Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 1, стр. 77-84

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов и своевременного принятия необходимых превентивных (профилактических) мер выполнены работы по разработке и изготовлению экспериментального образца высокочувствительного деформометра короткобазисного цифрового (ДКЦ), предназначенного для выявления аномального развития деформационных процессов в трубах, обнаружения дефектных участков и областей с механическими напряжениями, приближающимися к критическим значениям, определяющих период жизненного цикла каждой трубы, составляющей трубопровод. Для этого необходимо было разработать устройство, с помощью которого возможно измерять компоненты тензора напряжений, чтобы выявлять участки линейного растяжения трубы, ее крутильные деформации и изменение радиуса при перемене давления внутри нее. Существующие деформометры [1, 3] по многим параметрам не удовлетворяют требованиям к приборам для таких измерений. Для успешного диагностирования указанных искажений формы и состояния труб требуется деформометр небольших габаритов, с помощью которого можно было бы измерять относительные деформации с чувствительностью не хуже 2 · 10^–9 в динамическом диапазоне 100 дБ и в широком частотном диапазоне – от десятков Гц до квазистатических процессов.

Создание такого высокочувствительного деформометра может найти и более широкое применение для решения задач слежения за развитием деформационных процессов не только на трубопроводах, но и других инженерных сооружений – пролетов мостов, высотных домов и сооружений, конструкций предприятий химической и атомной промышленности и т.п.

КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА

При разработке прибора с заданными характеристиками необходимо было конструктивно решить две важные задачи:

− создание преобразователя малых механических перемещений для измерения деформаций;

− предусмотреть систему крепления переносного прибора к исследуемому объекту (трубе) без нарушения его целостности (сверление, фрезерование и т.п.).

Первая из них была решена благодаря использованию емкостного преобразователя – радиотехнического устройства, позволяющего при относительной простоте получать высокие значения коэффициента преобразования малых механических перемещений в электрический сигнал в цифровой форме.

Вторая задача была решена неожиданно простым способом. Поскольку трубопровод изготовлен из стали, как, впрочем, и элементы конструкции других инженерных сооружений, то предложено устанавливать деформометр на объекте исследования вблизи разнесенных точек, между которыми измеряется деформация, с помощью вмонтированных в прибор постоянных магнитов.

На рис. 1 представлена конструкция близкого к окончательному варианту деформометра для измерения продольных деформаций.

Измерительный кронштейн 1 левым концом приклеен к площадке из стеклотекстолита 5. Правый конец кронштейна опирается на большую площадку из стеклотекстолита 3. Между двумя параллелепипедами 2 находится нижняя часть правого конца кронштейна 1. Боковая вертикальная плоскость каждого параллелепипеда и соответствующая плоскость нижней части правого конца кронштейна имеют зазор d и образуют две измерительные дифференциальные емкости С.

Параллелепипеды 2 припаяны к двум участкам фольги 7, соединенными с блоком электроники 8, построенного на основе использования микросхемы AD7746 [4]. Она позволяет измерять величину дифференциальной измерительной емкости и температуру в цифровом виде. В детали из стеклотекстолита вклеены в углубления два постоянных магнита 4 на расстоянии L друг от друга. При продольной деформации детали 6 (это либо участок трубы газопровода, либо элемент конструкции инженерного сооружения) правый магнит 4 удаляется от левого, следовательно, слева измерительная емкость растет, а правая – уменьшается. С помощью емкостного преобразователя измеряется смещение х ≈ d · ΔC/C. Величина деформации при этом:

ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРА

Для проведения лабораторных испытаний экспериментального образца ДКЦ конструкции, изображенной на рис. 1, с целью проверки его работоспособности и характеристик (диапазон измерений при разных механических напряжениях; основная относительная погрешность измерения; дополнительная относительная погрешность измерения) были разработаны требования к испытательному лабораторному стенду (ИЛС), конструкторская документация ИЛС и изготовлен сам стенд.

Основной элемент ИЛС – металлическая пластина, на которой устанавливается испытуемый образец ДКЦ. Для создания механических напряжений в пластине в широком диапазоне их значений и возникающих деформаций используется набор грузов известного веса. Это позволяет создавать напряжения в пластине с высокой степенью повторяемости значений, вплоть до уровня относительных значений порядка стабильности гравитационного поля в месте проведения испытаний, без труда получать выходные значения с ДКЦ при воздействии разных нагрузок и информацию о линейности крутизны преобразования в зависимости от величины деформаций. Принцип работы ИЛС иллюстрируется на рис. 2 и 3.

Для уменьшения влияния сил трения деформируемая стальная пластина находится на пластине из тефлона. Левый конец пластины прикреплен к столу с помощью болтов 4 (см. рис. 3), а правый конец с помощью тросика 4 (см. рис. 2), пропущенного через неподвижный блок 3, растягивается весом грузов 7, размещенных на устройстве 5. Все грузы в форме дисков центрируются направляющим штырем 8, проходящим через центральные отверстия в дисках-грузах. Форма грузов в виде дисков необязательна. Важно знать массу каждого груза и иметь возможность размещения грузов на устройстве.

Величина деформации пластины под действием растягивающей силы F составит:

где L – расстояние между двумя дочками, х – смещение правой точки относительно левой при воздействии растягивающей силы F, Е – модуль Юнга, S – площадь поперечного сечения пластины [2].

