advantages when compared to traditional equipment.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO E VANTAGENS SUMMARY OF THE INVENTION AND ADVANTAGES
O objecto desta patente, aqui designado por "transdutor para medição de deslocamentos verticais" tem por objectivo a medição de níveis líquidos associada à medição de flechas em obras de arte de engenharia civil em sistemas de monitorização estrutural de carácter transitório ou permanente. The object of this patent, hereinafter referred to as the "vertical displacement measuring transducer", is for the measurement of liquid levels associated with measurement of arrows in civil engineering works on transient or permanent structural monitoring systems.
Este transdutor recorre, para o efeito, a um nivelamento hidrostático que percorre a estrutura em observação e a uma posição de referência fixa, permiti do a determinação, ao longo do tempo, da posição vertical relativa dos diversos pontos instrumentados por intermédio da medição da altura relativa da coluna de líquido em cada um desses mesmos pontos. For this purpose, the transducer uses a hydrostatic leveling that runs through the structure under observation and a fixed reference position, enabling the relative vertical position of the various instrumented points to be determined over time by measuring the height. of the column of liquid at each of these same points.
0 sensor de níveis líquidos aqui apresentado, concebido e enquadrado no contexto exposto, tira partido de um princípio com mais de 2000 anos, sobejamente' conhecido, Princípio de Arquimedes, e traduz, fruto da sua arquitectura interna, de forma directa, perfeitamente linear e com elevada sensibilidade, a variação de um nivel hidrostático (nomeadamente de água ou eventualmente de outro fluido equiparável) no sinal de sensores extensométricos (de qualquer natureza) . 0 liquid level sensor shown here is designed and framed in the foregoing context, it takes advantage of a principle more than 2000 years, widely 'known Archimedes principle, and translates, as a result of its internal architecture, directly, perfectly linear and highly sensitive, the variation of a hydrostatic level (namely of water or possibly of a comparable fluid) in the signal of extensometric sensors (of any nature).
Constitui um transdutor que permite compensar, através da sua arquitectura, todos os efeitos decorrentes da variação da temperatura sobre os seus componentes internos . Este aspecto conduz a um sensor com elevada estabilidade temporal e meteorológica, particularmente apto para aplicações permanentes de monitorização estrutural . It is a transducer that makes it possible to compensate, through its architecture, all the effects of temperature variation on its internal components. This leads to a sensor with high temporal and meteorological stability, particularly suitable for permanent structural monitoring applications.
Apresenta um campo de medida que pode ser aj ustado à especificidade da estrutura a monitorizar e uma sensibilidade de cerca 0,05% desse mesmo campo de medida quando associado a um circuito hidráulico na medição de flechas em obras de arte de engenharia civil . Estas duas características são essenciais face ao domínio das grandezas a medir e são conseguidas com alterações previstas nas dimensões de alguns elementos críticos do transdutor . It has a measurement field that can be adjusted to the specificity of the structure to be monitored and a sensitivity of about 0.05% of that same field of measurement when associated with a hydraulic circuit in the measurement of arrows in civil engineering works. These two characteristics are essential in view of the range of quantities to be measured and are achieved with expected changes in the dimensions of some critical transducer elements.
É um transdutor versátil na natureza e tecnologia do seu sinal que, função da natureza dos extensómetros instalados, pode estar associado tanto a sistemas de monitorização de base eléctrica como a sistemas de base óptica . Quando munido de extensómetros de base óptica, permite ter, na monitorização de flechas em obras de arte de engenharia civil, as vantagens indiscutíveis da cada vez mais emergente tecnologia óptica, nomeadamente o facto do sinal de natureza óptica por eles emitido poder ser adquirido de forma autónoma, com elevada precisão e estabilidade, serem insensíveis a campos electromagnéticos, poderem estar associados a técnicas de multiplexagem e a perda de sinal ao longo do percurso do feixe poder ser compensada com o aumento da potência da fonte. It is a versatile transducer in the nature and technology of its signal which, depending on the nature of the installed strain gauges, may be associated with both electrical based and optical base monitoring systems. When equipped with optical base strain gauges, it has the unquestionable advantages of monitoring arrows in civil engineering works. The most emerging optical technology, namely the fact that the optical signal emitted by them can be autonomously acquired, with high precision and stability, are insensitive to electromagnetic fields, may be associated with multiplexing techniques and signal loss over the long term. beam path can be compensated by increasing the power of the source.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
A descrição que segue baseia-se nos desenhos anexos que sem qualquer carácter limitativo representam: The following description is based on the accompanying drawings which without any limitation represent:
Figura 1 - Transdutor para medição de deslocamentos verticais: mecanismo de medição e constituição interna geral - Corte A-A; Figure 1 - Transducer for measuring vertical displacements: measuring mechanism and general internal constitution - Section A-A;
Figura 2 - Transdutor para medição de deslocamentos verticais: mecanismo de medição e constituição interna geral - Corte B-B;  Figure 2 - Transducer for measuring vertical displacements: measuring mechanism and general internal constitution - Section B-B;
Figura 3 - Pormenor da base do corpo do transdutor para fixação à estrutura - Corte C-C;  Figure 3 - Detail of the base of the transducer body for attachment to the structure - Cut C-C;
