Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Первинну інформацію про приростки координат Ах, Ay, Az отримують за допомо­гою датчиків лінійних переміщень. Робота цих датчиків базується на тому, що вимірюваль­на частина датчика жорстко закріплюється на нерухомому об’єкті, яким може бути геоде­зичний засіб вимірювання, а чутливий елемент датчика жорстко закріплюється на рухомо­му об’єкті, тобто інженерній конструкції. По вимірювальному значенню зміщень цих частин датчика роблять висновок про зміщення інженерної конструкції відносно нерухомої (базо­вої) системи координат, заданої геодезичним засобом вимірювання. Датчики лінійних пе­реміщень можна розділити на групи (класи) по признаках фізичних явищ, що лежать в ос­нові реєстрації взаємного переміщення рухомої і нерухомої частин датчика. Таких груп датчиків можна назвати п’ять: потенціометричні; індуктивні; ємнісні; п’єзоелектричні; фото­електричні.

3.3.1. ПОТЕНШОМЕТРИЧНІ ДАТЧИКИ

Потенціометричні датчики лінійних переміщень побудовані на основі реєстрації змі­ни опору електромеханічного елемента, який складається із дротяного потенціометра і струмозйомника, що з’єднані певною схемою з джерелом живлення і електричним наван­таженням (рис. 3.34).

В якості напруги живлення, як правило, використовують напругу постійного струму, тому в цих датчиках не застосовується модуляція. Навантаженням датчика є повний вхід­ний електричний опір підсилювача. Датчик здійснює перетворення лінійного x(t) механіч­ного переміщення чутливого елемента (струмозйомного елемента) в вихідний електрич­ний сигнал в відповідності з лінійним законом квантования сигнала по рівню. При значно­му числі витків потенціометра і малому діаметрі дроту (d < 0,05 мм) ефектом квантован­ия вихідного сигналу звично нехтують.

Конструктивно потенціометричний датчик лінійних переміщень виконують шляхом намотування на прямокутному каркасі витків високоомного дроту, наприклад, нейзільбера, константана та інше. Контактна доріжка утворюється шляхом шліфування верхньої части­ни витків, по якій переміщується струмозйомний елемент — движок. Дріт намотується на каркас у відповідності з лінійним законом. Внутрішній опір джерела напруги дорівнює ну­лю. На обмотку потенціометра подається електрична напруга живлення ІІ0, а вихідний

сигнал знімається з рухомого контакту і одного з кінців обмотки. При механічному перемі­щенні движка потенціометра, пропорційно цьому переміщенню, змінюється величина ви­хідної напруги.

Отримаємо математичний вираз для вихідного сигналу потенціометричного датчика. По закону Кірхгофа маємо:

Вираз (3.32) можна записати у вигляді

де: х =—— відносне переміщення датчика;

R

R — опір реостата;

RH — опір навантаження датчика.

(3.34)

На рис. 3.35 показані статичні характеристики датчика при різних відношеннях —.

R„

ft

Із графіків видно, що чим більше по величині відношення, тим більшу нелінійність

RH

має характеристика потенціометричного датчика. З другого боку це значить, що при RH — оо нелінійні спотворення відсутні. Так як RH неможливо зробити нескінченно вели­ким, що викликало б значне зменшення вихідної потужності датчика, то для практичних ці-

ft

лей приймають відношення —— =10:1. Таке відношення не дозволяє забезпечити ліній-

RH

ність характеристики датчика. Для більшого випрямлення нелінійної статичної характерис­тики в необхідних випадках застосовують потенціометри з функціональним намотуванням, або розбивають потенціометр на окремі ділянки за рахунок ускладнення схеми потенціо­метра, тобто за рахунок конструювання складного датчика із декількох окремих потенціо­метрів. Схема і графік статичної характеристики такого датчика приведені на рис. 3.36 а і 3.36 б.

