Устройство для измерения давления в слое крупнозернистого материала

Изобретение относится к силоизмерительной технике и предназначено для дистанционного измерения динамического давления в слое крупнозернистого материала, например, в балластной призме железнодорожного пути, при прохождении высокоскоростного железнодорожного состава, особенно в условиях повышенных осевых нагрузок на железнодорожные пути.

Известен тензорезисторный мембранный датчик веса и силы, предназначенный для использования в весоизмерительных устройствах и содержащий профилированную мембрану и тензорезисторы, расположенные на плоской поверхности мембраны (патент РФ №124796, MПК: G01L 1/22, опубл. 10.02.2013 г) - аналог.

Недостатком известного решения является наличие достаточно жесткой профилированной мембраны с силовводящим выступом на верхней поверхности мембраны, которые в условиях низких давлений в грунте не обеспечивают достаточно требуемой чувствительности и точности измерений. Для измерений давления в крупнозернистой загрузке данному устройству необходима дополнительная насадка.

Известно устройство для измерения давления (напряжения) в сыпучем теле, содержащее корпус и мембрану, часть поверхности которой выполнена вогнутой (А.с. СССР №72504, MПК: G01L 7/08, опубл. 01.01.1948 г) - аналог.

Недостатком известного решения является то, что несмотря на преимущество вогнутой мембраны в части повышения чувствительности данное устройство, работающее по принципу изменения сопротивления графитового резистора (т.е. увеличения величины сигнала) при замыкании части его площади вогнутой мембраной не обеспечивает требуемой точности измерений.

Несмотря на обилие выпускаемых датчиков давления, отсутствует информация о датчиках давления в крупнозернистых грунтах. Известны датчики серии ВЕЕ-А и BEF-A (Япония). Это датчики грунтового давления с наружным диаметром 200 мм, которые успешно используются при проведении широкого диапазона измерений давлений в сыпучих грунтах. С помощью этих датчиков можно также измерять грунтовое давление 3- или 4-гранных объектов. Однако их недостатком является плоская мембрана большого диаметра, которая в неоднородном крупнозернистом грунте искажает реальные показания.

Задачей заявляемого решения является устранение недостатков аналогов, с обеспечением возможности широкого применения мембранных датчиков давления с тензорезисторными мостовыми схемами.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является повышение точности и увеличение чувствительности измерения давления в слое крупнозернистого материала.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения давления в слое крупнозернистого материала, содержит корпус с упругим элементом в виде мембраны, часть поверхности которой выполнена вогнутой, размещенные внутри корпуса термокомпенсаторы и тензометрическую мостовую схему, в противоположные измерительные плечи которой включены тензорезисторы, поперечные оси которых расположены на внутренней поверхности мембраны в концентрической зоне ее максимальной чувствительности к внешней деформации, вызванной давлением крупнозернистого материала, и расположенной в диапазоне от 0,6D до 0,8D, где D - диаметр мембраны.

Устройство, характеризующееся тем, что измерительные тензорезисторы расположены на мембране равномерно по окружности.

Устройство, характеризующееся тем, что соответствующие измерительные тензорезисторы, включенные в соответствующее измерительное плечо измерительной мостовой схемы, соединены последовательно-параллельно.

Устройство, характеризующееся тем, что мембрана встроена в корпус с образованием герметичной конструкции.

Устройство, характеризующееся тем, что корпус выполнен осесимметричным.

Под крупнозернистым материалом в рамках данного решения понимается щебеночный балласт по ГОСТ 7392-85 фракции 25-70 мм для путей железных дорог.

С учетом условий специфики эксплуатации разрабатываемого устройства, оно должно соответствовать следующим требованиям:

- высокая чувствительность (величина измеряемого давления до 1 кг/см²);

- площадь взаимодействия с крупнозернистым материалом (т.е. площадь рабочей части мембраны) зависит от размера крупнозернистого материала с возможностью обеспечения его максимального контакта с измерительной мембраной;

- мембрана должна быть достаточно жесткой, чтобы отдельные крупные куски щебня не вызывали ее перекоса;

- корпус устройства должен быть герметичным.

Заявляемое с учетом этих требований устройство изображено на фиг. 1 - фиг. 4, где на фиг. 1 представлено поперечное сечение устройства, на фиг. 2 - расположение тензорезисторов на мембране (вид со стороны выгнутой поверхности), на фиг. 3 - измерительная мостовая схема устройства, на фиг. 4 - экспериментальный тарировочный график зависимости давления от напряжения сигнала в выбранном диапазоне давлений.