Figura 4 - Pormenor da tampa amovível do corpo do transdutor;  Figure 4 - Detail of the removable cover of the transducer body;
Figura 5 - Corpo suspenso receptor da força de impulsão: vista frontal;  Figure 5 - Suspension force receiving suspended body: front view;
Figura 6 - Corpo suspenso receptor da força de impulsão: vista lateral;  Figure 6 - Suspension force receiving suspended body: lateral view;
Figura 7 - Corpo suspenso receptor da força de impulsão: vista de topo; Figura 8 - Célula de carga: vista frontal; Figure 7 - Suspension force receiving suspended body: top view; Figure 8 - Load cell: front view;
Figura 9 - Célula de carga: vista lateral;  Figure 9 - Load cell: lateral view;
Figura 10 - Célula de carga: corte D-D;  Figure 10 - Load cell: D-D section;
Figura 11 - Célula de carga: corte E-E;  Figure 11 - Load cell: section E-E;
Figura 12 - Elemento inferior para suspensão do corpo imersível : vista frontal;  Figure 12 - Lower element for immersible body suspension: front view;
Figura 13 - Elemento inferior para suspensão do corpo imersível: vista lateral;  Figure 13 - Lower element for immersible body suspension: side view;
Figura 14 - Elemento superior para suspensão do corpo imersível: vista frontal;  Figure 14 - Upper element for immersible body suspension: front view;
Figura 15 - Elemento superior para suspensão do corpo imersível: vista lateral;  Figure 15 - Upper element for immersible body suspension: side view;
Figura 16 - Pormenor das condições de apoio do corpo imersível na célula de carga;  Figure 16 - Detail of the support conditions of the immersible body in the load cell;
Figura 17 - Princípio esquemático do método de medição de flechas com recurso a níveis líquidos;  Figure 17 - Schematic principle of the method of measuring arrows using liquid levels;
Figura 18 - Diagrama de forças sobre o corpo parcialmente imerso num líquido;  Figure 18 - Diagram of forces on the body partially immersed in a liquid;
Figura 19 - Célula de carga: esquema unifilar, deformada, diagrama de momentos flectores e diagrama de esforço axial.  Figure 19 - Load cell: single-line, deformed diagram, bending moment diagram and axial stress diagram.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Princípio de Funcionamento Operation principle
Com base na Figura 17, a medição de deslocamentos verticais relativos (flechas) em obras de arte de engenharia civil é realizada com recurso à aplicação do principio dos vasos comunicantes (Lei de Stevin) a um circuito que, percorrendo a estrutura em análise, contempla, de forma criteriosa, todas as secções a observar. A superfície livre deste circuito, cheio com um líquido num estado de equilíbrio hidrostático (regime estático) , encontrar-se-á à mesma altitude absoluta ao longo de toda a sua extensão, estabelecendo assim uma possível referência para avaliação de deslocamentos verticais relativos. Por sua vez, a deformação vertical da estrutura conduzirá a alterações da posição altimétrica da estrutura e consequentemente a alterações do perfil de alturas da coluna de líquido ao longo do circuito solidário com esta. O acompanhamento, ponto a ponto, da deformada da estrutura e do próprio circuito, é realizado por via da medição de variações da altura relativa da coluna de líquido num conjunto de pontos de interesse. A altura de líquido num ponto de referência, geralmente num ponto de deslocamento vertical desprezável, por exemplo num apoio da estrutura, é usada como referência para determinação dos demais deslocamentos relativos. Based on Figure 17, the measurement of relative vertical displacements (arrows) in civil engineering works is performed using the principle of the communicating vessels (Stevin's Law) to a circuit that, through the structure under analysis, carefully contemplates all the sections to be observed. The free surface of this circuit, filled with a liquid in a state of hydrostatic equilibrium (static), will be at the same absolute altitude throughout its length, thus establishing a possible reference for the assessment of relative vertical displacements. In turn, the vertical deformation of the structure will lead to changes in the altimetric position of the structure and consequently to changes in the height profile of the liquid column along the solidary circuit therewith. Point-to-point monitoring of the deformed structure and the circuit itself is accomplished by measuring variations in the relative height of the liquid column at a set of points of interest. The liquid height at a reference point, usually at a negligible vertical displacement point, for example on a frame support, is used as a reference for determining other relative displacements.
Deste modo, salvaguardando que o sistema se encontre em equilíbrio hidrostático, resultado de uma deformação lenta da estrutura, a relação entre a flecha da estrutura e a altura aparente de líquido é dada, num ponto genérico A e num instante de tempo ti, pela variação da altura de líquido nesse ponto A deduzida da variação da altura de líquido, nesse mesmo instante, na secção considerada de referência, de acordo com a seguinte formulação geral (ver Figura 17) : Thus, safeguarding that the system is in hydrostatic equilibrium as a result of a slow deformation of the structure, the relationship between the structure arrow and the apparent liquid height is given at a generic point A and at a time point ti by the variation of the height of liquid at that point A deducted from the change in height of liquid at that time in the reference section, as follows: general formulation (see Figure 17):
Onde é a flecha no instante t (variação do deslocamento vertical) ; a altura de liquido no pontoWhere is the arrow at time t (vertical displacement variation); the liquid height at the point
A, no instante ti é a altura de liquido no ponto A, no instante inicial (to); ¾« a altura de liquido na secção de referencia (fixa), no instante t±; e "o. o e a altura de liquido na secção de referência (fixa) , no instante inicial (t0) . A at time t1 is the liquid height at point A at the initial time (t); ¾ 'the height of liquid in the (fixed) reference section at time t ±; and "0 o and the liquid height in the (fixed) reference section at the initial time (t 0 ).
