Датчик для контроля уровня деформаций в конструкции

 

Использование: контроль напряжений в конструкции, в частности, в процессе эксплуатации магистральных трубопроводов. Сущность изобретения: датчик для контроля уровня деформаций в конструкции содержит в качестве чувствительных элементов размещенные между двумя планками ряд параллельных между собой металлических пластин, на каждой из пластин размещено по неизолированному от них электрическому контакту. Над указанными пластинами расположена вспомогательная пластина с изолированными электрическими контактами, размещенными напротив указанных выше неизолированных электрических контактов. На вспомогательной пластине расположены по числу металлических пластин регуляторы прижатия электрических контактов. Пластины имеют разные длины и закреплены с одной стороны на планке, а с другой стороны их концы входят в выточку на противоположной планке на величины деформаций, соответствующие контролируемым уровням напряжений. При достижении деформаций в конструкции, на которые пластины входили в выточку при установке датчика, концы пластин выходят из зацепления с выточкой и замыкают контакты с помощью регуляторов прижатия электрических контактов. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к контролю напряжений в конструкции, в частности в процессе эксплуатации магистральных трубопроводов.

Известен датчик для контроля уровня напряжений в конструкции, содержащий ряд параллельно расположенных металлических пластин с концентраторами напряжений различных размеров и закрепленных концами на двух планках (А.с. СССР N 1300292, 25.04.84 г, кл. G 01 B 7/18).

Недостатками указанного датчика являются: невысокая точность контроля, связанная с разбросом значений относительных деформаций пластин при их разрыве по концентраторам, зависящим от стабильности свойств материала (чем предъявляются повышенные требования к выбору и качеству материала со специфическими свойствами, особенно для контроля напряженного состояния в упругой области при небольших деформациях), степени точности нанесения и обработки концентраторов; значительные усилия в датчике в местах крепления его на конструкции, требующие крепления его с помощью сварки и не позволяющие использовать клеи; невозможность повторного использования пластин датчика после их разрыва в случае снижения уровня напряжений в конструкции ниже контролируемых уровней; в датчике не предусмотрена возможность дистанционного контроля и телеконтроля уровня напряжений в конструкциях. Информация об уровне напряжений в конструкции с помощью указанного датчика может быть получена только в момент визуального осмотра датчика.

Изобретение позволяет решить задачу повышения точности контроля и надежности эксплуатации датчика, а также в датчике предусмотрена возможность дистанционного контроля и телеконтроля уровня напряжений в конструкциях. Достигается это тем, что в известном датчике для контроля уровня напряжений в конструкции, содержащем в качестве чувствительных элементов размещенные между двумя планками ряд параллельных между собой металлических пластин, на каждой из пластин размещено по неизолированному от них электрическому контакту. Датчик снабжен расположенной с зазором над указанными пластинами вспомогательной пластиной с изолированными электрическими контактами, размещенными напротив неизолированных контактов, и регуляторами прижатия электрических контактов по числу металлических пластин, каждый из которых содержит шпильку, закрепленную на пластине с неизолированным контактом и проходящую с зазором через вспомогательную пластину, пружину сжатия в защитном корпусе, размещенную на шпильке и опирающуюся на вспомогательную пластину, и гайку-колпачок, установленную на свободном конце шпильки и взаимодействующую с пружиной своим торцом. Пластины с неизолированными электрическими контактами имеют разные длины и закреплены концами с одной стороны на планке, упираясь торцами в выступ на ней, расположенный перпендикулярно этим пластинам, а с другой стороны их концы входят в расположенную перпендикулярно указанным пластинам выточку на противоположной планке. Выточка имеет ширину, равную величине максимальной измеряемой датчиком деформации. Пластина наибольшей длины упирается своим концом в стенку выточки, а концы пластин меньшей длины входят в выточку на величины деформаций, соответствующие контролируемым уровням напряжений. Вспомогательная пластина одним концом закреплена на планке, а на другом ее конце выполнена продольная прорезь для фиксации установочного положения этих пластин в выточке креплением болтами вспомогательной пластины к противоположной планке при сборке датчика. Шпильки регуляторов прижатия электрических контактов закреплены на концах пластин с неизолированными контактами перед входом их в выточку. На каждой из планок снизу выполнены перпендикулярные этим планкам выточки.

На фиг. 1 показан вид датчика сбоку в разрезе; на фиг. 2 вид датчика сверху; на фиг. 3 вид датчика снизу.

