Строительные конструкции. Расчет сооружений (стр. 12 )

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ

, канд. техн. наук, профессор 
(НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск)

Емкостные датчики применяются не только для измерения различных физических величин, но и при исследованиях физико-химических процессов различных веществ и материалов.
В этом случае они строятся на основе плоского конденсатора с прямоугольной (рис. 1а) или круговой (рис. 1б) формой электродов 2, что обусловлено формой образцов исследуемого материала. Емкость между электродами (1) вызывает дополнительную погрешность.

а)  б)

Рис. 1. Емкостной датчик на основе плоского конденсатора:

1 – выводы датчика; 2 – электроды датчика;
s – площадь электрода; d – толщина исследуемого материала;
e – размер электрода

Расстояние между электродами d датчиков (см. рис. 1), как правило, сравнимо с размерами е самих электродов.
Это приводит к неоднородности электрического поля датчика (рис. 2а) и несправедливости формулы для определения емкости конденсатора (C = еoеS/d), а также к тому, что при исследовании только часть материала находится в однородном электрическом поле. В датчиках с прямоугольной формой электродов наибольшая неоднородность электрического поля возникает в месте расположения углов датчика, поэтому целесообразнее использовать датчики с круговой формой электродов и исследуемых образцов.

Возможны два варианта устранения вышеназванных недостатков:

1) в двухточечной схеме включения датчика (рис. 2а) необходимо уменьшать d и увеличивать размер е так, чтобы толщина образца d была во много раз меньше размера электродов е;

2) использовать трехточечную схему включения датчика (рис. 2б), которая обеспечивает не только работу материала в однородном поле датчика, но и позволяет исключить влияние дополнительной емкости выводов датчика на результаты измерений; при этом нижний электрод датчика (рис. 2б) состоит из двух частей: внутренней, выполненной в форме круга с выводом (2), и внешней, выполненной в виде кольца с электродом (3), каждая из которых подключается к разным элементам измерительной цепи.

а)  б)

Рис. 2. Схема включения датчика

Общая схема замещения емкостного датчика представлена  на рис. 3.

Рис. 3. Общая схема замещения емкостного датчика

Здесь емкость датчика СД определяется площадью электродов S, толщиной образца исследуемого материала d, его относительной диэлектрической проницаемостью е, а также степенью однородности электрического поля, в котором находится исследуемый материал.

Значение сопротивления RИ определяется сопротивлениями объемной и поверхностной утечек через исследуемый материал, а также активной мощностью потерь внутри материала.  Сопротивление RВ определяется толщиной и удельным электрическим сопротивлением материала электродов. Индуктивность LВ определяется длиной и конструкцией выводов. Значения  RВ и LВ увеличиваются с увеличением частоты переменного тока, проходящего через датчик. Для уменьшения значения RВ желательно электроды датчика делать толстыми (из меди толщиной 1 мм), а также покрывать их слоем серебра.
Для уменьшения значения LВ желательно выводы датчика делать из многожильного медного провода диаметром 1,5–2,0 мм, а частоту переменного тока выбирать менее 100 кГц. Это позволит свести схему замещения датчика к параллельному соединению емкости СД и сопротивления RИ  и облегчить выбор необходимых методов и средств измерения параметров датчика.

При исследованиях с помощью емкостных датчиков чаще всего используются три метода: 1) метод непосредственной оценки; 2) нулевой метод; 3) дифференциальный метод. Первый метод лежит в основе многих аналоговых измерительных приборов, включая Q-метры, и обеспечивает невысокую точность измерений (погрешность более 1 %). Второй метод лежит в основе мостов переменного тока, обеспечивающих наивысшую точность измерений (погрешность менее 0,1 %). Третий метод объединяет первые два.

В качестве средств измерения параметров емкостных датчиков чаще всего используются Q-метры и мосты переменного тока. К достоинствам Q-метров относятся:

1) широкий диапазон частот (от 50 кГц до 35 МГц;

2) измерение емкости (5–450 пФ) и добротности (5–1000) объектов индуктивного и емкостного характера;

3) погрешность измерения емкости не превышает ±1 пФ.

К недостаткам Q-метров следует отнести двухточечную схему подключения емкостного датчика и последовательную схему замещения датчика.

В основу работы Q-метра типа ВМ-560 положена схема  последовательного колебательного контура (рис. 4), предполагающая использование последовательной схемы замещения датчика. Напряжение генератора синусоидальных колебаний (ГСК) с заданной частотой f подается на понижающий трансформатор Тр и измеряется милливольтметром VE.

Рис. 4. Схема Q-метра

В Q-метре измеряемый индуктивный объект с сопротивлением потерь RК и индуктивностью LК (см. рис. 4) подключается к зажимам (3, 4), а образцовый конденсатор переменной емкости
CO – к зажимам (1, 2).