При сечении 3.5 · 0.33 см², F = 50 Н (масса одного груза 5 кг), Е = 7 · 10¹⁰ Па, смещение х на базе L = 5 см составляет х ≈ 2 · 10^–5 см. При величине зазора в измерительной емкости ~0.1 мм разрешение, определяемое емкостным преобразователем на базе микросхемы AD7746, составляет 10^–8 см, а соответствующая величина относительной деформации равна ~ 2 · 10^–9.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МАКЕТА ДКЦ

Испытательный лабораторный стенд был собран в соответствии со схемами, приведенными выше. ДКЦ был подключен к управляющему компьютеру и блоку питания в соответствии со схемой, приведенной на рис. 4. На ноутбук, используемый в качестве управляющего компьютера, было установлено тестовое ПМО, специально разработанное для ДКЦ.

Для деформации пластины использовались грузы весом 5 кг, которые последовательно увеличивали нагрузку на пластину из сплава АМГ-6: сначала без нагрузки, потом нагрузка в 5 кг, и так до 25 кг, а затем нагрузка последовательно уменьшалась до 0 без учета веса устройства для размещения грузов. Результаты измерений записывались в память компьютера. В табл. 1 приведены результаты одного из проведенных испытаний.

В табл. 1 во втором столбце указано количество грузов, создающих напряжение в пластине (в скобках – соответствующее значение в нагрузки Н), в третьем – текущее время испытания в минутах. Четвертый столбец – результат измерения смещения параллелепипедов 2 (см. рис. 1) при механическом напряжении пластины относительно правой части кронштейна. Разность емкостей ΔС измерительных дифференциальных конденсаторов определялась с помощью емкостного преобразователя на основе микросхемы AD7746 и разработанного ПМО. Микросхемой AD7746 измеряется величина емкости. В данном случае единица отсчета составляет 4.77 · 10^–7 пФ. Пятый столбец – текущая температура кристалла Т_i в микросхеме AD7746, °С, а в шестом столбце – значения температуры, мград ^оС. Для удобства в качестве нового нуля выбрано значение 19800 мград, которое вычитается из каждого значения Т_i, например, значение в 1-й строке 6-го столбца Т₁ = = 19 890 – 19 800 = 90 мград, и т.д.

На рис. 5 представлены график изменения растяжения D пластины (в значениях измеренной емкости при ед. отсчета 4.77 · 10^–7 пФ), а под ним – график изменения температуры в миллиградусах по Цельсию.

Сопоставление этих графиков показывает высокую корреляционную связь между вариацией температуры и изменением растяжения. Простой способ учета этой связи, без применения методов корреляционного анализа, это представление растяжения D₁ в виде:

где размерный коэффициент k можно найти из условия равенства значений D₁ при одинаковых нагрузках (равном количестве грузов) на участках ее увеличения и уменьшения. В нашем эксперименте выбрано условие равенства растяжений пластины при прохождении точки с тремя грузами (150 Н): где цифра в нижнем индексе – номер измерения.

Седьмой столбец – значения D₁ с учетом влияния температуры (3), а восьмой столбец – значения D₁, но со смещенным “0”. Для удобства графического представления результатов измерения выполнена линейная операция смещения “0”, новое значение “0” = –7 109 000, что позволило убрать неизменяющуюся часть значения D₁ в седьмом столбце. Среднее изменение D₁ при одном шаге изменения нагрузки составило ΔD_1ср ≈ ≈ 28997.4. Это соответствует изменению измерительной емкости на ~ 0.014 пФ при изменении нагрузки на каждые 50 Н. Это изменение емкости соответствует смещению 2 · 10^–5 cм. Смещению в 10^–8 см будет соответствовать изменение емкости 7 · 10^–6 пФ или 7 аФ, что соответствует собственному шуму микросхемы в несколько аттофарад (1 аФ = 10^–6 пФ) [4].

График величины растяжений D₁ со смещенным “0” (с учетом влияния изменений температуры Т_i) представлен на рис. 6.

ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ДЕФОРМОМЕТРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДРУГИХ КОМПОНЕНТ ТЕНЗОРА ДЕФОРМАЦИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные испытания показали, что использование емкостного преобразователя механических перемещений в электрический сигнал на базе микросхемы AD7746 обеспечивает макету ДКЦ заданную чувствительность измерения относительных деформаций (2 · 10^–9) и динамический диапазон не менее 100 дБ в частотном диапазоне от десятков Гц до квазистатических процессов.

Испытания позволили предложить ряд изменений, которые должны быть внесены как в конструкцию прибора, так и в методику проведения самих испытаний.

Во-первых, прибор ДКЦ должен быть герметично закрыт проводящим экраном, что позволит уменьшить влияние вариаций температуры, движений воздуха и изменений его влажности. Экран позволит избежать также влияния вариации “паразитных” емкостей от внешних движущихся предметов.

Во-вторых, для уменьшения влияния трения между поверхностью стола и пластиной, а также в неподвижном блоке, вариаций направления тросика при изменении нагрузки и раскачивания грузов под воздействием сейсмических и иных техногенных источников и т.п., требуется модификация испытательного стенда. Переход на вертикальный подвес исследуемого образца прибора и применение демпфирующих систем, уменьшающих эффект от раскачки растягивающих грузов, исключат многие факторы, влияющие на качество получаемых результатов испытаний.