No contexto exposto, é notório que assume primordial importância, como elemento transdutor do deslocamento vertical em cada um dos pontos monitorizados, um sensor que permita medir, de · forma autónoma e permanente, com elevado rigor e estabilidade, a respectiva altura da coluna de liquido. In the above context, it is notorious that, as a transducer element of the vertical displacement at each of the monitored points, a sensor that assumes, independently and permanently, with high accuracy and stability, the respective height of the liquid column is of paramount importance. .
Inerente a este método, as dimensões do circuito, bem como, as características do liquido utilizado no circuito condicionarão a estabilidade e a resposta do sistema. Na maioria das vezes, é utilizada água no enchimento do circuito hidráulico. Esta apresenta uma densidade e viscosidade apropriada para esta aplicação além de ser extremamente fácil de obter. Contudo, problemas relacionados com a volatilidade da água, com a possibilidade de esta conter bolhas de ar diluídas, com o desenvolvimento de microrganismos, assim como, a variação da sua densidade com a temperatura não devem ser ignorados e podem mesmo justificar a combinação de aditivos ou mesmo a sua substituição por um líquido mais adequado. Inherent in this method, the circuit dimensions as well as the characteristics of the liquid used in the circuit will condition the stability and the response of the system. Most of the time, water is used to fill the hydraulic circuit. It has an appropriate density and viscosity for this application and is extremely easy to obtain. However, problems related to water volatility, the possibility that it contains diluted air bubbles, the development of microorganisms, as well as the variation their density with temperature should not be ignored and may even justify combining additives or even replacing them with a more suitable liquid.
Pese embora a presença intrínseca de alguns erros difíceis de quantificar decorrentes sobretudo de alterações ambientais (temperatura e pressão atmosférica) a actuar de forma diferencial ao longo do circuito hidráulico ou mesmo devidos à presença de bolhas de ar no interior do circuito hidráulico, é possível tomar medidas com vista à sua minimização e controlo . Seguindo um procedimento cuidado de concepção e instalação do sistema hidráulico, em condições normais de utilização, o recurso a níveis líquidos tem mostrado ser uma forma estável e exacta (exactidão superior a 0, 2mm) de medição de flechas estruturais, em regime estático, com vista a uma instrumentação fácil, de baixo custo e eficiente. Despite the intrinsic presence of some difficult to quantify errors mainly due to environmental changes (temperature and atmospheric pressure) acting differently along the hydraulic circuit or even due to the presence of air bubbles inside the hydraulic circuit, it is possible to take measures to minimize and control it. Following a careful design and installation procedure of the hydraulic system under normal use, the use of liquid levels has been shown to be a stable and accurate (accuracy greater than 0.2mm) measurement of structural arrows at steady state with easy, low cost and efficient instrumentation.
O transdutor para medição de deslocamentos verticais alvo deste invento, desenvolvido com o propósito de medição de flechas em obras de arte de engenharia civil , assenta, deste modo, o seu funcionamento na medição da altura da coluna de líquido num determinado ponto de um circuito hidráulico . A estrutura do presente transdutor de deslocamento vertical relativo encontra-se esquematizada nas Figura 1 e Figura 2. The target vertical displacement transducer of this invention, developed for the purpose of measuring arrows in civil engineering works, thus bases its operation on measuring the height of the liquid column at a given point in a hydraulic circuit. . The structure of the present relative vertical displacement transducer is shown in Figure 1 and Figure 2.
O princípio básico para obtenção da altura de líquido consiste na medição do peso aparente de um corpo de geometria e propriedades previamente estudadas (6), parcialmente imerso num liquido e cujo volume imerso está associado à respectiva altura relativa de liquido (posição (2)). Recorre-se, desta forma, ao Principio de Arquimedes, para se deduzir que, estando um corpo sólido, parcialmente imerso num fluido, por actuação de uma força de impulsão ascendente de origem hidrostática (ver Figura 18), o valor do seu peso, dentro desse liquido, é aparentemente menor do que o respectivo peso medido no ar (resultante das forças ? e 1} . A diferença entre o valor do peso real (P ) , medido no ar, e a impulsão exercida pelo liquido (' ) , corresponde ao peso aparente do corpo (¾?)·
Figure imgf000013_0001
The basic principle for obtaining the height of liquid is to measure the apparent weight of a body of previously studied geometry and properties (6), partially immersed in a liquid and whose immersed volume is associated with its relative liquid height (position (2)). Thus, the Archimedes Principle is used to deduce that, being a solid body, partially immersed in a fluid, by the action of an upward pushing force of hydrostatic origin (see Figure 18), the value of its weight, within that liquid is apparently less than its weight measured in air (resulting from the forces? and 1}. The difference between the value of the actual weight (P) measured in air and the impulse exerted by the liquid ('), corresponds to apparent body weight (¾?) ·
Figure imgf000013_0001
Considerando ainda o corpo em análise, imóvel, ligeiramente mais denso que o liquido Considering also the body under analysis, immobile, slightly denser than the liquid
Patrpe e criado a partir da translação linear da sua base, pode-se demonstrar que há uma relação de proporcionalidade directa entre a altura de liquido {* ) e o respectivo volume imerso (¾m) , logo, pelo exposto, uma variação da altura de liquido corresponde a uma variação linear da força de impulsão e consequentemente do respectivo peso aparente. De forma unívoca e linear pode-se relacionar, neste transdutor, a variação da altura de líquido, * , com o peso aparente desse corpo parcialmente imerso definido pela expressão: m<3~ AkgpPatrpe and created from the linear translation of its base, it can be demonstrated that there is a direct proportionality relationship between the liquid height {*) and the respective immersed volume (¾m), therefore, by the above, a variation of the height of net corresponds to a linear variation of the thrust force and consequently of its apparent weight. Uniquely and linearly, the variation in liquid height, *, with the apparent weight of this partially immersed body can be related to this transducer. expression: m <3 ~ Akgp
Figure imgf000014_0001
(iií)
Figure imgf000014_0001
(iii)
Onde Vi„ é o volume imerso do corpo cilíndrico ou prismático; A é a área da base do corpo; * é a altura imersa do corpo; m é a massa do corpo; ã é a aceleração da gravidade e P é a densidade do líquido no qual o corpo está imerso. Where Vi is the immersed volume of the cylindrical or prismatic body; A is the base area of the body; * is the immersed height of the body; m is the mass of the body; ã is the acceleration of gravity and P is the density of the liquid in which the body is immersed.