а)  б)

Рис. 5. Схемы замещения датчика

Изменяя емкость CO, добиваются состояния резонанса напряжений, наступающего при максимальном показании милливольтметра VС; при этом показание милливольтметра VE будет равно падению напряжения на сопротивлении RК, а показание милливольтметра VС – максимальному значению падения напряжения на емкости CO. Добротность Q, определяемая по  формуле 

Q = щ LK  / Rк = 1/ щ CO,

будет равна отношению показаний микровольтметров 

Q = VC / VE.

При измерении параметров емкостного датчика к зажимам (3, 4) подключается образцовая катушка индуктивности с заранее известными значениями RК и LK, а датчик Д подключается к зажимам (1, 2) (см. рис. 4), т. е. параллельно конденсатору переменной емкости CO к зажимам (1, 2) будет подключена схема из параллельного соединения, емкости СД и сопротивления RИ. Поскольку состояние резонанса контура находится по максимальному показанию микровольтметра VС, параллельная схема соединения элементов CO, СД, RИ (рис. 5а) должна быть заменена на их последовательную схему замещения с эквивалентными значениями СЭ и RЭ (рис. 5б); при этом эквивалентные параметры находятся по формулам:

CЭ = [1 + RИ2щ2(СО + СД)2] / RИ2щ2(СО + СД);

RЭ = RИ / [1+ RИ2щ2(СО + СД)2];

QЭ = VC / VE = (1/ Rк) √[RЭ2 + 1/ щ(СО + СД)].

Отсюда видно, все эквивалентные величины зависят не только от параметров СД и RИ датчика, но и от емкости переменного конденсатора CO и круговой частоты щ ГСК. Даже при RИ → ∞:

CЭ = СО + СД ≠ СД.

Чтобы CЭ = СД необходимо исключить емкость переменного конденсатора CO, а это возможно только при СО→0, т. е. при СД ≈ СОmax = 425 пФ. Кроме того, эквивалентная добротность контура QЭ не равна добротности емкостного датчика. Таким образом, измерение параметров емкостного датчика происходит с погрешностями, значения которых необходимо тщательно анализировать.

Рис. 6. Схема моста переменного тока

Прямые измерения параметров емкостного датчика возможны в мосте переменного тока с индуктивно-связанными плечами отношений (рис. 6). Он предназначен для измерения параметров датчика по трехточечной схеме включения с параллельно схемой замещения, где GД = 1/ RИ. Его схема включает трансформатор напряжений ТН, операционный усилитель ОУ с малым входным сопротивлением, не оказывающим влияния на токи, протекающие через датчик, образцовую постоянную емкость CO и образцовую активную проводимость GO. Уравновешивание моста осуществляется с помощью декадных переключателей П1 и П2 (их может быть и три пары).

К его достоинствам относятся: трехточечная схема подключения датчика, прямое измерение СД и GД датчика с погрешностью их измерения не более ±0,1 %.

УДК 658.2:624.15:621.001.54

ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ
С УПРАВЛЯЕМЫМ ДРОССЕЛЕМ
ПРОМЕЖУТОЧНОЙ КАМЕРЫ НАВЕСНОГО
МОЛОТА ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ
ОБЪЕКТОВ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ
В СТЕСНЕННЫХ ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ

, д-р техн. наук, профессор,
, аспирант
(НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск)

В различных условиях строительного производства выполнение трудоемких видов работ, связанных с разрушением мерзлых и прочных грунтов, осуществляется резанием или ударом с применением специальных видов техники, навешиваемых на различные типы базовых машин. К средствам разрушающего действия относятся фрезерные, дисковые и баровые рабочие органы, навесные клин - и шар-молоты, отбойные молотки, бетоноломы, навесные пневмо - и гидромолоты, клиновые раскалыватели и другие. При выполнении различных видов работ эффективность такого оборудования в стесненных условиях промышленного, гражданского и жилищного строительства зависит от особенностей навески рабочего органа и типа базовой машины [1].

Для разборки строительных конструкций, представляющих собой монолитные кирпичные, бетонные или железобетонные большеобъемные (или большой площади) массивы, применяются средства ударного действия, если производится дробление материала на куски, глыбы или осколки, или расчленяющего, если есть возможность и возникает целесообразность расчленения этих конструкций на блоки или плиты для последующего их применения.

В настоящее время в странах дальнего зарубежья и странах СНГ нашли широкое применение способы рыхления мерзлых и прочных грунтов, разрушения бетонных и железобетонных конструкций с применением гидравлических или пневматических молотов, навешиваемых на различные типоразмеры гидравлических экскаваторов. Несмотря на их эффективность при выполнении вышеприведенных видов работ подобным оборудованием нормативными документами регулярно вводятся нормативные ограничения по требованиям экологии, которые ограничивают их использование по шумовым и вибрационным параметрам.