Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Робота маятникових датчиків горизонту основана на явищі фізичного маятника зай­мати вертикальне положення відносно точки підвісу в даній точці земної поверхні після за­спокоєння маятника. Другими словами, нитка підвісу маятника повинна збігатися з напря­мом вектора сили тяжіння, тобто площина перпендикулярна нитці підвісу маятника є пло­щиною горизонту в точці установлення датчика.

Маятники можуть постачатись різними пристроями знімання інформації про кутове розузгодження нитки підвісу (вискової лінії) і доповнюватись корпусом датчика, які дозво­ляють визначати кути Ауу і Ау2′. Пристрої знімання інформації, що застосовуються для фіксації відхилення маятників від вертикальної лінії діляться на фотоелектричні, магнітні, електричні, індуктивні, ємнісні, струнні. Фотоелектричні пристрої знімання інформації мо­жуть працювати в відбивному світлі і в прохідному світлі. Датчик горизонту, маятник якого постачається системою фотоелектричної реєстрації, що працює в відбивному світлі, зоб­ражено на рис. 3.4. В цьому датчику маятник, виконаний у вигляді ваги, закріплено в опра­ві в спеціальному карданному підвісі, що має відбивне дзеркало. Угнуте (сферичне) дзер­кало 1 жорстко вставлене в оправу 2, яка за допомогою цапф 3 закріплена в карданно­му підвісі 4 . Джерело випромінювання 5 нерухомо закріплене на вимірюючому об’єкті і направляє на дзеркало паралельний пучок світла. Відбиті від дзеркала світлові промені попадають на фотоприймач 6, площина якого збігається з фокальною площиною дзер­кала. Оправа дзеркала з’єднана з вагою 7. Карданний підвіс закріплений в корпусі прила­ду, що встановлений на об’єкті. Якщо об’єкт вимірювання нахилився, то завдяки карданно­му підвісу дзеркало збереже своє положення в просторі незмінним. Але при цьому поло­ження джерела 5 , що зв’язане з об’єктом вимірювання, зміниться відносно дзеркала, що приведе до переміщення точки фокусування відбитих променів світла в фокальній площи­ні дзеркала. Фотоприймальний пристрій зареєструє величину зміщення точки фокусуван­ня променів. В якості фотоприймачів можна використовувати ПЗЗ, фотодіодну матрицю, позиційно-чутливий фотоприймач та інші. Так як паралельні промені світла від джерела випромінювання направлені до осі дзеркала під деяким кутом, то при зміні положення об’єкту вимірювання в деяких заданих кутових межах фокальна пляма переміщується в круговому секторі з центром в головному фокусі дзеркала. Якщо елементи фотоприймаль — ного пристрою розмістити уздовж радіусу цього сектора, то можливо визначити не тільки величини відхилення об’єкту, а і напрям цього відхилення. Конструктивно груз закріплю­ють до оправи так, щоб понизити центр тяжкості маятника з дзеркалом і збільшити момент сили, яка повертає дзеркало в положення рівноваги, що в кінцевому варіанті збільшує чут­ливість датчика.

Рис. 3.4. Датчик горизонту з фотоелектричною реєстрацією в відбивному світлі

Датчик горизонту, маятник якого постачається фотоелектричним пристроєм знімання інформації, що працює в прохідному світлі, представлено на рис. 3.5. Конструкція такого датчика змогла з’явитися завдяки розробці волоконних світловодів. Волоконні світловоди — це оптичні елементи, які виконані із скла з діаметром світлопровідної жили від 4 мкм до 300 мкм. Довжина волоконного світловоду може бути практично необмежена. Всередині світловоду розповсюджується випромінювання, яке поступає на його вхідний торець. При цьому втрати випромінювання обмежуються тільки втратами на поглинання в матеріалі світловоду. Таким чином, волоконно-оптичний світловод — це ідеальна нитка підвісу маят­ника, до того ж є можливість передавати світловий потік з одного кінця нитки на другий у довільній конструкції 1.