Tirando partido da supracitada propriedade, o transdutor em apreço consiste num contentor estanque (1) ligado ao respectivo circuito hidráulico (3) por intermédio de uma embocadura (9) tubular junto da base (8) . Este contentor (1) comporta no seu interior a superfície livre da coluna de líquido (2) , bem como, suspenso através da respectiva tampa superior (18) o corpo cilíndrico rígido (6) parcialmente imerso e uma célula de carga (4) que permitirá medir, ao longo do tempo, através de um par de sensores extensométricos (5) o respectivo peso aparente do distinto corpo (6) . Taking advantage of the above property, the present transducer consists of a watertight container (1) connected to the respective hydraulic circuit (3) by means of a tubular nozzle (9) near the base (8). This container (1) comprises inside it the free surface of the liquid column (2) as well as suspended through its upper cover (18) the partially immersed rigid cylindrical body (6) and a load cell (4) which It will be possible to measure, over time, through a pair of extensometric sensors (5) the respective apparent weight of the different body (6).
Face à estabilidade e sensibilidade pretendida, associada às reduzidas variações de força que se propõe medir, concebeu-se um transdutor de força, célula de carga (4), de características também inovadoras . Desenvolveu-se, então, um elemento transdutor de geometria em U, recebendo nas suas extremidades o peso aparente do corpo rígido acoplado. O peso aparente actuante (força externa na célula de carga) deforma naturalmente este elemento gerando tensões e deformações mecânicas. Neste particular, tratando-se de uma peça isostática, isto é, com uma distribuição dos esforços internos dependente exclusivamente de condições de equilíbrio estático, é passível de ser caracterizado o comportamento mecânico teórico da referida peça. A estrutura esquemática da presente célula de carga, bem como, os esforços internos nela instalados encontram-se representados na Figura 19 e são dados, na região central, por: Given the desired stability and sensitivity, coupled with the small variations in force that it is intended to measure, a force transducer, load cell (4) has been designed with innovative features. A U-geometry transducer element was then developed, receiving at its ends the apparent weight of the rigid coupled body. The acting apparent weight (external force in the cell naturally deforms this element generating tensions and mechanical deformations. In this particular case, in the case of an isostatic part, that is, with an internal stress distribution dependent exclusively on static equilibrium conditions, the theoretical mechanical behavior of said part can be characterized. The schematic structure of the present load cell as well as the internal forces installed therein are shown in Figure 19 and are given in the central region by:
«=í¾r it = Pep.a (iv) «= It = P ep .a (iv)
Onde Ã? e ¾ correspondem aos esforços instalados na peça, nomeadamente esforço axial e momento flector, respectivamente; ¾ é o peso aparente do corpo suspenso na célula de carga (força exterior actuante) e « o respectivo braço da f03TÇ& · Where is it ? and ¾ correspond to the forces installed on the part, namely axial stress and bending moment, respectively; ¾ is the apparent weight of the body suspended in the load cell (acting external force) and 'the respective arm of the load cell.
Face à distribuição interna de esforços, um. par de extensómetros , disposto em fibras opostas da zona vertical central de menor espessura (ver Figura 9) submetida a flexão circular composta, constitui a base deste sensor e conduz a um elemento que, para além, de grande sensibilidade apresenta elevada estabilidade temporal e meteorológica, tornando-o particularmente apto para aplicações permanentes de monitorização estrutural . Genericamente, a deformação mecânica, « , é numericamente dada pela soma da parcela de deformação axial, *m , e da parcela de deformação por flexão, *m , dada
Figure imgf000016_0001
Given the internal distribution of efforts, one. A pair of strain gauges, arranged in opposite fibers of the thinner central vertical zone (see Figure 9) subjected to composite circular flexion, form the basis of this sensor and lead to an element which, in addition to its high sensitivity, has high temporal and meteorological stability. , making it particularly suitable for permanent structural monitoring applications. Generally, the mechanical strain, «, is numerically given by the sum of the axial strain portion, * m, and the bending strain portion, * m, given
Figure imgf000016_0001
Onde £ é o módulo de elasticidade do material, A é a área da secção transversal; ' é o momento de inércia da secção transversal a coordenada local da peça perpendicular ao respectivo eixo. Where R is the modulus of elasticity of the material, A is the cross-sectional area; 'is the moment of inertia of the cross section the local coordinate of the part perpendicular to its axis.
