Датчики в строительстве
Введение
Для проведения качественных
строительных и ремонтных работ во все времена строители использовали различные
измерительные приборы, ведь только они могли указать невидные человеческому
глазу изъяны той или иной конструкции, неровности поверхности, уровень жидкости
и т.д. И если раньше речь шла о примитивных механических приспособлениях, то в
наши дни на помощь современным строителям приходит высокотехнологичное
оборудование и измерительные приборы, существенно упрощающие их работы и
делающие ее результаты более качественными.
1. Обзор некоторых
специфических современных электронных датчиков
1.1
Щелемеры
Используются для измерения
перемещений бетонных конструкционных массивов, а также контроля динамики
деформации трещин в кирпичной или каменной кладке, бетонных сооружениях или
горной породе.
Рис. 1. Щелемеры
электронный
датчик щелемер
В зависимости от требований к
контролируемым параметрам, щелемеры могут устанавливаться в одно, двух и
трехосном исполнении с диапазоном контроля от 2 до 250 мм.
Достаточно важно производить
контроль состояния основных стыков и сочленений конструкций, технологических
швов, а также раскрытия трещин, так как эта информация напрямую отражает
нарушение структурной целостности конструкции. Зачастую необходимо
контролировать и перемещения конструктивных элементов относительно друг друга.
Наблюдение за наиболее важными
сочленениями и стыками, а также контроль раскрытия трещин и перемещений
элементов конструкции осуществляется при помощи измерителей стыков и
экстензометров с различными принципами регистрации (механическим,
электрическим).
В общем виде, приборы измеряют
расстояние между двумя контрольными точками, которые располагаются (обычно при
помощи анкерного крепления) на обеих сторонах стыка, шва или трещины. Если
необходимо производить контроль перемещений в двух (вертикально, горизонтально)
или более направлениях, то устанавливается система датчиков, расположенных в
разных плоскостях.
Ленточный экстенсометр
Ленточный экстензометр создан для
точных измерений расстояния между двумя, постоянно установленными, опорными
точками. Данный тип датчиков применяется для мониторинга конвергенции обделок
туннеля, смещения элементов конструкции относительно друг друга, а также в
шахтах, подземных выработках и кавернах. Прибор представляет собой стальную
съемную измерительную ленту, с равномерно расположенными перфорационными
отверстиями, в легком корпусе из алюминия и нержавеющей стали с внешним
пневматическим натяжным устройством и циферблатным индикатором. Ленточный
экстензометр дает постоянное натяжение ленты и точные показания, снимаемые с
циферблатного индикатора. Портативный натяжной блок обеспечивает нужное усилие
натяжения для регулирования натяжения ленты при измерениях.
Рис. 2. Ленточный экстенсометр
Технические характеристики
оборудования:
Диапазон измерений 30 м
Индикатор цифровой 5-разрядный ЖКД,
высота 6 мм
Диапазон индикатора 100 мм
Разрешение индикатора 0,01 мм
Повторяемость ±0,1 мм
Ширина ленты 13 мм
Деления шкалы ленты 25 мм
Диаметр корпуса 60 мм
Общая длина 870 мм
Рабочая температура 0°C… +40°C
Струнный трещиномер
Струнный трещиномер применяется для
контроля изменений расстояния между двумя контрольными точками, расположенными
на расстоянии до 30 м друг от друга. К типичным применениям относятся измерения
больших смещений, связанных с оползнями, контролем скальных массивов, трещин в
каменных кладках и наблюдением за разломами. Проволочный щелемер включает в себя:
корпус преобразователя из нержавеющей стали, в котором размещены электронный
датчик поворота с устройством натяжения проволоки с величиной хода 2 м. Корпус
преобразователя комплектуется оцинкованной крепежной платой; комплект репера -
в виде рым-болта с распорным анкером.
