Датчик порового давления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Е 02 D 1/00

CP

СР) АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

АТЕНТУ

Фиг. l (21 (22 (46 (71 тел ни (Y2 (73 (56

4951833/33

28.06.91

30.01.93. Бюл. f4 4

Производственный и научно-исследоваьский институт по инженерным изыскам в строительстве

К), А, Аветикян

К). А. Аветикян

Справочнйк по инженерной геологии.

Недра, 1968. с, 325, 326.

АвтОрско» свидетегьство СССР

191521, кл. Е 02 0 1/00, 1984, Проспект Голландской фирмы "Futuro", 8.

„„5U „„1792469 АЗ (54) ДАТЧИК ПОРОВОГО ДА8Л ЕНИЯ (57) Использование, в составе зондов, погружаемых в грунт, s частности в зонде статического зондирования для определения физико-механических свойств грунтов, Датчик содержит наконечник с конусом, фильтр, преобразователь давления, входное отверстие которого сообщается с фильтром, фольговую шайбу с выступами в ее плоскости, коническую шайбу, стопор, поршень и цилиндр. Фильтр выполнен в виде щели, образованной в поверхности датчика посредством фольговой шайбы, зажатой

1792469

15

40 между наконечником и конической шайбой, Поршень и цилиндр установлены с возмож ностью взаимодействия и соосно с наконечником, а цилиндр сообщается с фильтром.

Полость между поршнем, цилиндром и входным отверстием преобразователя давления, а также фильтр заполнены жидкостью, При внедрении датчика в грунт поровая вода контактирует с жидкостью в фильтре. Давление поровой воды передается через жидкость к входному отверстию

Изобретение относится к устройствам для определения физйко-механических свойств грунтов при инженерно-геологических изысканиях в строительстве. Датчик преднаэначен для"использования в составе зондов статическОго зондйрования-грунтов, а также для оснащения других устройств, применяемых для йзмеренйя давления поровой в од 61, Известен датчйк порогового давления, содержащий корпус, фильтр, сообщенный с измерителем давления в виде капилляра, эаполненнбго Маслом f1).

Известно устройство для определения физико-механических свойств грунта, содержащее в своем составе полый корпус, датчик парового давления, фильтр из пористого материала и дренажные отверстия в полом корпусе (2), Наиболее близким к изобретению является датчик парового давления иэ состава пенетрометра, Датчик порового давления содержит наконечник с конусом, фильтр и преобразователь давления в электрический сигнал мембранного типа (3), Недостатками устройства при более совершенной конструкции, чем известные, являются сложная технология изготовления фильтра из пористого материала (керамика) со сквозными микроотверстиями определенного диаметра, его низкая механическая прочность, необходимость частой замены фильтра из-эа засорения микрочастицами грунта, снижающая производительность работ, Цель изобретения — повышение надежности датчика, упрощение его конструкции и увеличение производительности измерений, Цель достигается тем, что датчик порового давления, содержащий наконечник с конусом, фильтр, расположенный эаподлипреобразователя давления, который формирует электрический сигнал, соответствующий давлению паровой воды. Поршень и цилиндр используются для оперативной прочистки фильтра при частичной разборке датчика. В процессе навинчивания наконечника поршень вытесняет за пределы датчика избыток жидкости из цилиндра через фильтр вместе с частицами грунта, проникшими в фильтр во время эксплуатации"датчика, 3 з.п, ф-лы, 5 ил. цо с поверхностью датчика, преобразователь давления и полость у входа преобразователя давления, сообщенную с фильтром, а полость и сам фильтр заполнены жидкостью, причем полость образована цилиндрической боковой поверхностью, согласно изобретению, снабжен поршнем с уплотнительной манжетой, а фильтр выполнен в виде по крайней мере одной щели, при этом поршень установлен в полости у входа преобразователя давления с возможностью взаимодействия с ее цилиндрической поверхностью через уплотнительную манжету, а его торцевая поверхность ограничивает объем полости, кроме того, щель фильтра может быть образована по окружности датчика, причем датчик снабжен фольговой шайбой, примыкающей к торцевой поверхности наконечника со стороны конуса, а диаметр фольговой шайбы меньше диаметра наконечника, также датчик снабжен конической шайбой, установленной между фольговой шайбой и конусом, и стопором, закрепленным на наконечнике, а фольговая шайба выполнена с радиальными выступами, достигающими диаметра наконечника, при этом фольговая и коническая шайбы имеют отверстие под стопор и, кроме того, щель фильтра может быть выполнена по образующей боковой поверхности датчика параллельно его оси, На фиг. 1 дан общий вид датчика порового давления; на фиг. 2 — сечение датчика; на фиг. 3 представлен другой пример выполнения датчика; на фиг. 4 и фиг, 5 — его сечения, В корпусе 1 датчика порового давления (фиг, 1) закреплен преобразователь 2 давления в электрический сигнал, Наконечник 3 привинчен к корпусу 1. Наконечник 3 снабжен каналами 4, диаметр и количество которых существенного значения не имеют (на