Contudo, a adicionar às deformações mecânicas, ainda que ter em consideração as deformações aparentes de origem térmica. Estas deformações aparentes, não dependem dos esforços instalados, mas são resultado de variações nas condições ambientais, designadamente variações de temperatura, que conduzem igualmente a alterações das dimensões da peça , Com a célula de carga livre de se deformar devido às variações de temperatura, AT f estas variações de deformação aparente, são dadas por: However, in addition to mechanical deformations, even taking into account apparent deformations of thermal origin. These apparent deformations do not depend on the stresses installed, but are the result of variations in environmental conditions, namely temperature variations, which also lead to changes in the dimensions of the workpiece. With the load cell free to deform due to temperature variations, AT f these variations of apparent deformation are given by:
( i) (i)
Onde é o correspondente coeficiente de dilatação térmica do material e é a variação de temperatura . Where is the corresponding coefficient of thermal expansion of the material and is the temperature variation.
Estas duas componentes de deformação actuam, no presente transdutor, em simultâneo e variam potencialmente ao longo do tempo . A deformação total, ½ , alvo de medição por um extensómetro é dada, de acordo com o exposto, pela soma das referidas parcelas e corresponde a:
Figure imgf000017_0001
These two strain components act on the present transducer simultaneously and potentially vary over time. The total strain, ½, measured by a strain gauge is given, as shown above, by the sum of the said portions and corresponds to:
Figure imgf000017_0001
Face à existência de um par de extensómetros (5) instalados em faces opostas do elemento submetido a flexão circular composta, demonstra-se aqui a possibilidade de compensação dos efeitos de natureza térmica por aplicação da decomposição das respectivas extensões medidas na sua parcela axial, idêntica nas duas fibras opostas, e na parcela de flexão, simétrica nessas mesmas fibras. Considera-se, então, a deformação medida em cada extensómetro dada por: Given the existence of a pair of strain gauges (5) installed on opposite faces of the element subjected to composite circular flexion, the possibility of compensating for the effects of thermal nature by applying the decomposition of the respective measured extensions to their identical axial portion is shown here. in the two opposite fibers, and in the flexural portion, symmetrical in those same fibers. We then consider the strain measured at each strain gauge given by:
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
Da combinação algébrica das duas relações anteriores, prova-se que: From the algebraic combination of the two previous relations, it is proved that:
C^t-A^)e^^p^t^t-A £í)eM¾pS?.(A )t-Aeâ,) « à ix) C ^ -A ^ t) and t ^^ p ^ -A ^ £ t i) and M¾pS? . (A ) t -Aeâ,) 'à i x )
Por equilíbrio estático, deduz-se, então, que a parcela de deformação decorrente da flexão da peça, diferencial, varia exclusivamente e de forma proporcional com o peso instalado, logo, por tudo atrás exposto, de forma linear com a respectiva altura de líquido, * . Desta forma e isolando este efeito, torna-se possível compensar os supracitados efeitos perturbadores e tem-se uma proporcionalidade directa entre a altura de água em interesse e a variação da diferença das extensões medidas. Uma calibração conveniente de cada sensor permite encontrar, experimentalmente, a constante de proporcionalidade que melhor ajusta a relação entre o deslocamento vertical e as respectivas extensões medidas, ou melhor, entre o deslocamento vertical e o sinal proveniente da ponderação dos extensómetros respectivos. By static equilibrium, it is deduced, therefore, that the amount of deformation resulting from the differential flexion of the workpiece varies exclusively and proportionally with the installed weight, thus, in the foregoing, linearly with the respective liquid height. , *. In this way and isolating this effect, it becomes possible to compensate the above disturbing effects and there is a direct proportionality between the water height of interest and the variation of the difference in measured lengths. A convenient calibration of each sensor makes it possible to experimentally find the proportionality constant that best fits the relationship between the vertical displacement and the respective measured extensions, or rather the vertical displacement and the signal from the weighting of the respective extensometers.
Destaca-se ainda que esta célula de carga, para além de apresentar uma geometria e dimensões ajustadas à sua função e à sensibilidade e campo de medida pretendido (7), apresenta condições de fronteira perfeitamente definidas (12/13 e 14/15) que permitem, de forma clara e estável, caracterizar os esforços internos instalados. Com as condições propostas e com base na pormenorizaçâo estabelecida e nos materiais utilizados menor que extensão limite de proporcionalidade elástica do material) consegue-se igualmente garantir a ausência de fenómenos de não linearidade relacionados com o estado de deformação da peça (não linearidade geométrica e material) . O facto de todas as peças móveis do transdutor estarem suspensas a partir da tampa, . sem contacto com o corpo do transdutor garante a inexistência de forças de atrito perturbadoras. It is also noteworthy that this load cell, besides having a geometry and dimensions adjusted to its function and the desired sensitivity and field of measurement (7), presents perfectly defined boundary conditions (12/13 and 14/15) that allow a clear and stable characterization of the internal stresses installed. With the proposed conditions and based on the detailed details and the materials used less than the elastic material proportionality limit extension) it is also possible to guarantee the absence of nonlinearity phenomena related to the state of deformation of the part (geometric and material nonlinearity). ). The fact that all moving parts of the transducer are suspended from the cover,. No contact with the transducer body ensures no disturbing frictional forces.