Статична характеристика складного потенціометричного датчика уявляє собою ла­ману лінію кожна із ділянок якої близька до прямої. В розглянутому потенціометричному датчику вихідний сигнал при переміщенні движка змінюється в межах від Одо U0, тому

такий датчик називається однополярним або однокоординатним, що є його недоліком. В автоматичних же вимірювальних приладах, як правило, необхідно отримувати інформацію не тільки про величину переміщення, а і про напрям переміщення вимірювальної величи­ни. Ця задача вирішується за допомогою датчиків, які мають назву реверсивних. Ревер­сивний датчик відрізняється від однокоординатного наявністю додаткового нерухомого контакту 0 (рис. 3.37 а), який розміщується, як правило, в середній частині обмотки потен-

ціометра. При підключенні реверсивного датчика до постійної напруги, при проходженні движка через середню точку потенціометра вихідна напруга буде змінювати знак (рис. 3.37 б). При підключенні такого датчика до змінної напруги, при аналогічному проход­женні движка через середину потенціометра буде проходити зміна фази вихідної напруги на 180°. При зміні величини переміщення рухомого контакту в тому і іншому випадках змі­нюється амплітуда вихідного електричного сигналу.

До переваг потенціометричних датчиків слід віднести простоту конструкції, невеликі габарити і вагу, можливість роботи датчика від мережі постійного і змінного струму. До не­доліків можна віднести необхідність ковзного контакту і можливість його порушення, що є головною перепоною широкого запровадження, а також відносно невисокий коефіцієнт підсилення і нелінійність статичної характеристики (при підключенному навантаженні). При автоматизації геодезичних вимірювань потенціометричні датчики найбільш раціо­нально знаходять застосування при вивченні зміщень і осідань споруд в якості перетворю­ючих елементів в кінцевих каскадах автоматичних пристроїв, в напівавтоматичних при­строях для дистанційного управління вимірювальними ланками і механізмами.

Для перетворення лінійних механічних переміщень в зміну величини електричного сигналу застосовують індуктивні датчики. Найпростіший однофазний індуктивний датчик лінійних переміщень (рис. 3.38) складається із обмотки 1, яка включається через послі­довно з нею з’єднаний резистор навантаження RH до джерела напруги, магнітопроводу або сердечника 2 і рухомого якоря 3 .

Рис. 3.38. Однофазний індуктивний датчик

Магнітопровід (а часто і якір) виготовляють із матеріалу, що сприяє створенню мож­ливо більшого магнітного потоку ф. Такими матеріалами можуть бути електротехнічна сталь, пермалой, оксіфер та інші феромагнітні матеріали.

При переміщенні якоря відносно сердечника або сердечника відносно якоря зміню­ється відстань х між ними, що тягне за собою зміну величини магнітного силового потоку і, як наслідок цього, зміну індуктивності датчика і його індуктивного опору. Індуктивний опір датчика і його індуктивність визначаються відповідно наступними виразами:

xL = col = 2nfL; (3.35)

, _ 0,4жсо2 -1СГ8

~~ „ 2х (3.36)

LJ і

cm о

де: со — число витків обмотки;

f — частота напруги живлення; х — довжина повітряного зазору (всм)

Rcm — магнітний опір сердечника і якоря;

S — площа перетину повітряного зазору (всм2).

Індуктивні датчики працюють тільки при змінному струмі, так як при постійному стру­мі х, — 2nfL = 0 і струм в обмотці датчика змінюватись не може. При синусоїдальній змін­
ній напрузі U0 діюче значення струму Ін, що протікає через опір навантаження, визнача­ється по закону Ома і має вигляд

ип

yJ{RH +гк)2 + co2L2

де: RH — активний опір навантаження (ом) ;

гк — активний опір котушки датчика (ом).

Рис. 3.39. Двофазний індуктивний датчик

Для визначення величини зміщення елементів конструкції і напряму цього зміщення застосовують двофазні індуктивні датчики (рис. 3.39). Величина вихідного сигналу такого датчика визначає величину зміщення його рухомих елементів відносно каркасу магніто — проводу, а фаза сигналу — напрям зміщення. Двофазні індуктивні датчики лінійних перемі­щень мають дві котушки індуктивності, що включаються по диференціальній схемі 1 2. При середньому положенні якоря З індуктивний опір обох плечей датчика Ц і L, однако­вий і різниця струму, що протікає через котушки індуктивності, дорівнює нулю, тобто вихід­ний сигнал буде відсутній. Зміщення якоря на величину х призведе до зміни індуктивнос­тей котушок на величину AL, що призведе до зміни струму в котушках. Вихідний сигнал

(/гн+Ч)-(/2н-^н) = 2Д/н (3.38)

буде пропорційний зміщенню х, а його фаза буде характеризувати напрям зміщення якоря відносно каркасу. Позначивши через Z,,Z2; R1,R2,RH відповідно комплексні опо­ри котушок індуктивності, додаткові опори схеми і опір навантаження, вихідну напругу ди­ференціального індуктивного датчика (статичну характеристику) при RH = оо можна вира­зити залежністю