Рис. 3. Струнный трещиномер
Технические характеристики
оборудования:
Механический диапазон 2000 мм
Чувствительность 0,03 мм
Точность ±1 мм
Повторяемость ±0,03 мм
Выходной сигнал 4-20 мА
Питание 12-24 В постоянного тока
Рабочая температура -20°C… +60°C
Диаметр проволоки 2 мм
Максимальное натяжение проволоки 8
кг
Длина базы до 30 м
Корпус датчика 300 x 200 x 185 мм
Щелемеры и
измерители стыков
Щелемеры и измерители стыков
применяются для мониторинга поверхностных трещин и стыков в бетоных
конструкциях и скальных породах. Комплект прибора включает корпус датчика и
цель, оборудованные винтовыми анкерными болтами. Как правило, анкеры
закрепляются на противоположных сторонах стыка (трещины). Преобразователь смещения,
смонтированный в корпусе датчика, устанавливается поперек стыка или трещины,
позволяя измерять изменения расстояния между анкерами.
Возможно совмещение нескольких
датчиков в систему CRID, которая состоит из четырех миниатюрных щелемеров,
подключенных сигнальным кабелем к малогабаритному регистратору, питаемому от
батарей, для автоматического сбора данных о перемещениях в различных
плоскостях.
Рис. 4. Щелемеры и измерители стыков
Технические характеристики оборудования:
Тип сенсора струнный преобразователь
Пределы измерений 10, 25, 50, 100,
150 мм
Разрешение 0,01 мм
Полная точность < 0,5% FS
Выходной сигнал частота частота
Диаметр датчика 16 мм
Расстояние между анкерами максимум
500 мм
Рабочая температура -20°C… +80°C
Тип сенсора линейный потенциометр
Пределы измерений 10, 25, 50, 100,
150 мм
Разрешение 0,01 мм
Полная точность ±0,3% FS
Выходной сигнал 4-20 мА (токовая
петля)
Питание 12-24 В постоянного тока
Диаметр датчика 16 мм
Рабочая температура -20°C… +60°C
Расстояние между анкерами 500 мм
1.2 Датчики для напорных
пьезометров и измерения гидростатического и порового давления
Используются для измерения давления
воды на границе бетонного сооружения и его основания, а также для измерения
гидростатического и порового давления в конструкциях и основаниях
гидротехнических сооружений. Данные датчики устанавливаются при строительстве
сооружения.
Рис. 5. Датчик для напорных
пьезометров и измерения гидростатического и порового давления
Используются для измерения:
силы растяжения или сжатия в
арматуре (измерения начинаются сразу после установки и проводятся в течение
строительства и по следующей эксплуатации до полной стабилизации напряженности
и деформации или окончания срока эксплуатации приборов, который составляет 25
лет, устанавливаются на этапе строительства здания);
линейных деформаций в несущих
конструкциях сооружений (устанавливаются как на этапе строительства сооружения,
так и во время эксплуатации, при закладном типе установки крепятся с помощью
при¬варивания к металлическим частям конструкции, либо - анкерного крепления к
железобетонным частям, при накладном - с помощью анкерных креплений к существующим
конструкциям сооружений);
напряженности почвы (контролируют
контактное давление в грунте на границе бетонных сооружений и напряженность в
грунтовых массивах, устанавливаются на этапе строительства сооружения).
Рис. 6. Приборы для контроля
напряженно-деформированного состояния сооружений
1.4
Стрессметры
Используются для измерения давления
в:
основаниях плотин, мостов и других
массивных монолитных бетонных конструкций;
каменных стенах тоннелей и шахт;
бетонных опорах и столбах.
Рис. 7. Стрессметр.
1.5
Экстензометрические датчики
Используются для измерения смещений
земляных насыпных плотин, изменения базовых размеров и контроля проседаний в
мягком грунте. Различаются по виду использования и типу конструкции:
для насыпей (надзор контроля
поперечного растяжения) и закрепленные (контроль за проседаниями или ростом
насыпи);
для скважин (несколько компонентные)
- для контроля пространства, окружающего инженерное здание;
для контроля проседаний - долгосрочный
надзор над инженерным сооружением.