Constituição do transdutor Transducer Constitution
Face ao principio de funcionamento acima postulado a medição de deslocamentos verticais relativos em estruturas com base em níveis líquidos é realizada por intermédio de um dispositivo mecânico (transdutor) , todo ele realizado em aço inox com propriedades mecânicas e de durabilidade adequadas donde se destacam, agora com mais detalhe, os componentes fundamentais contidos nas Figuras 1 a 16. Given the above operating principle The measurement of relative vertical displacements in structures based on liquid levels is made by means of a mechanical device (transducer), all of which is made of stainless steel with adequate mechanical properties and durability. contained in Figures 1 to 16.
Um contentor exterior cilíndrico ou prismático (1) , ligado ao circuito hidráulico de referência (3) por intermédio de uma embocadura (9) de diâmetro semelhante ao do próprio circuito, contém internamente o respectivo fluído em eminente equilíbrio hidrostático . O acesso ao interior deste contentor exterior (1) é realizado por intermédio de uma tampa amovível (18) rigidamente fixada ao corpo principal com recurso a uma sequência de parafusos de fixação (20) . Em condições de serviço, é no interior do contentor (1) que se encontra a superfície livre da coluna de líquido (2) do respectivo sistema hidráulico dentro de um campo de medida previamente definido (7) , Este corpo rígido (1) , em aço inox, garante também a fixação de todos os componentes mecânicos internos por intermédio de um elemento fixador central (17) localizado na tampa superior (18) . A cylindrical or prismatic outer container (1), connected to the reference hydraulic circuit (3) by a mouth (9) of similar diameter to the circuit itself, internally contains its fluid in imminent hydrostatic equilibrium. Access to the interior of this outer container (1) is by means of a removable lid (18) rigidly secured to the main body using a sequence of securing screws (20). Under service conditions, it is within the container (1) that the free surface of the liquid column (2) of the respective hydraulic system is within a pre-defined measuring range (7). Stainless steel also ensures the attachment of all internal mechanical components by means of a central fastener (17) located on the top cover (18).
Um corpo parcialmente imerso (6), ou seja, a massa suspensa sujeita a uma impulsão eminentemente variável e cujo peso aparente se pretende medir, encontra- se acoplada a uma célula de carga (4) e suspensa da tampa superior (18) do corpo exterior (1) do transdutor. Este elemento (6) é constituído por uma superfície cilíndrica, fechada nos topos e, no seu todo, ligeiramente mais densa que o líquido
Figure imgf000020_0001
A partially immersed body (6), i.e. the suspended mass subjected to an eminently variable thrust and whose apparent weight is to be measured, is coupled to a load cell (4) and suspended from the lid. top (18) of the outer body (1) of the transducer. This element (6) consists of a cylindrical surface, closed at the tops and as a whole slightly denser than the liquid.
Figure imgf000020_0001
A força de impulsão actuante sobre este elemento é directamente proporcional à altura de líquido instalada no interior do contentor. As suas dimensões são definidas para que, por um lado, abranja o campo de medida pretendido (7) - altura, e, por outro lado, garanta que a força de impulsão, proporcional à área em planta deste elemento, seja coadunável com a sensibilidade pretendida . É um elemento alvo de possível adaptação quer relativamente ao campo de medida, quer relativamente à sensibilidade do sensor. Uma forma cónica na base garante ainda a eliminação de bolhas de ar indesejáveis em contacto com a superfície deste corpo . The driving force acting on this element is directly proportional to the height of liquid installed inside the container. Its dimensions are defined so that, on the one hand, it covers the desired field of measurement (7) - height, and on the other hand, it ensures that the pushing force, proportional to the planar area of this element, is consistent with the sensitivity. intended. It is a target element that can be adapted to either the field of measurement or the sensitivity of the sensor. A conical shape in the base further ensures the elimination of unwanted air bubbles in contact with the surface of this body.
A célula de carga (4), especificamente desenvolvida para este efeito, tira partido de uma geometria estudada com o intuito de permitir uma elevada sensibilidade e estabilidade na medição do peso aparente do corpo nela suspenso. Este elemento apresenta uma geometria em "U" , com os pontos de aplicação das forças (12/13 e 14/15) nas suas extremidades e submetida, na região central, a esforços de flexão circular composta. Além do mais, resultado de uma combinação de duas espessuras, é um elemento de elevada rigidez, contribuindo deste modo para um desvio desprezável resultante da consideração do corpo suspenso como elemento totalmente solidário com a estrutura em toda a gama de medida do sensor. Um par de sensores extensométricos (5), localizados em faces opostas da região central da célula de carga (4) {zona submetida a flexão circular composta) , confere-lhe maior rigor na medição e permite a compensação dos efeitos da temperatura, podendo esta ser realizada quer por via numérica quer por via metrológica . The load cell (4), specifically developed for this purpose, takes advantage of a studied geometry in order to allow a high sensitivity and stability in measuring the apparent weight of the suspended body. This element has a "U" geometry, with the points of application of the forces (12/13 and 14/15) at their ends and subjected in the central region to compound circular bending forces. In addition to Moreover, as a result of a combination of two thicknesses, it is a high rigidity element, thus contributing to a negligible deviation resulting from the consideration of the suspended body as integrally with the structure over the entire measuring range of the sensor. A pair of extensometric sensors (5), located on opposite sides of the central region of the load cell (4) (zone subjected to compound circular flexion), gives it greater accuracy in the measurement and allows the compensation of temperature effects. be performed either numerically or metrologically.