Датчик содержит ряд параллельных между собой металлических пластин 1, на каждой из которых размещено по неизолированному от них контакту 2, планки 3 и 4, расположенную с зазором над пластинами 1 вспомогательную пластину 5.

Пластины 1 имеют разные длины и закреплены с одной стороны на планке 3, упираясь торцами в выступ на ней, расположенный перпендикулярно этим пластинам, а с другой стороны их концы входят в расположенную перпендикулярно им выточку 6 на планке 4, причем выточка 6 имеет ширину, равную величине максимальной измеряемой датчиком деформации. При этом пластина наибольшей длины упирается своим концом в стенку выточки 6, а концы пластин меньшей длины входят в выточку 6 на величины деформаций, соответствующие контролируемым уровням напряжений.

На планках 3 и 4 снизу выполнены перпендикулярные пластинам 1 выточки 7 и 8, определяющие внешними сторонами границы измерительной базы датчика.

Пластина 5 одним концом закреплена на планке 3, а на другом ее конце выполнена продольная регулировочная прорезь 9 для фиксации установочного положения пластин 1 в выточке 6 на планке 4 креплением пластины 5 болтами 10 и 11 к планке 4 при сборке датчика.

На пластине 5 на ввинченных в нее бобышках 12 снизу размещены изолированные от пластины 5 электрические контакты 13 напротив неизолированных контактов 2 на пластинах 1. Изоляция контактов 13 от пластины 5 достигается за счет изготовления бобышек 12 из материала-диэлектрика. Внутри бобышек 12 пропущены провода 14, которые соединены с изолированными контактами 13.

Электрические контакты 2 и 13 связаны проводами 14, 15 и кабелем 16 с источником тока, средствами сигнализации и передачи сигнала на расстояние (источник тока, средства сигнализации и передачи сигнала на расстояние на фиг. 1 3 не показаны). Провод 15 с помощью винта 17 крепится к пластине 5 и планке 3.

На вспомогательной пластине 5 установлены по числу пластин 1 регуляторы прижатия электрических контактов. Каждый из этих регуляторов содержит шпильку 18, закрепленную на концах пластин 1 перед входом их в выточку 6 и проходящую с зазором через пластину 5, гайку-колпачок 21, завинчиваемую на шпильке 18 и сжимающую пружину 19.

Для предотвращения повреждений датчик закрывается крышкой 22, которая с помощью болтов 23 и шпилек 24 крепится к планкам 3 и 4. Кабель 16 пропущен через сальниковое устройство 25, расположенное на крышке 22 и обеспечивающее закрепление кабеля 16.

Датчик для контроля уровня деформаций в конструкции работает следующим образом.

Датчик устанавливают на контролируемую конструкцию и ориентируют пластины 1 в направлении действия нормальных напряжений. При этом закрепление датчика при использовании клея осуществляют по нижней поверхности планок 3 и 4 от внешних сторон выточек 7 и 8, определяющих границы измерительной базы датчика, до свободных концов планок 3 и 4, а при использовании сварки по боковым поверхностям планок 3 и 4 от выточек 7 и 8 до свободных концов этих планок. После закрепления датчика на конструкции отвертывают болты 10 и 11 до обеспечения свободного перемещения пластин 1 относительно выточки 6 на планке 4 при деформации конструкции. Затем датчик закрывают крышкой 22, которая с помощью болтов 23 и шпилек 24 крепится к планкам 3, 4 (при этом зазор между отверстиями в крышке 22 и болтами 23 должен обеспечить свободное их перемещение относительно крышки при максимальной деформации конструкции), закрепляют кабель 16 в сальниковом устройстве 25. Провода 14 и 15 от датчика подсоединяют к системе дистанционного контроля или телеконтроля.

Последовательный выход пластин 1, имеющих разные длины, из зацепления с выточкой 6 на планке 4 при деформировании конструкции соответствует определенным относительным деформациям в конструкции, по которым с учетом кривых предельных состояний оценивают ее напряженное состояние или по полученным на основе этих кривых данным таблицы.

При выходе из зацепления с выточкой 6 на планке 4 любая из пластин 1 притягивается к пластине 5 под воздействием пружины 19 и замыкает контакты 2 и 13, связанные электрической цепью с источником тока, средствами сигнализации и передачи сигналов на расстояние.

Предлагаемая конструкция датчика позволяет повысить точность контроля, которая зависит от точности изготовления длин пластин 1 и выточки 6 при соответствующей измерительной базе датчика.

