Дослідження роботи вимірювального перетворювача нахилу

Мета роботи: ознайомитись з функціональним призна­ченням і будовою електронних вимірювальних перетворю­ва­чів нахилу. Набути практичних навичок, щодо визначення основних технічних характеристик вимірювальних перетво­рювачів і роботи з вимірювальними перетворювачами нахилу.

Обладнання і матеріали: лабораторна установка для дослідження вимірювальних перетворювачів нахилу, цифро­вий вольтметр, генератор звукової частоти, з’єднувальні про­відники.

Місце проведення роботи: робота проводиться в ла­бо­раторії кафедри технічної діагностики і моніторингу.

Тривалість: 2 год.

Основні теоретичні положення

Вимірювання нахилу широко застосовується як в польо­вих радіоелектронних приладах, так і в стаціонарних геоде­зич­них системах. Зокрема двокоординатний електролі­тичний перетворювач нахилу дозволяє контролювати відхилення вер­тикальної осі електронних тахеометра чи теодоліта і врахо­вувати поправки під час обчислення кутів, а також виводити прилади на горизонт у режимі «електронного рівня».

Широко застосовують вимірювальні перетворювачі на­хилу у геодезичних системах моніторингу. Моніторинг ве­ли­ких, складних або потенційно небезпечних інженерних об'єк-тів стає все більш актуальним завданням під час їх будів­ни­ц­тва чи експлуатації. Геодезичний моніторинг дозволяє періо­дично або безперервно в автоматичному режимі відслід­кову­вати положення контрольних точок, що знаходяться все­редині або в безпосередній близькості від активної зони деформацій. Такі вимірювання дають можливість оцінити си­лу впливу на об'єкт того чи іншого зовнішнього чинника, виз­начити вели­чину, напрям і вид деформації (зсув, вигин, кру­чення й т. п.), а також швидкість процесів, по­передити про вихід величин де­формацій за задані межі, оці­нити ризики, властиві об'єктах моніторингу. Все це дозволяє не тільки своєчасно виявляти і запобігати негативні впливи зовнішніх чинників під час бу­дівництва або експлу­атації об'єкта, але і під час невисоких ви­тратах на мо­ніто­ринг, що забезпечує суттєве зменшення по­тенційних фінансових втрат під час виникнення відхилень від проектних параметрів.

В геодезичних системах моніторингу застосовують вимі­рювальні перетворювачі нахилу які об’єднані з електронними засобами оброблення сигналу – такі прилади називаються інклінометрами. Прикладом таких приладів може бути висо­коточний інклінометр Leica Nivel200 (рис. 2.1). Інклінометр Leica Nivel200 має максимальну точність вимірювання нахилу 0,001 mrad, що еквівалентно лінійному відхиленню 1 мм на 1 км відстані, і точність вимірювання температури до 0,1 С. Межі вимірювання кутів складають 3,0 mrad, мінімальний час вимірювання 0,33 с.

 

 

Рисунок 2.1 – Високоточний інклінометр Leica Nivel200

 

Інклінометри серії Leica Nivel200 застосовують для кон­тролю стану таких будівельних конструкцій та інженерних споруд, як щогли, пілони, греблі, мости, висотні будівлі, опо­ри ліній електропередачі, тунелі, а також промислового і тех­нологічного обладнання, тобто там, де потрібна високо­точна оперативна інформація про величину нахилу і його напрямку. Основне призначення інклінометра Leica Nivel200 контроль зміни кутового положення в просторі (нахил) дос­ліджуваної конструкції. На рис. 2.2 зображено застосування даних при­ладів в системі геодезичного моніторингу мостів. Інформація від мережі інклінометрів, встановлених на конструкції моста, надходить у комп'ютер, який проводить оброблення отрима­них даних і передає їх для подальшого аналізу. Можлива установка двох мереж інклінометрії: одна орієнтована на ви­мір деформації прольотів (прогин), а інша на вимірювання зсуву (нахил) опор.

 

Рисунок 2.2 – Застосування мережі інклінометрів для геодезичного моніторингу моста

Електролітичні вимірювальні перетворювачі нахилу. На сьогодні найбільш надійними зі всіх вимірювальних пе­ретворювачів нахилу вважаються вимірювальні перетворю­ва­чі електролітичного класу. На рис. 2.3 схематично зобра­жено однокоординатний давач кута нахилу. Електропровідна речо­вина (електроліт) є герметизованою у скляній або кера­мічній порожнині для пропускання електричного струму між спіль­ним, негативним та позитивним електродами. Під час елек­тричного нуля (тобто рівні горизонту) обидва електроди по­рівну занурені у рідину, що зберігає рівень через дію на неї сили тяжіння. Це спричиняє збалансований (рівний) вихідний сигнал між позитивним, негативним і спільним електродами.