Экстензометр состоит из трех
основных частей: анкера, стержня и сенсора (измерителя) смещений. Стержень
соединяет индикатор с анкером, представляющим собой механически расширяющуюся
конструкцию, изготовленную на базе клина, конуса или пружины и крепящуюся к
стенке скважины.
Рис. 8. Экстензометрические датчики
1.6
Прямые и обратные отвесы
Используются для измерения:
смещения частей бетонных и
металлических конструкций, которые находятся на достаточно большом расстоянии,
относительно друг друга;
смещение относительно вертикального
направления бурения скважин и колодцев на этапе их создания;
движения пластов горных пород;
наклона высотных башен и опор, а
также уровня их колебания.
Обратный отвес представляет собой
проволоку один конец которой закреплен в забое скважины в основании плотины, а
другой погружен в бак с жидкостью и поддерживает проволоку в вертикальном
натянутом положении. Измерения по отвесам выполняются определением положения
проволоки относительно сооружения по его высоте с помощью оптических
(механических) средств измерения.
Рис. 9. Прямой отвес.
1.7
Инлинометры (Датчик наклона)
Одним из важнейших измерений в
строительстве является определение угла наклона, прогиба или деформации какой
либо конструкции или элемента конструкции.
Используются для измерения:
наклона зданий, плотин, мостов,
створов шахт или их конструктивных частей;
деформации тоннелей, мостов и шахт;
прогибов и деформаций опор, стен и
балок;
боковых смещений горных массивов и
почвы в оползневых районах;
смещение плоскостей в насыпных
плотинах;
проседания фундаментов и насыпей
(горизонтальные датчики).
Прикреплённый к конструкции датчик с
кронштейном закрывается защитным кожухом. Датчик угла наклона производит
измерения в двух плоскостях, наклон в диагональных проекциях вычисляется на
основании этих данных. Подбирается датчик на основании требований к измеряемому
углу наклона и точности измерений.
Инклинометр спроектирован так, что
имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной - так
называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой
(нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения
температуры.
Для определения положения плоскости
в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу
инклинометра. Выпускаемые приборы охватывают диапазоны измерения углов от ±2°
до ±10° - инклинометры малых углов; от ±20° до ±70° - инклинометры средних
углов; от ±90° до ±135° - инклинометры больших углов. Таким образом
охватывается весь угловой диапазон от 4° до 270°. По заказу может быть
поставлен датчик крена на ЛЮБОЙ промежуточный диапазон, лежащий в указанных
выше пределах.
Инклинометры на большие углы имеют
худшие температурные характеристики по сравнению с инклинометрами первых двух
групп. Поэтому возможность их использования в точных системах, работающих в
широком температурном диапазоне, должна быть заранее апробирована.
Электронный блок питается от
однополярного напряжения в диапазоне 5…36В (на выбор Заказчика, допустимая
нестабильность ±20%), потребляя при этом ток от 5мА до 10мА в зависимости от
напряжения питания. При этом допускается пульсация питающего напряжения до
200мВ.
Выходной сигнал: однополярное или
двухполярное постоянное напряжение, лежащее в пределах от 0…+2В до 0… +10В или
от 0… ±2В до 0… ±10В с сопротивлением нагрузки от 10кОм. Напряжение пульсации
на нагрузке - менее 0.1% номинального выходного сигнала.
Максимальное удаление электронного
блока от контрольного пункта - до 20 м.
При призводстве датчиков наклона с
токовым выходом основной электронный блок дополнен преобразователем напряжения
в ток 4-20мА; выпускаются все типы инклинометров, перечисленные в таблицах 1,
2, 3. При заказе этих датчиков следует указать тип необходимого прибора, и
затем фразу «с токовым выходом». Кроме того следует указать, в каких пределах
будет лежать сопротивление нагрузки (оно может быть от 50 Ом до 600 Ом). При
минимальном сопротивлении нагрузки напряжение питания может быть 8В и выше, при
максимальном 18В и выше. Чаще всего выбирается напряжение питания 24В, максимальное
потребление прибора (при выходном токе 20мА) меньше 30мА. Максимальное удаление
электронного блока от контрольного пункта - до 500 м.
