PL204989B1 - Urządzenie do pomiaru zmian odległości - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru zmian odległości, zwłaszcza do pomiaru deformacji obiektów.

Do pomiaru deformacji obiektów wykorzystuje się głównie metody:

- bezpoś rednie - róż nego typu przymiary,

- optyczne: klasyczne (teodolit), elektrooptyczne (rastry, linijki LCD),

- radiowe: laserowe lub mikrofalowe (naziemne bądź satelitarne) mierzące czas przelotu fali elektromagnetycznej,

- mechano-elektryczne: rezystancyjne (tensometryczne, potencjometryczne), indukcyjne (w układzie z ruchomym rdzeniem lub zmienną szczeliną), pojemnościowe wykonywane najczęściej w ukł adzie róż nicowym oraz strunowe.

Wszystkie powyższe rozwiązania mają wiele niedogodności. Metody bezpośrednie optyczne, i radiowe w zasadzie nie nadają się do pomiarów wewną trz struktury obiektu niedost ę pnej bezpoś rednio, jak na przykład zalanych betonem lub zasypanych ziemią w konstrukcji zapory wodnej czy osuwiska. Przyrządy laserowe są wrażliwe na działanie wilgoci, a co ważniejsze mają błąd pomiaru około 5 mm. Urządzenia satelitarnego pomiaru pozycji GPS w zasadzie można stosować tylko w otwartej przestrzeni ze względu na konieczność odbioru fali elektromagnetycznej z satelity; pomiar pod powierzchnią ziemi i w konstrukcjach ekranowanych jest zatem niemożliwy, poza tym rozdzielczość systemu GPS jest ograniczona w najlepszym razie do około centymetra.

Przetworniki mechano-elektryczne strunowe, w których przemieszczenie zmienia naprężenie struny, a w konsekwencji częstotliwość drgań własnych oraz rezystancyjne naklejane bezpośrednio na badany obiekt, w których zmienia się rezystancja tensometru, z istoty swojej mierzą niewielki zakres przemieszczenia, rzędu ułamka milimetra i do pomiaru większych odkształceń wymagają dźwigniowego bądź sprężynowego układu ich redukcji. Energia do wzbudzania akcji laserowej lub drgań struny jest dość znaczna, co praktycznie uniemożliwia wykonanie przyrządów w formie iskrobezpiecznej, do zastosowania na przykład w górnictwie. W przetwornikach indukcyjnych ogólnie wykorzystuje się zjawisko zmiany indukcyjności własnej cewki lub indukcyjności wzajemnej dwóch cewek - przy zmianie położenia rdzenia lub szerokości szczeliny powietrznej w obwodzie magnetycznym, wywołanej przesunięciem liniowym. Sygnałem w tego typu przetwornikach jest zmiana napięcia, podczas gdy jego częstotliwość jest stała. Dla zwiększenia liniowości i czułości charakterystyki przetwornika stosuje się przetworniki różnicowe. Na przykład znany przetwornik indukcyjny różnicowo-transformatorowy (LVDT), z ruchomym rdzeniem składa się z trzech cewek, jednej cewki zasilającej i dwóch odczytowych połączonych przeciwsobnie oraz z przesuwnego rdzenia ferromagnetycznego sprzęgającego magnetycznie wszystkie cewki. Przyrząd ma budowę symetryczną i w takim stanie nie ma napięcia na cewkach wtórnych, zaburzenie symetrii przez ruchomy rdzeń powoduje pojawienie się napięcia, które mierzy fazoczuły woltomierz. W metodzie indukcyjnej z ruchomym rdzeniem bezpośredni zakres pomiarowy jest około kilku centymetrów, a w metodzie ze zmienną szczeliną kilka milimetrów.

W przetwornikach strunowych, rezystancyjnych i indukcyjnych dla uzyskania pomiaru zmian odległości kilkudziesięciu centymetrów niezbędny jest reduktor odkształceń. Jego stosowanie komplikuje, podraża urządzenie i jest potencjalnym źródłem błędów.