 

Рисунок 2.3 – Схематичне зображення електролітичного вимірювального перетворювача нахилу. Коли позитивний і негативний електроди порівну занурені у рідину (електроліт), то давач кута нахилу перебуває в нульовому вихідному положенні

Під час повороту вимірювального перетворювача нав­коло його вимірювальної осі, величина площі зануреної по­верхні буде збільшуватись для одного електрода і одночасно зменшуватись для іншого, створюючи таким чином дисбаланс вихідного сигналу через зміну пари електричних опорів (не­гативний-спільний електрод і позитивний-спільний електрод) (див. рис. 2.4). Цей дисбаланс є прямо пропорційний до кута повороту.

 

Рисунок 2.4 – Вихідний сигнал генерується, коли давач відхилений від нульового положення і занурені частини електродів більше не збалансовані

Вимірювальні перетворювачі нахилу, які зображені на рис. 2.3 і 2.4 є порівняно простої конструкції з відкритою порожниною і мають сумарний діапазон вимірювання приб­лизно ± 70°. Усі типи вимірювальних перетворювачів нахилу, що заповнені рідиною мають обмеження у сумарному діапа­зоні вимірювання, який є меншим ніж ± 90°, бо електроди стають або повністю виведені або майже не занурені рідиною під час наближення до такого кута. Як тільки це відбувається, вимірювальний перетворювач перебуває за межею діа­пазону і зміни у вихідному сигналі спостерігатися не буде. Це обме­ження можна подолати шляхом об’єднання другого вимірю­вального перетворювача кута нахилу, зміщеного на 90° (по осі вимірювання) стосовно до першого. Це за­без­печує весь діапа­зон вимірювання 360°, проте вимагає додат­кового оброб­лення вихідних сигналів з вимірювальних пере­творювачів для відо­браження правильної кутової позиції.

Вимірювання кутів менших ± 15° вимагає значного збільшення радіусу кривизни порожнини в якій міститься рі­дина. Вирівнювання електродів у порожнині також стає кри­тичним. На рис. 2.5 зображено конструкцію вимірю­валь­них перетворювачів для вимірювання малих кутів. Дані перетво­рювачі були розроб­лені спеціально для вимірювання невели­ких кутів у діапазоні від ± 0,25º до ± 12º. Серія RG (зліва) найбільш точна і призначена для застосування у статичних умовах. Серія CG (справа) має спеціально розроблену порож­нину для рідини, що мінімізує ефекти вібрації на нульових відхиленнях. Крім того, зміна профілю внутрішньої порож­нини служить для зменшен­ня чутливості вимірювальних перетворювачів до вібрацій, типової проблеми у вимірюваль­них перетворювачах, що заповнені рідиною.

 

Рисунок 2.5 – Скляні вимірювальні перетворювачі кута нахилу (компанії Spectron, США)

Двоосьове вимірювання кута нахилу вимагає два ком­плекти електродів, розміщених перпендикулярно (ортогональ­но) один до одного. Платформа двоосьового вимірювального перетворювача кута нахилу компанії Spectron складається з циліндричного скляного балона та п’яти шпильок, що віді­грають роль спільного, позитивного та негативного електродів для обох осей (рис. 2.6).

Вимірювальні перетворювачі кута нахилу зазвичай з’єд­нані з схемами оброблення вихідного сигналу як розділю­вач напруги або логометр. До переваг цієї компоновки відно­сять нормалізацію незначних змін напруги збудження і ком­пен­сацію зміни температури навколишнього середовища. Най­більш популярною компоновкою вимірювальної схеми є міст змінного струму Уітстона. Вимірювальний перетворювач мо­же бути використаний як верхній пів-міст з повною на­пру­гою збудження через перетворювач або як нижній пів-міст з опо­рами на кожній половині перетворювача.

Під час нульового положення вимірювальний перетво­рювач нахилу видає сигнал, що рівний 50 % від загального коефіцієнту масштабу (вихідного). Кутовий рух у кожному напрямку зменшує або збільшує це відношення пропорціо­нально. Для двоосьового вимірювання необхідним є дублю­вання схеми оброблення сигналу для другої осі. Конструкція двохосьового вимірювального перетворювача нахилу і вико­ристання даних вимірювальних перетворювачів у інкліно­метрах зображено на рис. 2.7.