Цилиндрический датчик для измерения давления в ледяных образованиях
Цилиндрический датчик для измерений давления и относительной объемной деформации в ледяных образованиях имеет чувствительный элемент в виде упругого цилиндра, материал которого подбирается близким по плотности и упругим характеристикам ко льду, заполняется гидравлической жидкостью с низким коэффициентом температурного расширения. Длина цилиндра изготавливается равной толщине ледяного покрова. На верхней поверхности чувствительного элемента устанавливаются рабочий и калибровочный сильфоны, соединенные отверстиями с чувствительным элементом и штуцер для образцового манометра, который необходим для калибровки устройства по давлению. Разница в размерах сильфонов позволяет повысить точность калибровки устройства. Рабочий сильфон соединен с магнитоуправляемым электронномеханическим датчиком перемещений. Калибровочный сильфон через скользящую заглушку упирается в шток микрометрического винта, который необходим для калибровки устройства в относительных объемных деформациях. Измерительно-калибровочная часть устройства закрывается защитным колпаком, в котором имеются два отверстия одно для вывода кабеля для подключения магнитоуправляемого электронномеханического датчика перемещений к регистратору и другое для регулировки устройства и ввода кабеля, соединяющего источник электропитания с нагревательным элементом, установленным в упругом цилиндре.
Полезная модель относится к области измерительной техники, предназначена для измерения давления и объемных относительных деформаций внутри ледяного покрова, осредненных по толщине льда.
Известно устройство для измерения давления во льду (Альтшулер Г.Г., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Датчик давления / Авт. свид. 
561887. 1977.). Такое устройство выполнено в виде упругого полого шара с тремя датчиками деформации, расположенными внутри шара.
К недостаткам устройства следует отнести тот факт, что с его помощью можно измерять давление только в слое льда, в котором датчик вморожен. Для измерения давления по всей толщине льда необходимо применять гирлянду из таких датчиков и осреднять, полученные данные на всю толщину ледяного покрова.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому цилиндрическому датчику для измерений давления в ледяных образованиях является деформометр Сакса-Эвертсона (Sacks I. Selwyn, Syuehiro Shigeji, Evtrtson Dale W., Yamagishi Yokichi. Sacks-Evertson Strainmeter, Its Installation in Japan and Some Preliminary Results Concerning Strain Steps. J. Meteorology and Geophysics. Vol. 22, Nos. 3-4, pp. 195-208. November 1971.) для измерения деформаций скальных пород в скважинах при землетрясениях. Чувствительным элементом является упругий цилиндр, заполненный жидкостью, который опускают в скважину и жестко цементируют на заданной глубине. Деформация породы передается упругому цилиндру через жидкость на сильфон, который рычагом соединен с двумя датчиками, преобразующими перемещения рычага в электрический сигнал: дифференциальный преобразователь перемещений и регистратор в виде биморфной пьезокерамической пластины. Эти преобразователи имеют разные динамические характеристики. Устройство калибруется через другой сильфон в относительных деформациях стенок скважины.
К недостаткам вышеуказанного устройства следует отнести тот факт, что его невозможно использовать для измерения давления внутри ледяного покрова, и что оно калибруется для измерения деформаций скважины. Кроме того, такой прибор не обладает достаточным динамическим диапазоном для измерения деформаций в такой среде как лед. Применения одновременно двух датчиков с разными характеристиками снижает надежность устройства и осложняет обработку данных. Деформометр Сакса-Эвертсона является закладным прибором одноразового пользования и после установки в скважине не извлекается из нее.
Целью предложенной конструкции является расширение области применения устройства, за счет калибровки устройства, как по объемной относительной деформации, так и по давлению, что совокупно характеризует прочность среды.
Указанный технический результат достигается тем, что цилиндрический датчик для измерений давления и относительной объемной деформации в ледяных образованиях имеет чувствительный элемент в виде упругого цилиндра, материал которого подбирается близким по плотности и упругим характеристикам ко льду, заполняется гидравлической жидкостью с низким коэффициентом температурного расширения (например: силиконовое масло), а длина цилиндра соответствует толщине льда. На верхней поверхности чувствительного элемента устанавливаются рабочий и калибровочный сильфоны, соединенные отверстиями с чувствительным элементом и штуцер для образцового манометра, который необходим для калибровки устройства по давлению. Разница в размерах сильфонов обеспечивает повышение точности калибровки устройства, так как задавая перемещения малому сильфону при помощи миткрометрического винта на большую величину получим более точные результаты. На рабочем сильфоне закреплена вставка-заглушка с кольцевым магнитом магнитоуправляемого электронномеханического датчика перемещений, а на фторопластовом кожухе электронная лампа в защитной оболочке (Линьков Е.М. Магнетронные системы преобразования сейсмических колебаний в электрические. // Изв. АН СССР. Сер. Геофизика. 1961. 9. С. 1373-1376). Калибровочный сильфон расположен во фторопластовом стакане и отцентрирован при помощи скользящей заглушки, упирается в шток микрометрического винта, который необходим для калибровки устройства в относительных деформациях. Микрометрический винт крепится хомутом к штуцеру. Измерительно-калибровочная часть устройства закрывается защитным колпаком, в котором имеются два отверстия одно для вывода кабеля для подключения магнитоуправляемого электронномеханического датчика перемещений к регистратору и другое для ввода кабеля, соединяющего источник электропитания с нагревательным элементом, установленным в упругом цилиндре.
