Месдоза для измерения напряжения в грунтах

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения напряжения в грунтах при динамических нагрузках, в частности при уплотнении грунта, взрывных работах, землетрясении, и может быть использовано в строительстве, горном деле, экспериментальных исследованиях.

Известно устройство «Месдоза для измерения напряжений в грунте» [Патент RU 2031197], состоящее из корпуса, передающего элемента, крышки, двух упругих мембран с тензорезисторами, жестко закрепленных по концам в корпусе и посередине к передающему элементу при помощи кольца. В передающем элементе и мембране имеются сквозные отверстия для натяжного винта, упругих прокладок.

Недостатками этого устройства являются невозможность измерения напряжений в грунте при быстрых динамических нагрузках, что обусловлено наличием в конструкции массивного передающего элемента и других деталей, а также большая погрешность измерений, обусловленная ее конструкцией:

а) большой относительной высотой, так как известно [Энциклопедия современной техники. Строительство. М., 1964. Изд-во «Советская энциклопедия» (раздел: Давление в грунтах. Измерение); http://bibliotekar.ru/spravochnik-181-enciklopedia-tehniki/281.htm], что величина относительной погрешности для жестких месдоз прямо пропорциональна отношению их высоты к диаметру;

б) влиянием переменного модуля деформации грунта.

Известно устройство «Месдоза» [http://studopedia.su/16_56502_mesdoza.html], принятое за прототип, состоящее из металлического корпуса, нижней (рабочей) и верхней (защитной) крышек, прокладок. Корпус и рабочая крышка выполнены в виде прямых толстостенных круговых цилиндрических стаканов, а их дно в виде упругих мембран. На мембрану корпуса с внутренней стороны стакана наклеены тензодатчики, а сверху корпус закрыт плоской защитной крышкой с круговой прокладкой, образуя воздушное пространство. Между корпусом и расположенной снизу рабочей крышкой установлена кольцевая прокладка. Пространство между рабочей крышкой и корпусом заполнено гидравлической жидкостью.

Недостатком этого устройства является ненадежность его работы при ударных нагрузках, например при уплотнении грунта, во время забивки сваи или взрывных работах. Это обусловлено тем, что наклеенные на мембрану тензодатчики при ударной нагрузке отслаиваются.

Изобретение направлено на измерение напряжения в грунтах при динамических нагрузках, при этом достигается технический результат, заключающийся в повышении надежности и достоверности измерений таких напряжений.

Технический результат достигается месдозой для измерения напряжения в грунтах, состоящей из корпуса, защитной крышки, расположенной сверху корпуса, воздушного пространства, гидравлической жидкости, рабочей крышки, кольцевой прокладки, при этом рабочая крышка выполнена в виде прямого толстостенного кругового цилиндрического стакана, дно которого выполнено в виде упругой мембраны, а корпус выполнен кольцевым из электроизоляционного материала, защитная крышка выполнена в виде прямого толстостенного кругового цилиндрического стакана, дно которого выполнено в виде жесткой мембраны, защитная крышка расположена сверху кольцевого корпуса, а рабочая крышка расположена снизу кольцевого корпуса, а кольцевая прокладка установлена между рабочей крышкой, низом кольцевого корпуса и защитной крышкой, защитная и рабочая крышки соединены между собой, во внутренней стенке кольцевого корпуса жестко защемлены по контуру две круглые упругие металлические мембраны, расположенные параллельно друг другу, на внутренние поверхности которых от контуров защемления в кольцевом корпусе к их центрам нанесены на величину половины их радиуса кольцевые эластичные электроизоляционные защитные покрытия, пространство между упругими металлическими мембранами, выполняющими роль электродов, заполнено жидким электролитом, а гидравлическая жидкость заполняет пространство между рабочей крышкой, нижней упругой металлической мембраной и кольцевым корпусом.

На фиг. 1 показан общий вид устройства месдозы.

На фиг. 2 приведена эпюра деформации круглой защемленной по контуру мембраны под распределенной нагрузкой.