Znana jest konstrukcja elektronicznego przetwornika przesunięć liniowych na wielkości elektryczne w którym zastosowano dwie nieruchome cewki współpracujące z generatorem LC. Sygnałem wyjściowym jest natężenie prądu stałego pobieranego przez generator ze źródła zasilania zależnego od sprzężenia tych cewek pod wpływem przemieszczającego się wewnątrz nich rdzenia ferrytowego. Częstotliwość oscylacji również się zmienia ale jest to efekt uboczny w stosunku do zmian ich amplitudy.

Podobnie, wynalazek SU807047 również bazuje na przesuwnym rdzeniu magnetycznym przemieszczającym się względem dwóch cewek. W innym rozwiązaniu na przykład GB2195770, zmienia się szczelina między cewką a elementem magnetycznym. Takie układy cechuje wysoka czułość ale mały zakres pomiarowy rzędu kilku milimetrów.

Zgodnie z wynalazkiem urządzenie do pomiaru zmian odległości, w którym czujnik zawiera cewki indukcyjne charakteryzuje się tym, że czujnik jest zespołem co najmniej jednej pary cewek indukcyjnych połączonych elektrycznie szeregowo, a umieszczonych względem siebie równolegle, znajdujących się wespół z kondensatorem w obwodzie generatora LC drgań elektrycznych. Całość umieszczona jest w obudowie, do wnętrza której z jednej strony przymocowane są przez izolatory końce zespołu cewek oraz wyprowadzone są hermetycznie przewody elektryczne z generatora

PL 204 989 B1 umieszczonego pomiędzy tymi końcami cewek. Natomiast z przeciwnej strony obudowy wyprowadzone jest hermetycznie cięgno, które wewnątrz obudowy poprzez izolator przymocowane jest do drugiego końca cewek. Na zewnątrz obudowy cięgno korzystnie umieszczone jest w osłonie. Do zewnętrznej strony obudowy i cięgna przymocowane są kotwie.

Cewki wykonane są z drutu o dużej sprężystości, np. stalowego, zapewniającego ich dużą odkształcalność i naprężenie cięgna. Umożliwiają one ruch posuwisto-zwrotny kotwi przymocowanych do dwóch stron cewek. Pod wpływem przemieszczania się kotwi względem siebie w wyniku np. ruchów gruntu, zmienia się indukcyjności cewek, więc i częstotliwość drgań generatora. Zmiany częstotliwości proporcjonalne do odkształcenia łatwo mierzy się. Cewki pod względem elektrycznym są połączone ze sobą szeregowo, a mechanicznym równolegle. Dzięki takiemu rozwiązaniu układ elektroniczny generatora podłączony jest do zespołu cewek z jednej strony, krótkimi przewodami, a drugi koniec tego zespołu ma możliwość swobodnego przemieszczania się bez zmiany długości i kształtu tych przewodów. Radykalnie zmniejsza to i stabilizuje wartość indukcyjności pasożytniczej połączeń, w porównaniu do sytuacji gdyby generator był podłączony do jednej cewki zmieniają cej swą dł ugość w szerokim zakresie.

Kondensator tworzący z zespołem cewek obwód rezonansowy, mający specjalnie dobrany termiczny współczynnik zmian pojemności, służy również do kompensacji termicznych zmian częstotliwości pochodzących od zmian indukcyjności cewek i parametrów pozostałych części generatora. Niestabilność drgań generatora powodowana rozmaitymi czynnikami ogranicza dokładność pomiaru do kilkudziesięciu mikrometrów. Maksymalne mierzone odkształcenia są ograniczone sprężystymi własnościami cewek.

W konstrukcji powyż szej - w odniesieniu do znanych rozwiązań - istotna jest zmiana czę stotliwości generatora LC, wynikająca ze zmian długości cewek a nie z przemieszczenia rdzenia.