1792469

1 фиг, 2 показано три канала). Каналы 4 предназначены для гидравлического сообщения входного отверстия 5 (входа) преобразователя 2 давления с фильтром. Фильтр выполнен в виде щели 6 по поверхности датчика, н фиг. 1 и фиг. 2 — по окружности датчика, н фиг. 3, 4, 5 — параллельно оси датчика. ель 6 образована посредством фольговой айбы 7, зажатой между наконечником 3 и к нической шайбой 8 (фиг. 1), Прижим обеси чивается навинчиванием конуса 9 на винт

1, который является продолжением након чника 3, Таким образом, высота щели 6 р вна толщине фольговой шайбы 7 и составл ет порядка 0,003 — 0,005 мм. Щель 6 являе ся фильтром в заявленном датчике; малая в сота щели 6 препятствует проникновен ю в датчик микрочастиц грунта, размеры к торых обычно больше, чаще диаметр част ц грунта составляет сотые доли миллиметр и более, На фиг. 1 для наглядности в сота щели 6 показана многократно больше ее фактического значения.

Фольговая шайба 7 может быть снабжен тремя или более радиальными выступам 11 (фиг, 2), расположенными в ее п оскости равномерно по окружности. Выс упы исключают пере .:"". щели 6, дополнит льно способствуя устойчивости датчика и рового давления .к большим вертикальн м и изгибающим нагрузкам. Таким образ м, обеспечивается его высокая м ханическая прочность. Выступы 11 достиг ют наружного диаметра наконечника 3 в м сте установки фольговой шайбы 7 или мог быть несколько меньше этого диаметра.

К налы 4 выходят в щель 6 между выступам 11 фольговой шайбы 6. Соответствующее и ложение фольговой шайбы 7 относительн каналов 4 в наконечнике 3 обеспечиваетс стопором 12, установленным на н конечнике. 3, Фольговая шайба 7 имеет о ветное отверстие 13 под стопор. Коничес ая шайба 8 также снабжена отверстием 14

ll д стопор, Таким образом, при навинчиван и конуса 9 на винт 10 исключается взаимн и проворот фольговой шайбы 7, к нической шайбы 8 и наконечника 3, что н обходимо для обеспечения сохранности ф льгoBQA шайбы 7, содержащей выступы

1, при сборке датчика. Возможное выполн ние фольговой шайбы 7 без выступов упр щает конструкцию датчика, из которого м гут быть исключены коническая шайба 8 и топор 12.

Верхняя часть наконечника 3 со сторон входного отверстия 5 преобразователя 2 д вления выполнена (фиг. 1) в виде поршня

- 1, снабженного уплотнительной манжетой

1, Поршень 15 имеет возможность взаимодействия с цилиндром 17, установленным вблизи входного отверстия 5 преобразователя 2 соосно с поршнем 15 и наконечником

3. При завинчивании наконечника 3 в корпус

5 1, в котором предварительно установлен цилиндр 17, поршень 15 постепенно входит в цилиндр 17, что обеспечивается соосной установкой поршня, цилиндра и наконечника.

В представленном варианте исполнения

10 (фиг. 1, 2) датчика цилиндр 17 снабжен наружной резьбой для крепления в корпусе 1 и используется одновременно для прижима преобразователя 2 к корпусу 1 через герметизирующую прокладку 18. Таким образом

15 герметизирована полость, образованная внутри цилиндра 17 между поршнем 15 и входным отверстием 5 преобразователя 2.

Каналы 4 используются для сообщения с фильтром (щелью 6) как входного отверстия

2р 5 преобразователя 2, так и цилиндра 17. Эта герметизированная полость вместе с каналами 4 и щелью 6 заполнена жидкостью, например глицерином. Наружное давление (атмосферное — при хранении датчика, поро25 вое — в процессе эксплуатации) и капилляр- ° ные силы сцепления жидкости со стенками щели 6 препятствуют вытеканию жидкости . из щели 6.

Преобразователь 2 давления связан

3р усилителем и, наземным регистратором посредством кабеля 19. Усилитель электрических сигналов может быть, размещен в верхней части корпуса 1 (на фиг. 1 не показан). В качестве преобразователя 2 может

35 быть применен, мембранный тензопреобразовател ь давления Д-2,5 или другого типа.

Муфта "0 трения, показанная на фиг, 1, относится к элементам зонда статического зондирования грунтов и в работе эаявлен40 ного датчика не участвует. Нижняя часть зонда независимо от его конструкции может быть оснащена датчиком порового давления для одновременного измерения парового давления в процессе статического

45 зондирования грунтов, Отметим, что комплекс оборудования для статического зондирования включает зонд, регистратор, наращиваемую колонну штанг и наземную . буровую установку. Последний осуществля50 ется задавливание зонда в грунт вместе с заявленным датчиком парового давления.

Возможны и измерения только порового, давления. Для этого верхняя часть корпуса

1 оснащается резьбой для стыковки с колон55 ной штанг, а муфта 20 трения исключается.