На вільному кінці стержневого пружного волоконно-оптичного елемента (волоконно­го світловода) 2, закріплюють радіально намагнічений постійний кільцевий магніт 3, по периметру якого розміщують чотири ідентичні котушки електромагніта 4 і 6. При нахилі

об’єкту волоконно-оптичний світловод, який підсвічується світлодіодом 7, нахиляється і світлова пляма на фотоприймачі 5 зміщується відносно точки перехрестя його коорди­натних осей. Взаємодія полів котушок електромагніта 6 і 4 і постійного магніту 3 повер­тає волоконно-оптичний елемент у вихідне положення. Вихідні електричні сигнали пере­творювачів будуть пропорційні куту і напряму нахилу.

Маятниковий датчик з магнітним перетворювачем (рис. 3.6.) дозволяє дистанційно і дискретно контролювати відхилення об’єкта від вертикалі. В основу принципу дії датчика покладена реєстрація магнітного поля постійного магніту комутаційними елементами (гер­конами), які підключені в вимірювальну схему. Датчик монтують в діамагнітному корпусі 1.

Роль маятника виконує стержень 4 , оснащений вагою 6 і розвантажувальними пру­жинами 7,8. Маятник оснащений постійним магнітом 5, вільним кінцем підвішений че­рез ущільнювач в демпфіруючій рідині 9. Внизу корпуса встановлені магнітні контакти — геркони, один із яких нульовий 3 розміщується на твірній кута, рівного нулю, а дванад­цять бокових 2 розміщуються на поверхні просторового кута відхилення. При нульовому розузгодженні маятника і вектора сили тяжіння магніт знаходиться над герконом 3. Ос­танній пропускає сигнал в вимірювальну схему, який сигналізує про горизонтальне поло­ження корпуса в місці його встановлення на інженерну конструкцію. При наявності кута розузгодження замикаються відповідні бокові геркони 2, що встановлені по кругу, і в вимі­рювальну схему поступає сигнал, що дозволяє системі горизонтування привести розузгод­ження до нуля.

В інженерній геодезії або будівництві інколи виникає технічна задача коли необхідно визначити критичні кути нахилу, після досягнення яких наступає руйнування конструкції. Для таких задач можна використовувати датчик рис. 3.7.

Рис. 3.7. Маятниковий датчик на основі кулі

Принцип дії такого датчика заснований на замиканні електричного ланцюга струмо- провідною кулею при перевищені датчиком допустимого кута нахилу. Датчик складається із корпусу 6, в якому основа 1 виконана із ізоляційного матеріалу і на якій закріплюється постійний магніт 3. Контактні пластини 2 закріплюються одним кінцем в ізоляційному кільці 4 і вигнуті по радіусу, який більше від радіуса кулі 5. Схема підключення контакт­них пластин в електричний ланцюг така, що замикання будь-якої сусідньої пари контактів приводить до замикання електричного ланцюга. Для цього контактні пластини з’єднані че­рез одну з плюсовими і мінусовими полюсами електричного ланцюга. При вертикальному положенні робочої осі датчика куля опирається на ізоляційне кільце і фіксується магнітом

З. При нахилі об’єкта на кут, який перевищує кут настроювання, куля піджимає контактні пластини і замикає їх. Тиск кулі на дві контактні пластини розподіляється рівномірно і по величині складає не менше половини ваги кулі. Це забезпечує досить надійну роботу дат­чика. Чутливість такого датчика регулюється відповідним підбором стримуючого магніту або зміною отвору ізоляційного кільця.

Маятникові датчики горизонту можуть мати індуктивні перетворювачі маятника в електричний сигнал. Це обумовлено тим, що індуктивні перетворювачі мають високу на­
дійність і великий коефіцієнт підсилення, що досягає декількох сотень вольт на 1 мм пе­реміщення. Точність перетворення досягає значення сотих часток кутової секунди, але в дуже малому діапазоні кутів, який обмежується діапазоном десятків кутових секунд. Індук­тивні перетворювачі мають одну або декілька котушок індуктивності, які розміщуються на струмопровідному каркасі і рухомому якорі. Індуктивний опір котушок визначається її ін­дуктивністю і частотою напруги споживання

Хі=аІ = 2лП, (3.1)

де: f — частота напруги споживання;

/ — індуктивність котушки.