На фигуре представлена схема цилиндрического датчика для измерений давления в ледяных образованиях. Чувствительный элемент устройства (рабочая камера) представляет собой цилиндр 1, заполненный гидравлической жидкостью 2. На верхней поверхности чувствительного элемента 1 располагаются рабочий 3 и калибровочный 4 сильфоны. Оба сильфона 3 и 4 соединены отверстиями с рабочей камерой 1 через вставки 5 и 6 с уплотнительными сальниками 7 винтами 8. Разница в размерах сильфонов подбирается таким образом, чтобы повысить точность калибровки устройства. На рабочем сильфоне 3 закреплены вставка-заглушка 9 и кольцевой магнит 10, подпружиненные пружиной 11, а на неподвижном фторопластовом кожухе 12 электронная лампа 13 в защитной оболочке 14. Калибровочный сильфон 4 расположен во фторопластовом стакане 15 и отцентрирован при помощи скользящей заглушки 16, упирается в шток микрометрического винта 17, который хомутом 18 крепится к штуцеру 19. Для калибровки устройства на штуцер 19 устанавливается образцовый жидкостной манометр (на фиг. не указан) вместо заглушки 20. Электронная лампа 13 в защитной оболочке 14 извлекается из цангового зажима 21 и вместо нее вставляется жесткий стержень (на фиг. не указан), который упирается в дно вставки-заглушки 9 рабочего сильфона 3 и не дает ему деформироваться на расширение. После этого, сжимая калибровочный сильфон 4 микрометрическим винтом 17, калибруют микрометр по образцовому манометру. После чего манометр заменяют заглушкой 20, а вместо стержня вставляют электронную лампу 13 в защитной оболочке 14 и по микрометрическому винту 17 калибруют все устройство по методу сквозного канала, подключив электронную лампу 13 кабелем 22 к регистратору. Сильфоны закрываются съемным защитным колпаком 23, который винтами 24 через уплотнительную прокладку 25 крепится к верхней поверхности чувствительного элемента 1. В колпаке имеется отверстие с пробкой 26 для вывода кабеля 22 и отверстие с пробкой 27 для регулировки микрометрического винта 17 без снятия защитного колпака 23. Кроме того, через пробку 27 пропущен кабель 28, по которому подается электропитание на подогреватель 29, что обеспечивает возможность извлечения устройства из ледяного покрова после проведения измерений.
Цилиндрический датчик для измерений давления в ледяных образованиях работает следующим образом. В ледяном покрове на всю толщину пробуривается скважина необходимого диаметра. В эту скважину вставляется чувствительный элемент устройства в виде цилиндра 1 таким образом, чтобы измерительно-калибровочная часть устройства, расположенная под колпаком 23 оставалась на поверхности льда. После вмерзания чувствительного элемента 1 снимают защитный колпак 23, подключают к электропитанию магнитоуправляемый электронномеханический датчик, состоящий из подвижного кольцевого магнита 10, закрепленного на вставке-заглушке 9, и неподвижной электронной лампы 13 в защитной оболочке 14, установленной на фторопластовом кожухе 12 при помощи цангового зажима 21. Далее проводится калибровка устройства. Для этого на штуцер 19 устанавливается образцовый жидкостной манометр (на фиг. 1 не указан) вместо заглушки 20. Электронная лампа 13 в защитной оболочке 14 извлекается из цангового зажима 21 и вместо нее вставляется жесткий стержень (на фиг. 1 не указан), который упирается в дно вставки-заглушки 9 рабочего сильфона 3 и не дает ему деформироваться на расширение. После этого, сжимая калибровочный сильфон 4 микрометрическим винтом 17, калибруют микрометр по образцовому манометру. После чего манометр заменяют заглушкой 20, а вместо стержня вставляют электронную лампу 13 в защитной оболочке 14 и по микрометрическому винту 17 калибруют все устройство по методу сквозного канала, подключив электронную лампу 13 кабелем 22 к регистратору. Измерительно-калибровочную часть устройства закрывают съемным защитным колпаком 23, который винтами 24 через уплотнительную прокладку 25 крепится к верхней поверхности чувствительного элемента 1. По кабелю 22, проходящему через пробку 26, сигнал поступает на регистратор. Пробка 27 обеспечивает возможность доступа к микрометрическому винту 17 без съема защитного колпака. При помощи отвертки подкручивают микрометрический винт 17 и восстанавливают рабочий диапазон магнитоуправляемого электронномеханического датчика в случае необходимости, что обеспечивает расширение динамического диапазона всего устройства. Для извлечения цилиндрического датчика из ледяного покрова по кабелю 28, проходящему через пробку 27, подают электропитание на нагревательный элемент 29, размещенный внутри чувствительного элемента 1. Происходит подогрев гидравлической жидкости и вытаивание устройства. После этого цилиндрический датчик извлекается изо льда.
Испытания макета устройства были проведены в лабораторных условиях и показали работоспособность и надежность цилиндрического датчика для измерения давления в ледяных образованиях.
Технико-экономический эффект от применения предлагаемого устройства проявится:
- в возможности измерения осредненного по толщине льда давления и относительной объемной деформации, характеризующих прочностные свойства льда в районах строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений;
- при исследовании естественных процессов в ледяном покрове, связанных с прогностическими признаками разрушения льда при взаимодействии ледяных образований во время дрейфа, воздействиях на донный грунт и берега;
- в надежности и простоте эксплуатации устройства в полевых условиях.
Цилиндрический датчик для измерения давления в ледяных образованиях, содержащий чувствительный элемент в виде упругого цилиндра, калибровочный и измерительный сильфоны, отличающийся тем, что чувствительный элемент, внутри которого встроен электронагреватель, вмораживается на всю толщину льда, при этом на верхней части цилиндра размещены штуцер с заглушкой и микрометрический винт, упирающийся в калибровочный сильфон, причём калибровочный и измерительный сильфоны со штуцером и микрометрическим винтом располагаются на поверхности ледяного покрова и закрываются защитным кожухом.
