книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

чувствительности осуществляется переменным сопротивлением R t. С по­ мощью переключателя Т выход прибора может быть отключен от галь­ ванометра и переключен на сопротивление Ra, равное омическому со­ противлению гальванометра. Измерительный канал калибруют, вклю-

Рис. 6.3. Измерительное устройство ИД-2И

а — общий вйд; б — принципиальная схема измерительного канала; / — генера­ торно-усилительный блок; 2 — блок питания; 3 —датчик ДД-10

чая последовательно с рабочей катушкой Lp дополнительную индук­ тивность L3) создающую постоянный разбаланс. Для питания измери­ тельной схемы стабилизированными напряжениями служит специальный блок питания.

Применяя высокочувствительные гальванометры, можно с помощью рассмотренной аппаратуры регистрировать пульсации давления с очень

162

маленькой амплитудой при большом значении статической составляющей. Например, гальванометр ГБ-ІѴ-В-3 (табл. 3.3), подключенный к выходу прибора ИД-2И через сопротивления частотной коррекции, подобранные

соответствующим образом, позволил получать чувствительность по сквоз­ ному тракту 0,02 ати/см.

Датчик давления ДД-б (рис. 6.4), входящий в комплект виброизмерительной аппаратуры ВИ6-5МА (см. § 4.3), имеет гофрированную метал-

лическую мембрану 5 с жестким центром. Индуктивная измерительная система образуется двумя Ш-образными сердечниками 8 из трансформа­ торного железа, на которые намотаны рабочая 7 и компенсационная 9 катушки. Якорь преобразователя 6 в виде круглой пластинки из мягкой стали жестко соединен с центром мембраны. Сердечник компенсационной катушки замкнут стальной пластинкой. Штуцер 4 имеет резьбовое со­ единение с головкой датчика и может быть снят. Для установки датчика

163

гистрации волнового и взвешивающего давления на плиты крепления откосов земляных плотин, волнового давления на затворы водосливных плотин, а также для измерения пульсации давления в водопроводящих трактах гидросооружений [124].

Кроме индуктивных датчиков, широко распространены также датчики давления с проволочным тензометрическим преобразователем. При изго­ товлении таких датчиков часто используют серийно выпускаемые мембран­ ные тензорезисторы (табл. 5.1), которые наклеивают на внутреннюю по­ верхность мембраны, выточенной как одно целое с корпусом датчика.

Расчет мембраны датчика несложен {2, 50].

В исследованиях морских гидротехнических сооружений с успехом используется датчик с тензометрическим преобразователем большой мощ­ ности, выполненным по схеме полного моста и питаемым постоянным

Рис. 6.5. Схема установки для статической градуировки измерителей пульсации давления

током [245]. Измерительная диагональ моста включается непосредственно на гальванометр. В этом датчике упругий элемент заключен внутрь корпуса прибора и соединен с жесткой площадкой, воспринимающей измеряемое давление. Последняя изолирована от внешней среды метал­ лической гофрированной оболочкой. Датчик отличается простотой кон­ струкции и высокой надежностью. Однако большие габариты (диаметр около 200 мм) несколько затрудняют установку его на сооружении.

Измерители пульсации давления допускают, кроме регистрации пере­ менной составляющей давления, также измерение осредненного статиче­ ского давления по стрелочному прибору. Однако привязка осциллогра­ фической кривой переменной составляющей давления к определенному абсолютному уровню всегда вызывает значительные трудности (за исклю­ чением случаев, когда датчик находится в зоне переменного уровня жид­ кости и его приемная часть время от времени обнажается). Это обстоя­ тельство необходимо иметь в виду, если хотят получить значения полного избыточного давления с учетом переменной составляющей (например, при исследовании динамического воздействия волн на гидросооружения).

Градуировка измерителей пульсации давления обычно производится статически на специальных установках, работающих на сжатом воздухе. Схема такой установки показана на рис. 6.5. Сжатый воздух, находя­ щийся в ресивере 2, через трехходовой кран 3 подается в камеру с гра­ дуируемыми датчиками 6. Давление в камере измеряется с помощью

164

ртутного 4 или водяного 5 манометров. Процесс градуировки заклю­ чается в ступенчатом изменении давления, снятии показаний стрелоч­ ного прибора на измерительном устройстве и измерении отклонений луча на ^экране осциллографа. По тангенсу угла наклона линии, спрямляю­ щей экспериментальные точки в пределах линейного участка, определяют коэффициент чувствительности измерителя давления кй как отношение давления к величине показаний стрелочного прибора или к отклонению луча осциллографа.