Rozwiązanie według wynalazku cechuje szeroki zakres pomiarowy (kilkudziesięciu centymetrów) bez konieczności użycia reduktorów przemieszczenia, dobra rozdzielczość (kilku mikrometrów) i dokł adność (kilkudziesię ciu mikrometrów), du ż a prostota, niezawodność i mał y koszt wykonania. Sygnałem z przyrządu są, korzystnie, zmiany częstotliwości nie wymagające stosowania przetworników A/C w procesie rejestracji i przetwarzania danych. Urządzenie zużywa mało energii elektrycznej, możliwe jest więc niezależne zasilanie akumulatorowe i wykonanie w wersji iskrobezpiecznej.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku schematycznie przedstawiającym rozwiązanie urządzenia do pomiaru odkształceń gruntu.

Czujnik w postaci zespołu cewek 1 oraz układu elektronicznego generatora 2 są umieszczone w obudowie 3, z której wyprowadzone jest cięgno 4 i przewody elektryczne 5 tak, aby zachować hermetyczność urządzenia. Cewki 1 przez izolatory 6 są przymocowane z jednej strony do obudowy 3, a z drugiej do sztywnego metalowego łącznika 9 i cięgna 4. Taka konfiguracja cewek zapewnia krótkie i nieodkształcające się połączenie ich z generatorem o małej i stabilnej indukcyjności. Do zewnętrznej strony obudowy 3 i cięgna 4 przymocowane są kotwie 7. Cięgno 4 porusza się w osłonie 8, aby wyeliminować tarcie o grunt. Urządzenie instaluje się w gruncie na żądanej głębokości. Ruchy gruntu przekazywane są przez kotwie 7 i cięgno 4 zmieniając indukcyjność czujnika 1. Powoduje to zmianę częstotliwości oscylacji generatora 2. Cewki wykonane są z drutu sprężystego, np. stalowego o średnicy kilku milimetrów, co umożliwi ich dużą odkształcalność oraz naprężenie wiotkiego cięgna. Zastosowanie wiotkiego cięgna redukuje tarcie, które istniało by w miejscach podparcia cięgna sztywnego. Sygnał generatora jest przekazywany w dogodne miejsce dla pomiaru częstotliwości przewodami 5, na odległość do kilkudziesięciu metrów bez dodatkowych urządzeń, a ze wzmacniaczami i specjalnymi kablami na praktycznie dowolną odległość lub drogą radiową. Miernik częstotliwości zasila również generator 2.

Bazę pomiarową można zmieniać długością cięgna 4. Długie cięgno, jeśli nie jest sztywne, wymaga większej siły napinającej, można to osiągnąć przez zwiększenie średnicy drutu cewek lub większej ilości cewek.

Możliwe jest wykonanie układu dwóch cewek współosiowych, a nie obok siebie jak na rysunku, dzięki czemu konstrukcja zyskuje większą zwartość.

Urządzenie według wynalazku jest szczególnie przydatne w takich dziedzinach jak: mechanika gruntów, inżynieria lądowa, monitorowanie osuwisk, wpływ eksploatacji górniczej na powierzchnię, zapory, kopalnie, itp. Może być przydatne również w pomiarach laboratoryjnych.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do pomiaru zmian odległości, w którym czujnik zawiera cewki indukcyjne współpracujące z generatorem drgań elektrycznych, znamienne tym, że czujnik jest zespołem co najmniej jednej pary cewek indukcyjnych (1) połączonych pod względem elektrycznym szeregowo, umieszczonych względem siebie równolegle, znajdujących się w obwodzie generatora (G) drgań elektrycznych, przy czym całość umieszczona jest w obudowie (3), do wnętrza której z jednej strony przymocowane są przez izolatory (6) końce zespołu cewek oraz wyprowadzone są hermetycznie przewody elektryczne (5) z generatora (G) podłączonego do tych końców cewek, natomiast z drugiej strony obudowy wyprowadzone jest hermetycznie cięgno (4), które poprzez izolator przymocowane jest do sztywnego łącznika (9), łączącego przeciwne końce zespołu cewek (1) elektrycznie i mechanicznie, a do zewnętrznej strony obudowy i cięgna przymocowane są kotwie (7).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że cewki (1) usytuowane są współosiowo.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że cewki (1) wykonane są z drutu o dużej sprężystości.