Конструкция прибора
Чувствительный элемент инклинометра
выполнен в виде ампулы, установленной на печатной плате электронного
преобразователя Габариты электронного преобразователя вписываются в размеры
34х34х10 мм или Ф36х10 мм. Для крепления платы электронного преобразователя
предусмотрены два отверстия под винт. В настоящее время инклинометры с выходом
по напряжению поставляются в металлическом корпусе, имеющем прижимное кольцо,
которое позволяет фиксировать датчик в любом нужном угловом положении. Этот
корпус обеспечивает степень защиты прибора IP66. Инклинометры с токовым выходом
поставляются в пластмассовом корпусе, его степень защиты IP55.
Инклинометры могут использоваться в
тяжелых условиях эксплуатации и выдерживают удары до 10g в любом направлении.
При испытании на прочность в течение 4-х часов датчики выдержали 30 000 ударов
с пиковым ускорением 10g.
В тех случаях, когда Заказчику
целесообразно использовать свои корпуса - инклинометры могут поставляться в
бескорпусном исполнении.
2.
Основные датчики, используемые в строительстве
При строительстве используется
множество вспомогательных датчиков и приборов, но самые основные это датчики
температуры и различные модификации тензометрических датчиков позволяющих
измерять всевозможные деформации, нагрузки, расслоения, сейсмоустойчивость,
активность и т.д.
2.1
Термометры сопротивления (ТС)
Различают проволочные и полупроводниковые.
а) Проволочные ТС. Принцип действия
основан на изменении сопротивления проводников при изменении температуры по
зависимости:
Rt=R0(1+αt+βt2)
Rt - сопротивление проводника при t 0C
R0 - сопротивление
проводника при t=0C
зависит от материала датчика
В качестве материала примем Cu или Pt в виде проволоки =
(0,01-0,1) мм, покрытый изоляцией и наматываемый на каркас из слюды, кварца и
др. диэлектриков.
Медные ТС (ТСМ). Предел изменяемых t = (0 - 180) 0С
Платиновые t = (0 - 800) 0C
Основная характеристика данных
датчиков при изменении t на 10С
= R / t *100
Рабочая длинна l = (70 - 1000) мм
Данные датчика присоединен к
вторичным проборам, образуя вторичная цепь. Вторичные приборы: логометры,
(измерители сопротивления), а также автоматически уравновешивающие мосты.
Датчик включается в одну из плеч мостов системы.
2.2
Полупроводниковые термосопротивления (термисторы)
Полупроводники занимают место между
проводниками и диэлектриками. Имеет отрицательный температурный коэффициент.
Сопротивления, т.е. с увеличением температуры сопротивление проводника
уменьшается.
Rt - сопротивление проводника при Т, К.
А - коэффициент (от материала
проводника)
Основные характеристики:
- температурный коэфф
- мощность рассеивания - мощность
которая рассеивается от датчика в ОС, не вызывая его нагрева.
Полупроводниковые датчики называются
термисторами. Tв характеризует инерционные свойства термистора.
Каждая характеристика
соответствующее установившейся Т С. Имеет два выраженных участка: 1 - линейная
часть. По этому участку ток, протекает по термистеру, небольшой, не вызывает
нагрев, т.е. вся Е выделяется в ОС. Сопротивление зависит от U. На (1) термистор используется в
качестве датчика температуры.
При дальнейшем протекании тока,
нагрев термистера увеличивается, т.е. уменьшается U.
На этом участке термистор
применяется в качестве 2-х позиционного регулятора.
Область применения термистора
обширна: в схемах компенсации (ввиду маленьких растворов), в качестве 2-х
позиционных регуляторов.
