RU148536U1

RU148536U1 - CYLINDER SENSOR FOR MEASURING PRESSURE IN ICE FORMATIONS

Info

Publication number: RU148536U1
Application number: RU2014132282/28U
Authority: RU
Inventors: Виктор Николаевич Смирнов; Александр Иванович Шушлебин; Сергей Михайлович Ковалёв
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2014-12-10

Abstract

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.A cylindrical sensor for measuring pressure in ice formations, containing a sensing element in the form of an elastic cylinder, calibration and measuring bellows, characterized in that the sensing element, inside which an electric heater is integrated, is frozen over the entire thickness of the ice, while a fitting with a plug is placed on the top of the cylinder and a micrometer screw resting against a calibration bellows, with the calibration and measuring bellows with a fitting and a micrometer screw located on the ice surface a cover and are closed by a protective casing.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники, предназначена для измерения давления и объемных относительных деформаций внутри ледяного покрова, осредненных по толщине льда.The utility model relates to the field of measurement technology, designed to measure pressure and volumetric relative deformations inside the ice sheet, averaged over the thickness of the ice.

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.A device for measuring pressure in ice (Altshuler G.G., Smirnov V.N., Shushlebin A.I. Pressure sensor / Auth. Certificate. No. 561887. 1977.). Such a device is made in the form of an elastic hollow ball with three strain gauges located inside the ball.

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.The disadvantages of the device include the fact that it can only be used to measure pressure in the ice layer in which the sensor is frozen. To measure pressure across the entire thickness of the ice, it is necessary to use a garland of such sensors and average the data obtained over the entire thickness of the ice cover.

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.The closest in technical essence to the claimed cylindrical sensor for measuring pressure in ice formations is the Sacks-Evertson deformometer (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.) for measuring rock deformation in wells during earthquakes. The sensitive element is an elastic cylinder filled with liquid, which is lowered into the well and cemented hard at a given depth. Deformation of the rock is transmitted to the elastic cylinder through the liquid to the bellows, which is connected by a lever to two sensors that convert the movement of the lever into an electric signal: a differential displacement transducer and a recorder in the form of a bimorph piezoceramic plate. These transducers have different dynamic characteristics. The device is calibrated through another bellows in the relative deformation of the borehole walls.

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.The disadvantages of the above device include the fact that it cannot be used to measure pressure inside the ice sheet, and that it is calibrated to measure the deformation of the well. In addition, such a device does not have a sufficient dynamic range for measuring deformations in such an environment as ice. The use of two sensors with different characteristics simultaneously reduces the reliability of the device and complicates the processing of data. The Sachs-Evertson strain gauge is a disposable embedded device and, after installation in the well, is not removed from it.

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.The purpose of the proposed design is to expand the scope of the device due to the calibration of the device, both in volumetric relative deformation and pressure, which together characterizes the strength of the medium.

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.The specified technical result is achieved by the fact that the cylindrical sensor for measuring pressure and relative volumetric deformation in ice formations has a sensitive element in the form of an elastic cylinder, the material of which is selected close in density and elastic characteristics to ice, is filled with hydraulic fluid with a low coefficient of thermal expansion (for example: silicone oil), and the length of the cylinder corresponds to the thickness of the ice. On the upper surface of the sensing element, working and calibration bellows are installed, connected by openings to the sensitive element and a fitting for an exemplary pressure gauge, which is necessary for calibrating the device by pressure. The difference in the size of the bellows provides an increase in the calibration accuracy of the device, since by setting the displacement of the small bellows with the help of a mitrometer screw we obtain more accurate results. A plug-cap with a ring magnet of a magnetically controlled electromechanical displacement sensor is fixed on the working bellows, and on the fluoroplastic casing is an electronic lamp in a protective sheath (Linkov E.M. Magnetron systems for converting seismic vibrations into electric ones. // Izv. AN SSSR. Ser. Geophysics. 1961 No. 9, pp. 1373-1376). The calibration bellows is located in a fluoroplastic cup and is centered using a sliding plug, abuts against the stem of the micrometer screw, which is necessary for calibrating the device in relative deformations. The micrometer screw is secured with a clamp to the fitting. The measuring and calibration part of the device is closed with a protective cap, in which there are two openings, one for outputting a cable for connecting a magnetically-controlled electromechanical displacement sensor to the recorder and the other for inputting a cable connecting the power supply to a heating element installed in an elastic cylinder.