В датчиках горизонту застосовуються двофазні індуктивні датчики у яких величина вихідного сигналу визначає величину зміщення його рухомих елементів відносно каркасу магніпроводу, а фаза сигналу визначає напрям зміщення. Такі датчики мають дві котушки індуктивності, які включають по диференційній схемі, тобто по схемі визначення різниці. При середньому положенні якоря індуктивний опір обох плечей датчика однаковий і різни­ця струму, який протікає через котушки індуктивності, дорівнює нулю, тобто вихідний сиг­нал відсутній.

Рис. 3.8. Трансформаторна схема підключення індуктивного датчика

Для датчиків кутових положень застосовують трансформаторну мостову схему під­ключення індуктивного датчика рис. 3.8. В мостовій схемі навантаження RH підключається в одну із діагоналей електричного моста на різницю напруг двох гілок датчика. Статична характеристика такого датчика (при RH = оо) має вигляд

де Z1 і Z2 комплексні опору котушок індуктивності, які відповідно дорівнюють

Z1=coL0(1 + ); Z2 = a>L0(1 —— ),

*max *max

де: L0 — індуктивність датчика в середньому положенні якоря;

хтах — максимальне відхилення якоря.

Допускаючи, що активний опір котушок Я, і R2 дорівнює нулю, a RH = <» із виразу

(3.2) отримаємо

иеих = и0

Цей вираз показує, що при зміщенні якоря індуктивного датчика (х) вихідна напруга змінюється лінійно.

Маятниковий датчик з індуктивним перетворювачем показаний на рис. 3.9. Датчик має магнітопровід 1, який містить середній стержень і два крайніх.

А-А

Один із крайніх стержнів постачається сигнальними обмотками 4 і 5, а другий — постачається сигнальними обмотками б і 7. Роль маятника виконує якір 8, який шарнір­но закріплюється на центральному стержні магнітопроводу. Якір 8 завжди знаходиться в вертикальному положенні, а магнітопровід, що зв’язаний з корпусом приладу, змінює своє положення відносно вертикалі. При нахилах приладу в горизонтальній площині це призво­дить до зміни зазорів 9 і 10 міжякором і магнітопроводом. При подачі на датчик напруги живлення обмотки 2 і 3 створюють в магнітопроводі постійні магнітні потоки 11 і 12, які охоплюють крайні й середній стержні і якір. При незмінних і рівних зазорах обмотки ство­рюють постійне підмагнічування, величина якого визначається вказаними зазорами і індук­тивностями обмоток 5 і 7. Так як в крайніх стержнях сердечника виникає накладення по­стійних магнітних потоків на змінні, то індуктивність обмоток 4 , 5, 6, 7 змінного струму зменшується. Це зменшення індуктивності проходить в рівній мірі і в правому і в лівому крайніх стержнях, так як повітряні зазори 9 і 10 рівні між собою. Внаслідок симетрії магні­топроводу датчика, на виході моста напруга буде відсутня. При незмінній напрузі живлен­ня змінного струму із зменшенням повітряного зазору 10 збільшується постійний магніт­ний потік 11 (внаслідок зменшення опору зазору). Збільшення потоку приводить до змен­шення індуктивності обмоток 4 і 5 , що призводить до подальшого збільшення струму об­мотки 2 і потоку 11. Так буде продовжуватись до сталого процесу. Із збільшенням повіт­ряного зазору 9 постійний магнітний потік 12 обмотки 3 зменшується, індуктивність об­моток змінного струму б і 7 збільшується і струм обмотки 3 зменшується. Це призводить до подальшого зниження величини потоків 12, тобто зменшення магнітного потоку буде
проходить до сталого процесу. Вихідний сигнал буде визначатись індуктивними опорами обмоток 4 і 6 в сталому режимі. При повороті якоря в другу сторону фаза вихідного сиг­налу змінюється на 180°.

Маятникові датчики горизонту можуть постачатись ємнісними перетворювачами змі­щення маятника в електричний сигнал. Принцип дії таких перетворювачів заснований на обліку зміни електричних параметрів схеми датчика, наприклад частоти сигналу, при зміні ємності конденсатора змінної ємності. В маятникових датчиках ємність конденсатора мо­же змінюватись за рахунок зміни площі перекриття пластин конденсатора. Ємність кон­денсаторів таких перетворювачів складає тисячні частки мікрофаради. Це потребує при побудові перетворювачів наявності високочастотної напруги живлення для підвищення його вихідної потужності. Ємність конденсатора є добуток діелектричної проникливості є на геометричну провідність G зазору між електродами

С = sG, (3.4)

Де. є Єд єг,

є0 = 8,85 мкм мкф / м2;

для повітря єг =1. Для плоского конденсатора приблизно можна прийняти

G = S/S,

де: S — площа електроду;

§ — зазор між електродами.