(3.39)

Повна функціональна схема диференціального індуктивного датчика (рис. 3.40) складається із генератора 1 для живлення котушок індуктивності напругою і)0, безпосе­редньо котушок індуктивності 2, підсилювача напруги 3, фазового детектора 4 , підси­
лювача постійного струму 5 і реєстратора 6. Практична реалізація наведеної схеми доз­воляє створити малогабаритну конструкцію датчика з живленням від 1 -2х батарей типу КБС, надійну в роботі і зручну в експлуатації. Генератор призначений для вироблення змінної електричної напруги і живлення котушок індуктивності. Він може бути виконаний по схемі симетричного мультивібратора з погоджуючим вихідним каскадом. Так як вихідний електричний сигнал з датчика невеликий по величині, то він підсилюється підсилювачем напруги. Підсилений по амплітуді електричний сигнал поступає на один із входів фазового детектора. На другий вхід фазового детектора подається опорний електричний сигнал, що знімається безпосередньо з генератора. З виходу фазового детектора знімається постій­ний електричний сигнал, полярність якого залежить від фази інформаційного сигналу, що знімається з датчика. Якщо фаза інформаційного сигналу збігається з фазою опорного, то на виході фазового детектора буде позитивний електричний сигнал, якщо не збігається — від’ємний. Якщо інформаційний електричний сигнал дорівнює нулю, то вихідний сигнал з фазового детектора також дорівнює нулю. Таким чином, вихідний електричний сигнал, що знімається з фазового детектора, буде мати інформацію про величину і напрям зміщення рухомого якоря індуктивного вимірювального перетворювача. Вихідний сигнал з фазового детектора, підсилений підсилювачем постійного струму, поступає на реєстратор. Між фа­зовим детектором і підсилювачем може бути підключений поділювач чутливості. В якості реєстратора може бути застосований стрілочний мікроамперметр або цифровий вольт­метр.

Рис. 3.40. Функціональна схема диференціального індуктивного датчика

Точність вимірювання лінійних зміщень індуктивними датчиками дуже висока і скла­дає величину декількох мікрон в діапазоні переміщень до одного мм. До переваг індуктив­них датчиків також слід віднести високу надійність, високий коефіцієнт ділення, що дося­гає декількох сотень вольт на 1 мм, а також міцну конструкцію. До недоліків індуктивних датчиків відносять складнощі регулювання для отримання нульових значень напруг на ви­ході диференціального датчика, можливість роботи тільки на змінному струмі.

3.3.3. ЄМНІСНІ ДАТЧИКИ

Для перетворення переміщень в зміну напруги на практиці застосовують конденса­тори перемінної ємності — ємнісні датчики. Найпростіший ємнісний датчик може бути побу­дований на основі плоского конденсатора. Величина ємності плоского конденсатора виз­начається залежністю

с=4. <з-4°)

о

де: є — діелектрична проникливість середовища між обкладками конденсатора;

S — площа перекриття пластин конденсатора;

8 — відстань (зазор) між пластинами.

Зміна ємності плоского конденсатора може відбутися при зміні кожної величини в формулі (3.40). Для кожного із цих випадків запишемо диференціальні рівняння:

(3.42)

3. 3 = 3ar; s, S = const, AC3=—A5. (3.43)

6

Аналізуючи вище приведені рівняння можна прийти до висновку, що лінійну залеж­ність дають перші два випадки, а зміна зазору між пластинами приводить до гіперболічної залежності. Таким чином, градуювальна характеристика датчика побудованого на основі плоского конденсатора буде нелінійною.

Рис. 3.41.

Ємнісний диференціальний датчик

Для розширення лінійного діапазону, отримання більшої чутливості і підвищення точності вимірювань застосовують диференціальні ємнісні датчики (рис. 3.41). Такі датчи­ки виключають вплив зміни температури на геометричні розміри датчика, а таким чином, точність диференціальних датчиків не залежить від коливань температури зовнішнього середовища.

Живлення вимірювальних схем диференціальних ємнісних датчиків здійснюється звично перемінним струмом підвищеної частоти — від декількох кілогерц до десятків мега­герц.

Ємнісні датчики для вимірювання лінійних переміщень мають діапазон вимірювання в межах 1 мкм — 5 мм, крутість характеристики 10 -100 мв / мм і похибки вимірювання в діапазоні 0.5-1 мкм.

Комментарии запрещены.