На фиг. 1 представлен вариант заявляемого устройства, при котором оно выполнено в виде цилиндрической конструкции, составные части которой путем взаимного соединения через слой полимерного герметика образуют разборный герметичный осесимметричный корпус. Радиус кривизны мембраны выбран из условия, что кривизна должна быть достаточной для придания ей жесткости, при которой вероятность неравномерного давления щебня на поверхность мембраны минимальна. Устройство для измерения давления в слое крупнозернистого материала состоит из корпуса 1, вогнутой мембраны 2, на которой с выгнутой (внутренней) стороны наклеены периферийные 3 и центральные 4 измерительные тензорезисторы, расположенные симметрично относительно оси мембраны в радиальном направлении через 45° и образующие с термокомпенсаторами 5 мостовую тензометрическую схему, с чередованием перифирийных и центральных тензорезисторов таким образом, что продольная ось тензорезистора направлена радиально. Опорой датчика в грунте служит жесткое дно 6. На фиг. 2 показано размещение тензорезисторов по внутренней (выгнутой) поверхности мембраны. Поперечные оси тензорезисторов 3 и 4 расположены соответственно на диаметрах D₁ и D₂ мембраны - в концентрической зоне максимальной чувствительности мембраны к внешней деформации, вызванной давлением на нее крупнозернистого материала.

Измерительная часть датчика представлена на фиг. 3 и представляет собой тензометрический мост с двумя активными плечами R1 и R4, состоящими из перефирийных (R1-1, R1-2, R4-1, и R4-2) и центральных (R1-3, R1-4, R4-3 и R4-4) тензорезисторов. Термокомпенсаторы R2 и R3 расположены отдельно на кронштейне корпуса (обечайки) 1 (на фиг. 1 позиция 5). Количество тензорезисторов активных плеч R1 и R4 увеличено за счет последовательно- параллельного их соединения в каждом плече с условием выполнения основного требования тензометрии для мостовых схем: R1=R2=R3=R4. Увеличение числа измерительных тензорезисторов, расположенных в зоне максимальной чувствительности мембраны и распределенных равномерно через 45° по ее длине, обусловлено необходимостью повышения точности измерений при несимметричном распределении давления на поверхность мембраны.

На фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость воздействия давления на мембрану от величины сигнала, вызванного деформацией мембраны, в диапазоне вероятных давлений в щебеночной балластной призме железнодорожного пути.

Так как передача давления грунта на мембрану зависит от вида грунта и его механических свойств, для определения реальной чувствительности датчика необходимо провести его тарировку. Для этого реальный грунт с введенным в него датчиком нагружают на гидравлическом прессе. Авторами изобретения проведены теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых установлено, что для принятого в данной заявке понятия «крупнозернистый материал», зона максимальной чувствительности к внешнему воздействию расположена в диапазоне от 0,6D (D₁ - на фиг. 2) до 0,8D (D₂ - на фиг. 2), где D - диаметр рабочей зоны вогнутой мембраны. Если тензорезисторы размещены за пределами заявленной зоны, то величина сигнала, поступающая на измерительную схему резко уменьшается, что приводит к снижению чувствительности измерений для слоя крупнозернистого материала и искажению достоверности результата.

Устройство для измерения давления в слое крупнозернистого материала работает следующим образом.

При воздействии на датчик давления щебня при прохождении железнодорожного состава его мембрана деформируется (деформируются также и измерительные тензорезисторы). Величина деформации преобразуется тензорезисторами, образующими тензометрический мост в электрический сигнал, пропорциональный приложенному давлению.

Пример конкретного выполнения.

Устройство с наружным диаметром корпуса 219 мм, круглой вогнутой мембраной с диаметром рабочей (вогнутой) части 203 мм. и радиусом вогнутости ~500 мм. 8 тензорезисторов наклеены на мембрану через 45° и в диапазоне от 0,64D до 0.79D, где D - диаметр рабочей части вогнутой мембраны. По соединительному кабелю через герметичную втулку в стальном корпусе сигнал с тензометрического моста поступает на измерительное устройство (на схеме не указаны).

Техническое решение настоящего изобретения не ограничивается вышеописанными конкретными вариантами осуществления, и любые технические модификации, выполненные в соответствии с техническим решением настоящего изобретения, входят в объем настоящего изобретения.