Підставивши останній вираз в (3.4), отримаємо загальний вираз для ємності конден­сатора

С = sS / 5.

Рис. 3.10. Нахил ємнісного перетворювача

При нахилі маятника на кут а (рис. 3.10) (виключаючи нелінійні ефекти другого по­рядку, обумовлені кутом а між пластинами) можна записати

C^sS./S, (3.6)

де S1 — площа перекриття пластин після відхилення маятника. При включенні кон­денсатора в коливальний контур частота сигналу на його виході буде дорівнювати

f = 1/2n4LC, (3.7)

де: L — індуктивність контуру;

С — ємність.

Аналіз виразу (3.7) показує, що якщо допустити незмінність індуктивності коливаль­ного контуру L, то для малих кутів нахилу а (що дозволяє не враховувати вплив на єм­ність зміни зазору 8), частота коливального контуру буде функцією кута нахилу

f = F(a), f = k

При довжині нитки маятника R маємо, що зміна S, залежить від а, а зміщення пластин х — Rtga. При розмірах пластин ахЬ зміна площі S1 складе величину, яка ви­значається многочленом

(a-b)-fa(b-x)] = ax.

Таким чином, частота коливального контуру визначається із виразу

ах

4л2іє

Після підстановки в останній вираз значення х будемо мати частоту сигналу про­порційну куту нахилу а

a Rtga

V 4n2Ls

Маятниковий датчик з перетворювачем, принцип дії якого розглянутий вище, приво­диться на рис. 3.11. Датчик має два ємнісних перетворювачі з підвішеними на пружних пластинах маятниками 1. До нижніх кінців маятників прикріплені рухомі обкладки 2 кон­денсаторів. Нерухомі обкладки 3 конденсаторів зміщені в протилежні сторони відносно осей підвісу маятників і електрично з’єднані з коливальними контурами випромінюючих ге­нераторів 4, Для вимірювання кутів нахилів дистанційно кожний генератор має невелику випромінюючу антену 5 і живиться від малогабаритного автономного джерела живлення. Індикаторний пристрій виконано у вигляді двоканального радіоприймача, за допомогою якого здійснюється телеметричний зв’язок. Маятники ємнісного датчика для демпфіруван­ня їх коливань при нахилах основи розміщені в судинах з маслом. Площина коливань ма­ятників в такому датчику сполучена з площиною вимірювання кута.

При нахилі основи датчика рухомі обкладки конденсатора зміщуються відносно не­рухомих таким чином, що ємність одного з конденсаторів збільшується, а другого зменшу­ється. Зміна ємності обох конденсаторів приводить до відповідної зміни (збільшення або зменшення) частот випромінюючих генераторами датчика. Кожна із частот приймається відповідною антеною приймального пристрою, в якому електромагнітні коливання пере­творюються в електричний сигнал, який, в свою чергу, підсилюється і поступає в чарунку швидкості підрахунку. Різниця напруг на виході цих чарунок, що вимірюється стрілочним приладом, відповідає величині кута нахилу датчика. Кожний канал радіоприймального пристрою має підсилювач високої частоти 6, змішувач 7, перший гетеродин 8, підсилю­вач проміжної частоти 9, другий змішувач 10, перетворювач форми сигналу 11, чарунку швидкості підрахунку 12. Другий гетеродин 13 і стрілочний прилад 14 є загальними для

Маятниковий датчик із струнним перетворювачем має високу точність вимірювання кутів нахилу і дозволяє вести дистанційні вимірювання. Похибка таких датчиків, при умові термостатування і відкачування, складає 2-70’6 +2 10~8. Принцип дії маятникових дат­чиків із струнним перетворювачем оснований на залежності власної частоти коливань на­тягнутої струни від її довжини /, маси т і сили натяжіння F (або механічної напруги 5, або подовження ЛІ)

, 1 ЇГ 1 [S 1 aif

2 V ml 21 ^р 2 ^ рі3 ’

де р щільність матеріалу струни.