A utilização de um par de extensómetros (5), instalado em faces opostas da zona central da célula de carga (4) , de menor espessura, submetido a flexão circular composta, permite, por sua vez, isolar o efeito de flexão, conduzindo à eliminação total da deformação devida ao esforço axial instalado na peça e dos efeitos associados à variação de temperatura . Um tratamento conveniente do sinal proveniente dos extensómetros, com compensação de todos os efeitos térmicos, conduz a uma relação de proporcionalidade directa entre a altura de liquido instalada e a respectiva ponderação dos sinais medidos. Realça-se, ainda, o facto de ser um transdutor versátil na natureza e tecnologia do seu sinal, que, função da natureza dos extensómetros instalados (5) , pode estar associado tanto a sistemas de monitorização de base eléctrica, como sistemas de base óptica . As ligações, quer entre a célula de carga (4) e o corpo suspenso (6), quer entre a célula de carga (4) e a tampa do transdutor (18), dão-se de forma pontual por intermédio de um sistema cónico de encaixe (12/13 e 14/15) existente tanto na célula de carga (4) como nos respectivos suportes (17 e 10) . Este pormenor contribui para um posicionamento repetível e estável dos pontos de aplicação das cargas na célula de carga. Um par de cavilhas transversais (11 e 16) garante ainda a integridade do sistema perante movimentos bruscos, por exemplo, decorrentes da instalação do sistema . The use of a pair of strain gauges (5) installed on opposite sides of the thinner central load cell (4) subjected to compound circular flexion, in turn, isolates the flexing effect, leading to the total elimination of deformation due to axial stress installed on the part and the effects associated with temperature variation. Convenient treatment of the signal from strain gauges, compensating for all thermal effects, leads to a direct proportionality relationship between the installed liquid height and the respective weighting of the measured signals. Also noteworthy is the fact that it is a versatile transducer in the nature and technology of its signal, which, depending on the nature of the installed strain gauges (5), may be associated with both electric-based and optical-based monitoring systems. . The connections between the load cell (4) and the suspended body (6) and between the load cell (4) and the transducer cover (18) are punctually connected via a conical system. (12/13 and 14/15) on both the load cell (4) and its supports (17 and 10). This detail contributes to a repeatable and stable positioning of the load application points in the load cell. A pair of transverse dowels (11 and 16) further guarantee the integrity of the system against sudden movements, for example resulting from system installation.
A ligação ao circuito hidráulico (3) com arquitectura e características adequadas que, em equilíbrio hidrostático, permite o nivelamento de todos os pontos da numa embocadura inferior (9) por intermédio de acessórios comerciais de tubagem hidráulica de aço inox . The connection to the hydraulic circuit (3) has adequate architecture and characteristics which, in hydrostatic equilibrium, allows the leveling of all points of the lower mouth (9) by means of commercial stainless steel hydraulic pipe fittings.
Um sistema de fixação na base rígida (8) do transdutor por intermédio de um esquema de parafusos tri- pontual (22) deverá garantir a fixação rígida do transdutor à estrutura e permitir o ajuste da verticalidade do corpo sensor . A verticalidade do transdutor garantirá a ausência de contacto físico entre os elementos móveis do transdutor, assegurando a ausência de atrito e desvios dele resultantes . Uma válvula de introdução de ar (21) no topo do transdutor permite, quando aberta, que a pressão de ar no interior do transdutor seja idêntica à pressão atmosférica local . A fastening system to the rigid base (8) of the transducer by means of a three-point screw arrangement (22) shall ensure rigid attachment of the transducer to the frame and allow for vertical adjustment of the sensor body. The verticality of the transducer will ensure no physical contact between the moving elements of the transducer, ensuring no friction and resulting deviations. An air inlet valve (21) at the top of the transducer allows, when open, the air pressure inside the transducer to be identical to the local atmospheric pressure.
Dois conectores mecânicos (19) (ópticos ou eléctricos em função da natureza dos extensómetros adoptados) permitem a ligação do presente transdutor a uma rede de sensores e ao respectivo equipamento de aquisição. Two mechanical connectors (19) (optical or electrical depending on the nature of the adopted strain gauges) allow the connection of this transducer to a sensor network and its acquisition equipment.