Так, при испытаниях датчиков с пластинами, имеющими различные концентраторы (аналог), разброс относительных деформаций при разрыве пластин достигал 14% что соответствует погрешности в измерении напряжений до 10% Причем для обеспечения возможности контроля напряжений в упругой области при небольших деформациях и снижения погрешности измерений (т.е. для того, чтобы добиться разрыва пластин при меньшем удлинении конструкции в пределах измерительной базы датчика с меньшим разбросом данных при испытаниях), пластины, контролирующие наименьший уровень напряжений, были изготовлены из специальной стали, подверженной термической обработке по заданному режиму. При изготовлении пластин датчика для повышения точности контроля не предъявляются повышенные требования к материалу, а точность в основном зависит от допусков на размеры пластин 1 и выточки 6. Так, например, по 4 квалитету допуск для размеров в пределах 80 120 мм составляет 10 мкм или 0,01 мм, т.е. длина пластины может иметь разброс от номинального значения в пределах 0,01 мм, а ширина выточки при изготовлении по 4 квалитету имеет допуск 3 мкм или 0,003 мм. Тогда при измерительной базе датчика 150 мм и удлинении базы на конструкции, например, для первой пластины до 0,225 мм максимальная погрешность контроля составит или 5,77% что соответствует погрешности в измерении напряжений до 3,1% Конструкция датчика повышает надежность его эксплуатации по сравнению с прототипом, в котором в процессе работы датчика имеют место значительные продольные усилия, воздействующие на места крепления датчика к конструкции, что требует использования сварки. Вместе с тем на импортных трубах из высокопрочных сталей техническими условиями запрещается применение сварки на теле трубы. Отсутствие указанных усилий в предлагаемом датчике позволяет использовать клеи для закрепления датчика на конструкции.

После срабатывания датчика предлагаемой конструкции (выхода из зацепления с выточкой 6 одной или нескольких пластин 1) и принятия необходимых мер, направленных на снижение напряжений в конструкции ниже контролируемых уровней, представляется возможным завести пластины 1 в выточку 6 и датчик снова готов к работе.

Кроме того, конструкция предлагаемого датчика позволяет обеспечить контроль любых заданных уровней напряжений конструкции, что достигается изготовлением пластин 1 заданных длин с учетом вхождения их в выточку 6 на величины деформаций, соответствующие требуемым контролируемым уровням напряжений с учетом измерительной базы датчика. В конструкции датчика прототипа уровни контроля ограничены пределом текучести материалов конструкции и зависят от подбора концентраторов и материала пластин.

Предлагаемый датчик обеспечивает возможность дистанционного и телеконтроля уровня напряжений в конструкциях.

Формула изобретения

Датчик для контроля уровня деформаций в конструкции, содержащей в качестве чувствительных элементов размещенные между двумя планками ряд параллельных между собой металлических пластин, отличающийся тем, что на каждой из пластин размещено по неизолированному от них электрическому контакту, датчик снабжен расположенной с зазором над указанными пластинами вспомогательной пластиной с изолированными электрическими контактами, размещенными напротив неизолированных электрических контактов, и регуляторами прижатия электрических контактов по числу металлических пластин, каждый из которых содержит шпильку, закрепленную на пластине с неизолированным контактом и проходящую с зазором через вспомогательную пластину, пружину сжатия в защитном корпусе, размещенную на шпильке и опирающуюся на вспомогательную пластину, и гайку-колпачок, установленную на свободном конце шпильки и взаимодействующую с пружиной своим торцом, пластины с неизолированными электрическими контактами имеют разные длины и закреплены с одной стороны на планке, упираясь торцами в выступ на ней, расположенный перпендикулярно этим пластинам, а с другой стороны их концы входят в расположенную перпендикулярно указанным пластинам выточку на противоположной планке, выточка имеет ширину, равную величине максимальной измеряемой датчиком деформации, пластина наибольшей длины упирается своим концом в стенку выточки, а концы пластин меньшей длины входят в выточку на величины деформаций, соответствующие контролируемым уровням напряжений, вспомогательная пластина одним концом закреплена на планке, а на другом ее конце выполнена продольная прорезь для фиксации установочного положения этих пластин в выточке креплением болтами вспомогательной пластины к противоположной планке при сборке датчика, шпильки регуляторов прижатия электрических контактов закреплены на концах пластин с неизолированными контактами перед входом их в выточку, а на каждой из планок снизу выполнены перпендикулярные этим пластинам выточки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3