Выпускают: ММТ-1, 4, 5, 11
КМТ -1, 4, 5, 10
Покрыты эмалевой краской, применяют
в сухих неагрессивных средах. Т = (0 - 120) 0С.
КМТ-1 помещается в защищенную
металлическую капсулу - измерение t в жидкости, газообразных, агрессивных средах, находящихся под
давлением.
Достоинство: малые габариты.
Недостатки: значительная погрешность
измерения t.
2.3
Термопары
Принцип действия основан на
термоэлектрическом эффекте: при соединении 2-х разнородных проводников в
замкнутую цепь (места соединения называются спаями). При нагревании одного из
спаев по данной цепи протекает ток, вызванный термоЭДС.
Разные проводники содержат различное
число электронов. При нагревании спая электродов электронов перетекают из того
проводника, где их больше, туда, где их меньше.
ЭДС ТП зависит не только от разных t спаев, но и от их абсолютного
значения.
Оснавная характеристика - коэффицент
α *100%
Применяется t градуировки холодная спая 20 0С.
Основная погрешность показаний ТП связанная с отклонением температуры холодных
спаев, которая присоединится ко 2-ому прибору, от данной температуры.
Для устранения погрешности применяют
специальные схемы ЭДС данных холодных спаев.
Применяется мостовая схема, имеется
4 плеча, в каждом из которых включены соответствующие сопротивления R1, R2 - постоянного сопротивления,
величины которых не зависят от t. Rt - термосопротивление, не зависящее от t. R3 - потенциометр.
Данный мост имеет 2 диагонали: 5-6 -
питающая диагональ, включающая источник постоянного тока, 3-4 - измерительную
диагональ
Когда мост уравновешен, U измерительная диагональ U=0. Условие равновесия моста
определяется следующим соотношением: равенство произведений сопротивлений
противоположных плеч
При увеличении температуры холодных
спаев увеличение Rt приводит к разбалансированию моста. В измерительной диагонали
возникает U.
Параметры данного моста так, чтобы U, возникающее в измерении диагонали
было равно изменению ЭДС холодных спаев и направлено навстречу ему, т.е.
U34=е2
е2 - отклонение ЭДС холодных спаев
от ЭДС его градуировки
В качестве материалов электродов ТП
применяют Pt, ее сплавы, сплавы др. металлов.
Конструкция
ТП изготавливают в виде проволоки,
изолированную друг от друга кварцевыми или фосфорными трубочками и помещенную в
защитно-металлический кожух.
2.4
Принцип работы тезодатчика
Работа тензодатчика основана на
простых принципах механики. Если на механическую конструкцию действуют внешние
силы, она изменяет свою форму таким образом, чтобы противостоять воздействию
этих сил. Такие изменения могут быть значительными и явными, как в случае изгиба
удочки при вытаскивании пойманной рыбы или могут быть микроскопическими,
например - прогиб большого моста при проезде по нему автомобиля. Если в данной
металлической конструкции сделать небольшое отверстие, оно будет
деформироваться в эллипс при деформации самой конструкции, прямо
пропорционально приложенной к конструкции силе. Если в это отверстие вклеить
пленочный тензорезистор, можно с большой точностью измерить эту деформацию или
нагрузку. Таким образом, тензорезистор эффективно превращает всю конструкцию в
датчик для измерения силы, нагрузки или положения.
Точность тензоизмерений
Максимальная нагрузка на тензодатчик
зависит от конструкции: существующие системы имеют пределы взвешивания от
нескольких грамм до сотен тысяч тонн. При этом обеспечивается минимальная
чувствительность к колебаниям температуры за счет схемотехнических решений. В
современных тензодатчиках используется двойной мост (мост Кельвина), что
позволяет снизить ошибки нелинейности, повторяемости и гистерезиса.
Определенная степень тщательности должна быть обеспечена при выборе места
установки и в процессе самой установке датчиков в конструкцию (устройство).