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.The figure shows a diagram of a cylindrical sensor for measuring pressure in ice formations. The sensitive element of the device (working chamber) is a cylinder 1 filled with hydraulic fluid 2. On the upper surface of the sensitive element 1 are located the working 3 and calibration 4 bellows. Both bellows 3 and 4 are connected by openings to the working chamber 1 through inserts 5 and 6 with sealing glands 7 with screws 8. The difference in the size of the bellows is selected in such a way as to increase the accuracy of calibration of the device. An insert plug 9 and an annular magnet 10 are spring-loaded on a working bellows 3, spring-loaded with a spring 11, and an electronic lamp 13 in a protective sheath 14 is mounted on a fixed PTFE casing 12. The calibration bellows 4 is located in the fluoroplastic cup 15 and is centered by means of a sliding plug 16, abuts against the rod of the micrometer screw 17, which is attached to the fitting 19 by a clamp 18. To calibrate the device, an exemplary liquid pressure gauge (not shown) is installed on the fitting 19 instead of the plug 20. The electronic lamp 13 in a protective sheath 14 is removed from the collet clamp 21 and a rigid rod is inserted instead of it (not shown in FIG.), Which abuts against the bottom of the plug-in plug 9 of the working bellows 3 and prevents it from deforming to expansion. After that, compressing the calibration bellows 4 with a micrometer screw 17, calibrate the micrometer according to the model pressure gauge. After that, the pressure gauge is replaced with a plug 20, and instead of the rod, an electronic lamp 13 is inserted in the protective shell 14 and the entire device is calibrated using the micrometer screw 17 using the through channel method, connecting the electronic lamp 13 with cable 22 to the recorder. The bellows are closed by a removable protective cap 23, which is screwed through the gasket 25 to the upper surface of the sensor element 1. Through the cap there is a hole with a plug 26 for outputting the cable 22 and a hole with a plug 27 for adjusting the micrometer screw 17 without removing the protective cap 23. In addition In addition, a cable 28 is passed through the plug 27, through which power is supplied to the heater 29, which makes it possible to remove the device from the ice cover after measurements.

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.A cylindrical sensor for measuring pressure in ice formations works as follows. A hole of the required diameter is drilled through the entire thickness of the ice sheet. A sensor element in the form of a cylinder 1 is inserted into this well in such a way that the measuring and calibration part of the device located under the cap 23 remains on the ice surface. After freezing of the sensitive element 1, the protective cap 23 is removed, a magnetically controlled electromechanical sensor is connected to the power supply, consisting of a movable ring magnet 10 mounted on the insert-plug 9, and a stationary electronic lamp 13 in the protective sheath 14 mounted on the fluoroplastic casing 12 using a collet clamp 21. Next, the calibration of the device. For this purpose, an exemplary liquid manometer (not shown in FIG. 1) is installed on the fitting 19 instead of the plug 20. The electronic lamp 13 in the protective sheath 14 is removed from the collet clamp 21 and a rigid rod (not shown in FIG. 1) is inserted, which abuts into the bottom of the insert-plug 9 of the working bellows 3 and does not allow it to deform to expand. After that, compressing the calibration bellows 4 with a micrometer screw 17, calibrate the micrometer according to the model pressure gauge. After that, the pressure gauge is replaced with a plug 20, and instead of the rod, an electronic lamp 13 is inserted in the protective shell 14 and the entire device is calibrated using the micrometer screw 17 using the through channel method, connecting the electronic lamp 13 with cable 22 to the recorder. The measuring and calibration part of the device is closed with a removable protective cap 23, which is screwed through the gasket 25 to the upper surface of the sensor element 1. Through a cable 22 passing through the plug 26, the signal is transmitted to the recorder. The plug 27 allows access to the micrometer screw 17 without removing the protective cap. Using a screwdriver, tighten the micrometer screw 17 and restore the working range of the magnetically controlled electromechanical sensor if necessary, which ensures the expansion of the dynamic range of the entire device. To remove the cylindrical sensor from the ice cover, a cable 28, passing through the plug 27, is supplied with power to the heating element 29 located inside the sensing element 1. The hydraulic fluid is heated and the device is melted. After that, the cylindrical sensor is removed from the ice.

Испытания макета устройства были проведены в лабораторных условиях и показали работоспособность и надежность цилиндрического датчика для измерения давления в ледяных образованиях.Tests of the device model were carried out in laboratory conditions and showed the operability and reliability of the cylindrical sensor for measuring pressure in ice formations.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого устройства проявится:The technical and economic effect of the application of the proposed device will manifest itself:

- в возможности измерения осредненного по толщине льда давления и относительной объемной деформации, характеризующих прочностные свойства льда в районах строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений;- the possibility of measuring the pressure averaged over the thickness of ice and relative volumetric deformation characterizing the strength properties of ice in the areas of construction and operation of hydraulic structures;

- 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;- in the study of natural processes in the ice cover associated with prognostic signs of ice destruction during the interaction of ice formations during drift, impacts on the bottom soil and coast;

- в надежности и простоте эксплуатации устройства в полевых условиях.- in the reliability and ease of operation of the device in the field.

Claims

A cylindrical sensor for measuring pressure in ice formations, containing a sensing element in the form of an elastic cylinder, calibration and measuring bellows, characterized in that the sensing element, inside which an electric heater is built in, is frozen over the entire thickness of the ice, while a fitting with a plug is placed on the top of the cylinder and a micrometer screw resting on a calibration bellows, with the calibration and measuring bellows with a fitting and a micrometer screw located on the ice surface a cover and are closed by a protective casing.