На фиг, 3, 4 и 5 представлен пример выполнения датчика порового давления, в котором щель 6 выполнена в виде прорези (дисковой фрезой) в наконечнике 3 параллельно его оси и затем уменьшена до нуж0

1792469 ного размера посредством винтов 21, стяги-, вающих прорезь. Фольговые прокладки 22 ограничивают пределы стягивания, формируя размер щели (фиг. 4, 5), Окончательная обработка внутренней цилиндрической по- 5 верхности наконечника 3, взаимодействующей с поршйем 15, выполняется после операции стягивания щели.

Датчик работает следующим образом, При погружении датчика в грунт возни- 10 кает давление воды, содержащейся в порах грунта. Паровая вода контактирует с жидкостью (глиЦерином), которой заполнена щель

6. Давление паровой воды передается к входному отверстию .5 преобразователя 2 15 давления через жидкость, находящуюся в щели 6, каналах 4 и в полости цилиндра 17.

Электрический сигнал, соответствующий давлению паровой воды, формируется преобразователем 2 давления и через кабель 19 20 поступает на усилитель, далее — регистратор, Фильтр, образованный щелью 6, препятствует проникновению внутрь датчика частиц груйта, которым могут вызвать засорение фильтра 6. 25

В .процессе эксплуатации датчика, не- . смотря на щель 6, которая по высоте меньше геометрических размеров преобладающего количества частиц грунта, все же происходит засорение фильтра (щели 6) отдель- 30 ными микрочастицами грунта, Микрочастицы вдавливаются в фильтр при принудительном (обычно с усилием до 8 — 15 тонн) внедрении датчика в грунт в естественном залегании (без предварительной проходки 35 скважины), Уикрочастицы грунта, которые постепенно накапливаются в датчике, должны быть удалены, Для оперативной прочи-. стки щели 6 без полной разборки датчика используется поршень 15 и цилиндр 17. Для 40 прочистки датчика корпус 1 устанавливают вертикально датчиком вверх (фиг, 1), Из корпуса 1 вывинчивают наконечник 3 в сборе (вместе с конусом 9, фольговой шайбой 7 и конической шайбой 8), Вовнутрь цилиндра 45

17 доливают жидкость, затем наконечник 3 (вместе с установленными на нем элементами) завинчивают обратно. По мере завинчивания наконечника 3 поршень 15 входит в цилиндр 17, выдавливая избыток жидкости 50 через каналы 4 и щель 6 вместе с микрочастицами грунта, попавшими внутрь датчика в процессе его эксплуатации. Прочистка варианта датчика по фиг, 3 — 5 производится аналогично, но путем завинчивания конуса 55

9.

Операция прочистки, восстанавливающая работоспособность дат ика, длится несколько минут. При этом замена или разборка фильтра не требуется. Очевидно, что поршень 15 с цилиндром 17 могут быть установлены и в прототипе для самостоятельного их использования — без остальных элементов заявленного датчика, перечисленных в отличительной части формулы.

Фильтр, образованный щелью в корпусе датчика, вместе с конструктивными элементами, составляющими фильтр, также может быть использован самостоятельно, без системы прочистки, содержащей поршень с цилиндром.

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию датчика за счет замены керамического фильтра простыми металлическими деталями; фольговой шайбой, конической шайбой и стопором, Керамический фильтр прототипа, содержащий сквозные микроотверстия определенного размера, требует относительно сложной технологии изготовления, повысить механическую прочность датчика, соответственно и надежность его эксплуатации в условиях высоких силовых нагрузок также за счет за-. мены керамического фильтра металлическими деталями, повысить производительность работ и снизить стоимость эксплуатации датчика за счет быстрого восстановления его работоспособности путем прочистки и искл1очения необходимости замены фильтра, Формула изобретения

1. Датчик парового давления, содержащий наконечник с конусом, фильтр, расположенный заподлицо с поверхностью датчика, преобразователь давления и полость у входа преобразователя давления, сообщенную с фильтром, а полость и фильтр заполнены жидкостью, причем полость образована цилиндрической боковой поверхностью, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности датчика, уп-. ращения et o конструкции и увеличения производительности процесса измерений, датчик снабжен поршнем с уплотнительной манжетой, а фильтр выполнен в виде по крайней мере одной щели, при этом поршень установлен в полости у входа преобразователя давления с возможностью взаимодействия с ее цилиндрической поверхностью через уплотнительную манжету, а его торцевая поверхность ограничивает объем полости.

2. Датчик по и, 1, о тл и ч а ю щи и с я тем, что щель фильтра образована по окружности датчика, причем датчик снабжен фольговой шайбой, примыкающей к торцовой поверхности наконечника со стороны конуса, а диаметр фольговой шайбы меньше диаметра наконечника.

1792469 с ш и ш и н м п л д ст

Составитель Ю,Аветикян рловская Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Л.Ливринн

Тираж Подписное

Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5 дственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

3. Датчик по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю щ и йтем, что датчик снабжен конической бой, установленной между фольговой бой и конусом, и стопором, закрепленна наконечнике, а фольговая шайба вынена с радиальными выступами, игающими диаметра наконечника, при зтом фольговая и коническая шайбы имеют отверстия под стопор.

4. Датчик по и, 1, о т л и ч а ю щи йс я

5 тем, что щель фильтра выполнена по образующей боковой поверхности датчика параллельно его оси.