Необходимо учитывать, что на точность полученной системы влияют количество
датчиков, нагрузка на каждый датчик, материал самой конструкции. Отметим, что
минимального уровня ошибок можно достичь только при правильной инсталляции
датчиков в конструкцию.
Срок службы тензодатчиков
Тензодатчики для производств бетона
изготавливаются из нержавеющей стали и полностью герметичны (IP68), что обеспечивает
их длительную эксплуатацию практически в любых внешних условиях, включая
высокую температуру, прямое попадание воды, снег, туман, высокую влажность и
прямые солнечные лучи. Диапазон рабочих температур - от -40° до 80°C, с
минимальными температурными изменениями характеристик. Используя
соответствующий вторичный прибор, тензоизмеритель, с помощью тензодатчиков
можно измерять вес, деформацию, объем и другие физические параметры.
Расчет выходного сигнала
На уровень выходного сигнала
датчика, установленного в конструкцию влияет множество факторов. Для получения
надежной оценки уровня выходного сигнала необходимо выполнить простые
вычисления на базе изменения максимальной нагрузки внутри конструкции и в
области поперечного сечения элемента или балки, в которой установлен
тензодатчик.
Минимальный выходной сигнал
Необходимо убедиться, что датчик
воспринимает достаточные нагрузки во всем рабочем диапазоне для обеспечения
достаточного и применимого уровня сигнала. Практическое правило: тензодатчик
должен подвергаться изменениям нагрузки на единицу площади поперечного сечения
не менее 15Н/мм2 для стали (5Н/мм2 для алюминия).
Максимальный выходной сигнал
Как правило, несущие конструкции
действующих объектов в нормальных рабочих условиях не могут подвергнуть встраиваемый
датчик чрезмерным нагрузкам, которые приведут к его повреждению. При
встраивании датчика в металлические элементы конструкции необходимо, чтобы
изменение нагрузки на единицу площади поперечного сечения не превышало 75Н/мм2
для стали (25Н/мм2 для алюминия).
Тензометрические датчики
подразделяются:
по типам (балочные, S-образные,
таблеточные, сдвоенная балка и т.п.);
по максимальной нагрузке (от
нескольких грамм до десятков и сотен тонн);
по чувствительности (1..2..3 mV
выходного сигнала на 1 V питающего напряжения);
по классу точности (количество
поверочных интервалов) и т.д.
Классификация тензодатчиков по
области применения:
тензодатчики для С/Х оборудования;
тензодатчики для прокатных станов;
тензодатчики для штамповочных
прессов;
тензодатчики для автопогрузчиков;
тензодатчики для контроля износа
оборудования;
тензодатчики для охранных систем;
тензодатчики для измерения нагрузок
в конструкциях;
тензодатчики для измерения моментов;
тензодатчики для взвешивания
емкостей;
тензодатчики для монорельсовых
весовых систем;
Вывод
Рассмотрев различные типы
электронных датчиков которые используются в строительной сфере можно сделать
следующий вывод:
Современное строительство уже не
может обойтись без электроники, которая позволяет не только производить замеры
необходимых для строительства параметров, но и увеличивать сроки эксплуатации
сооружений, выявлять дефекты и разрушения строительных объектов, увеличить
точность сооружаемых объектов (так например датчики GPS навигации позволяют с
точностью до 10 см. определять местоположение объекта), измерить, зафиксировать
и улучшить процессы твердения стройматериалов и многое другое…
Литература
электронный
датчик щелемер
1. Интернет ресурс http://www.promserv.ru/loadcells.html
2. Интернет ресурс http://titan.bkc.com.ua/ru/datchiki
3. Трофимов Н.А., Лаппо В.В. Измерение параметров теплофизических
процессов в ядерной энергетике. - М.: Атомиздат, 1979.
4. Шефтель И.Т. Терморезисторы. М.: Наука, 1973.
6. Политехнический словарь / А.Ю. Ишлинский и др. - 3 изд.,
перераб. доп. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - С. 523.