Месдоза для измерения напряжения в грунтах состоит из кольцевого корпуса 1, выполненного из электроизоляционного материала, рабочей 2 и защитной 3 крышек, выполненных в виде прямых толстостенных круговых цилиндрических стаканов. Защитная крышка 3 расположена сверху кольцевого корпуса 1, а рабочая крышка 2 расположена снизу кольцевого корпуса 1, причем дно рабочей крышки 2 выполнено в виде упругой мембраны (на фиг. не показана), а дно защитной крышки 3 выполнено в виде жесткой мембраны (на фиг. не показана). Во внутренней стенке кольцевого корпуса 1 жестко защемлены по контуру две круглые упругие металлические мембраны 4, 5, расположенные параллельно друг другу. На внутренние поверхности упругих металлических мембран 4, 5 от контура защемления в кольцевом корпусе 1 к их центрам нанесены на величину половины их радиуса кольцевые эластичные электроизоляционные защитные покрытия 6. Пространство между упругими металлическими мембранами 4 и 5, выполняющими роль электродов, заполнено жидким электролитом 7, образуя «электрохимическую ячейку». Между рабочей крышкой 2, низом кольцевого корпуса 1 и защитной крышкой 3 установлена кольцевая прокладка 8. Гидравлическая жидкость 9 заполняет пространство между рабочей крышкой 2, нижней упругой металлической мембраной 5 и кольцевым корпусом 1. Узел устройства, стягивающего крышки 2 и 3, например, с помощью болтового или резьбового соединения (на фиг. не показан). Токосъемный узел может быть закреплен на крышке 3 (на фиг. не показан).

Месдоза работает следующим образом. При возникновении динамических напряжений в грунтах они воспринимаются упругой мембраной рабочей крышки 2, при этом гидравлическая жидкость 9 деформирует упругую металлическую мембрану 4, а жидкий электролит 7 деформирует упругую металлическую мембрану 5 электрохимической ячейки.

Известно [А.Я. Гохштейн. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. Под ред. А.Н.Фрумкина. М., Наука, 1976, с. 33], что если при деформации электрода, находящегося в контакте с электролитом, изменяется его площадь, то возникает «эффект упругого заряжения». При этом если заряд электрода поддерживается постоянным, например, путем введения демпфирующего сопротивления в цепь электрода, то меняется потенциал самого электрода относительно раствора. Сопротивление выбирается настолько большим, чтобы межфазный слой не успевал разрядиться за период динамической деформации (постоянная времени разряда равна произведению емкости электрода на указанное сопротивление), что повышает надежность и достоверность измерений.

В случае круглых защемленных по контуру упругих мембран при их деформации эпюра растяжения-сжатия представлена на фиг. 2, из которой видно, что в разных частях мембраны происходит растяжение-сжатие от деформации, близкое по величине, но противоположное по знаку и не приводящее к изменению величины исходной площади.

При контакте упругих металлических мембран 4 и 5 с жидким электролитом 7 изменение их потенциалов при их деформации не произойдет, поэтому в месдозе (предлагаемом устройстве) применены кольцевые эластичные электроизоляционные защитные покрытия 6, защищающие часть упругих металлических мембран 4 и 5 от соприкосновения с жидким электролитом 7, а кольцевой корпус 1 выполнен из электроизоляционного материала. Это позволяет выделить центральную часть упругих металлических мембран 4 и 5, одна из которых будет испытывать растяжение, а другая - сжатие, что и приведет к появлению электрического сигнала между деформируемыми упругими металлическими мембранами 4 и 5 (электродами электрохимической ячейки), т.е. происходит прямое преобразование деформации упругих металлических мембран 4 и 5 в электрический сигнал. Установленная между рабочей крышкой 2, низом кольцевого корпуса 1 и защитной крышкой 3 кольцевая прокладка 8 изолирует их друг от друга и одновременно служит для герметизации пространства между кольцевым корпусом 1 и рабочей крышкой 2, а также герметизирует стык между рабочей 2 и защитной 3 крышками.

Для уменьшения погрешности необходимо стремиться к применению месдоз с минимально возможной относительной высотой, а также применять месдозы, модуль деформации которых в 5-10 раз больше модуля деформации грунта. Жесткость месдозы повышают с помощью гидравлической жидкости 9, а дно стакана защитной крышки 3 выполняют в виде жесткой мембраны (на фиг. не показана).

Таким образом, решается проблема измерения напряжения в грунтах при динамических нагрузках, при этом технический результат, заключающийся в повышении надежности и достоверности измерения напряжения в грунтах, обеспечивается за счет прямого преобразования напряжений, возникающих в грунте, и последующих деформаций упругих металлических мембран электрохимической ячейки в электрический сигнал.