Природною вхідною величиною струнного резонатора є натяжіння F, яке створює сили для повернення при відхиленні струни від положення рівноваги. В якості струни, як правило, використовується або стальна проволока діаметром 0.1 + 0.3 мм (частота коли­вань 700 + 1 000 гц), або стальна стрічка товщиною 0,08 -0,1 мм і шириною 1-2мм (частота коливань ЗОООгц). Найбільш часто в таких перетворювачах використовуються магнітоелектричні збуджувачі і приймачі коливань струни. Вони не дають на струну інших діянь, крім поперечної сили

Fg(x, t) = B(x)i(t), (3.10)

де: В(х) — індукція в деякій точці струни;

i(t) — струм в струні.

Робота маятникового датчика із струнним перетворювачем основана на зміні натя­жіння струни при зміні кута нахилу інерційної маси, яка зв’язана з струною.

В датчику (рис. 3.12) застосована магнітно-електрична система збудження і реєстра­ції коливань струни при зміні її стану. Датчик має стальний корпус 1, всередині якого на осі 2 підвішена штанга 3 маятника з грузом 4 на кінці. Груз може бути пересунутий уз­довж штанги і зафіксований в заданій точці. Вісь 2 на підшипниках встановлена в шайби — амортизатори 5 . На верхньому кінці штанги 3 закріплені дві струни 8 диференціального
струнного перетворювача. Струни закріплені вхідними кінцями на корпусі через віброзапо — біжник 9, виконаний у вигляді пружини 10. Зусилля зжимання пружини менше розривної міцності струни. Виброзапобіжник регулюється гвинтом 11. Кожна із струн знаходиться в полі магнітів 12. Пристрій постачається датчиком, сигнал якого поступає у вторинний ви­мірювальний прилад. При вимірюванні кутів нахилу пристрій підноситься до поверхні, від­хилення якої від вертикалі необхідно виміряти, і переміщується уздовж поверхні повторю­ючи її профіль. При цьому кут відхилення від вертикалі, виміряний диференційним струн­ним перетворювачем, перетворюється в відповідний сигнал, який фіксується вторинним вимірювальним приладом. Діапазон вимірювання кутів обмежений значеннями ± 15°.

Для горизонтування, визначення напряму і кутів нахилу по двох координатах в діапа­зоні до 30° можна застосовувати датчик [40] (рис. 3.13 а). Його чутливим елементом є по­плавок 1 і маятник 2, на кінці якого закріплюється частина рухомої сфери 3. Маятник розміщується в карданному підвісі 4, що закріплюється в корпусі 5 і до якого жорстко прикріплюється прозора півсфера 6. Об’єм між корпусом і сферою заповнюється рідиною, що забезпечує зменшення тертя в осьовій системі карданного підвісу. Для візуального зняття відліків мається оптична система, наприклад, яка складається із лінз 7,8, дзерка­ла 9 і призми 70. Вказана оптична система закріплюється на коромислі 77, що оберта­ється навкруги осі 0 — 0′. На зовнішній поверхні сфери 3 , в площині що збігається з пло­щиною рисунка, наноситься відлікова шкала 72. На внутрішній поверхні півсфери 6, в площині перпендикулярній шкалі 72, наноситься аналогічна відлікова шкала 73.

Після нахилу приладу, маятник із сферою буде переміщуватись відносно півсфери 6 і займе положення, яке збігається з напрямком місцевої вертикалі. Спостерігач обертає оптичну систему, знаходить в полі зору перехрестя відлікових шкал (рис. 3.13 б) і знімає відліки, по яких визначаються значення кутів і напряму нахилу. Недоліком цього датчика є необхідність дооснащення при автоматизації процесу знімання інформації.

Маятникові датчики мають відносно невеликі габарити, високу чутливість, дозволя­ють вимірювання і знімання інформації вести дистанційно. Датчики можна застосовувати при спостереженні за стійкістю конструктивних елементів споруд в часі, при монтажі і пе­ревірці устаткування. Реєстрація вимірювань може виконуватись спостерігачем візуально або самописним приладом.

Датчик рис. 3.13 був розроблений з участю авторів (а. с. № 57280) на Київському за­воді „Арсенал” для роботи космонавтів на Місяці.

Комментарии запрещены.