Lisboa, 5 de Novembro de Lisbon, 5 November

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Transdutor para medição de deslocamentos verticais relativos em obras de arte de engenharia civil cora recurso a um nivelamento hidrostático que liga os pontos da estrutura em observação de forma a permitir a medição do deslocamento vertical relativo nos diversos pontos interessados por intermédio de uma relação directa e linear entre a variação relativa da altura do líquido e o deslocamento vertical relativo nesses mesmos pontos, caracterizado por possuir um contentor exterior cilíndrico ou prismático (1) em ligação com o restante circuito hidráulico (3) em iminente equilíbrio hidrostático, contentor este que comporta internamente o líquido utilizado para o nivelamento e a respectiva superfície livre ( 2 ) , um corpo rígido ou prismático (6) parcialmente imerso nesse líquido, sujeito a uma força de impulsão cuja grandeza é proporcional à altura do líquido no interior do contentor (1), e meios de medição do peso aparente desse corpo (6) por intermédio de uma célula de carga (4) munida de um par de sensores extensométricos (5) localizados em faces opostas da região central da célula de carga (4). 1. Transducer for measuring relative vertical displacements in civil engineering works using hydrostatic leveling which connects the points of the structure under observation to enable the measurement of relative vertical displacement at the various points concerned by means of a direct relationship. and linear between the relative variation in the height of the liquid and the relative vertical displacement at those points, characterized in that it has a cylindrical or prismatic outer container (1) in connection with the remaining hydraulic circuit (3) in imminent hydrostatic equilibrium, which container holds internally the liquid used for leveling and its free surface (2), a rigid or prismatic body (6) partially immersed in that liquid, subjected to a pushing force whose magnitude is proportional to the height of the liquid inside the container (1) , and means for measuring the apparent weight of that body (6) by means of a load cell (4) provided with a pair of strain gauges (5) located on opposite faces of the central region of the load cell (4).
2. Transdutor para medição de deslocamentos verticais de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a célula de carga (4) medir indirectamente a altura do líquido por medição do peso aparente do corpo (6) com uma sensibilidade melhor que 0, 05% FS (7) com compensação dos efeitos de natureza térmica sobre o elemento sensor. Vertical displacement transducer according to Claim 1, characterized in that the load cell (4) indirectly measures the height of the liquid by measuring the apparent body weight (6) with a sensitivity of better than 0,05% FS. (7) with compensation of thermal effects on the sensor element.
3. Transdutor para medição de deslocamentos verticais de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a célula de carga (4) suspender o corpo rígido (6), parcialmente imerso, e efectuar a transdução da variação do nível do líquido (2) por intermédio do par de sensores extensométricôs (5) , Transducer for measuring vertical displacements according to the preceding claims, characterized in that the load cell (4) suspends the partially immersed rigid body (6) and transduces the variation of the liquid level (2) by means of pair of strain gauges (5),
4. Transdutor para medição de deslocamentos verticais de acordo com as reivindicações anteriores , caracterizado por a natureza do seu sinal ser função da natureza dos extensómetros (5) utilizados, podendo estar associados tanto a sistemas de monitorização eléctrica como a sistemas de base óptica . Transducer for measuring vertical displacements according to the preceding claims, characterized in that the nature of its signal is a function of the nature of the strain gauges (5) used and may be associated with either electrical monitoring systems or optical base systems.
5. Transdutor para medição de deslocamentos verticais de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a referida célula de carga (4) ter elevada estabilidade sendo para o efeito dotada de uma geometria em "U" com uma combinação de espessuras que lhe confere uma elevada rigidez e sensibilidade, com os pontos de aplicação das forças (12/13 e 14/15) nas suas extremidades e submetida, na região central, a esforços de flexão circular composta. Transducer for measuring vertical displacements according to the preceding claims, characterized in that said load cell (4) has high stability and for that purpose has a "U" geometry with a combination of thicknesses which gives it a high degree of stability. rigidity and sensitivity, with the points of application of the forces (12/13 and 14/15) at their ends and subjected in the central region to composite circular flexion efforts.
6. Transdutor para medição de deslocamentos verticais de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por as ligações, quer entre a célula de carga (4) e o corpo suspenso (6), quer entre a célula de carga (4) e a tampa do transdutor (18), se realizarem de forma pontual por intermédio de um sistema cónico de encaixe (12/13 e 14/15) existente tanto na célula de carga (4) como nos respectivos suportes (17 e 10) , facto que contribui para um posicionamento repetivel e estável dos pontos de aplicação das cargas na célula de carga . Transducer for measuring vertical displacements according to the preceding claims, characterized in that the connections between the load cell (4) and the suspended body (6), either between the load cell (4) and the transducer cover (18), are punctually realized by means of a conical locking system (12/13 and 14/15 ) in both the load cell (4) and the respective supports (17 and 10), which contributes to a repeatable and stable positioning of the load application points in the load cell.
7. Transdutor para medição de deslocamentos verticais de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a sua geometria, as condições fronteira, os elementos sensores e o atrito desprezável entre os seus componentes resultar em sensibilidade melhor que 0,05% FS e estabilidade temporal, permitindo a monitorização das grandezas medidas ao longo do tempo com auto-compensação dos efeito de natureza térmica . Transducer for measuring vertical displacements according to the preceding claims, characterized in that their geometry, boundary conditions, sensing elements and negligible friction between their components result in better sensitivity than 0,05% FS and temporal stability. allowing the monitoring of the measured quantities over time with self-compensating thermal effects.
8. Transdutor para medição de deslocamentos verticais de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por se encontrar associado a sistemas temporários ou permanentes de monitorização estrutural e a sistemas de aquisição manuais ou automáticos . Transducer for measuring vertical displacements according to the preceding claims, characterized in that it is associated with temporary or permanent structural monitoring systems and manual or automatic acquisition systems.
Lisboa, 5 de Novembro de 2009 Lisbon, 5th November 2009
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