Некоторые измерительные устройства снабжаются системой электри­ ческой калибровки каналов, позволяющей учитывать относительное из­ менение чувствительности электрической схемы, не прибегая к градуи­ ровке прибора давлением. Например, для электрической калибровки изме­ рительного канала с включенным и сбалансированным индуктивным дат­ чиком (см. рис. 6.3) создается разбаланс путем подключения к одному из плеч мостовой схемы постоянной индуктивности. Возникающее при этом отклонение стрелочного прибора или луча осциллографа — так на­ зываемый контрольный сигнал — фиксируется. В дальнейшем всякое из­ менение в электрической части измерителя вызовет пропорциональное изменение величины контрольного сигнала. При наличии описанной си­ стемы производят калибровку всех измерительных каналов как при гра­ дуировке, т. е. при определении коэффициента чувствительности ko, так и после каждого измерения давления.

Если регистрирующим прибором является осциллограф, то контроль­ ные сигналы по всем каналам последовательно записывают на осцилло­ грамму сразу после каждой записи пульсации давления. Приведенный коэффициент чувствительности k для каждой осциллографической кривой

где хо — контрольный сигнал, полученный при градуировке;

X — контрольный сигнал, полученный при записи пульсации давления. В настоящее время появились установки, позволяющие производить динамическую градуировку измерителей пульсации давления (см., напри­

мер, работу 191]).

Предложены и реализованы устройства, допускающие выполнение

В таких устройствах внутренняя полость датчика давления герметично соединяется с трубопроводом, который используется также для прокладки соединительного кабеля. Противоположный конец трубопровода выводят в доступное место и оснащают образцовым манометром, краном со шту­ цером для подачи воздуха в трубопровод и герметичным выводом со­ единительного кабеля.

С помощью такой системы можно выполнить градуировку измери­ теля давления. Для этого, нагнетая воздух через штуцер в трубопровод, увеличивают ступенями давление во внутренней полости датчика и фик­ сируют показания регистрирующего прибора. Этот метод градуировки особенно ценен в случаях установки датчиков давления на длительное время в подводные части гидротехнических сооружений.

§ 6.2. ДАВЛЕНИЕ В ГРУНТЕ И ПОД ПОДОШВАМИ ФУНДАМЕНТОВ СООРУЖЕНИЙ

При натурных динамических исследованиях гидросооружений, изу­ чении распространения упругих волн в грунте, динамических испыта­ ниях фундаментов и пр. зачастую необходимо регистрировать нормаль­

165

§ 7.1. ГРАДУИРОВКА ВИБРОГРАФОВ НА ВИБРОСТЕНДАХ

Экспериментальное определение чувствительности, амплитудно-ча­ стотной, фазочастотной и амплитудной характеристик виброизмерительного прибора, который в дальнейшем для краткости будем назы­ вать «виброграф», может быть выполнено на градуировочном вибро­ стенде.

Наибольшее распространение для градуировки выбрографов в диа­ пазоне частот 0,2—100 гц получили эксцентриковые и электродинамиче­

триковых стендах вращательное движение вала привода преобразуется в возвратно-поступательное движение вибростола с помощью эксцен­ трикового механизма (иногда с применением уменьшительных рыча­ гов). В электродинамических стендах используется мощный электро­ динамический преобразователь, питаемый переменным током, частота и сила которого могут изменяться заданным образом. В табл. 7.1 при­ ведены основные технические характеристики некоторых серийных электродинамических градуировочных вибростендов.

Ранее выпускались эксцентриковые градуировочные вибростенды ВУТ-300/6 (заводом «Виброприбор», Таганрог) и ВИП (Опытным за­ водом СО АН СССР, Новосибирск), позволявшие градуировать вибро­ датчики весом до 12 кг на частотах от 0,2—5 до 80—100 гц. Характе­ ристики этих стендов даны в работе [197].

В СССР и за рубежом промышленностью выпускаются в большом ассортименте испытательные вибростенды, предназначенные для испы­ таний приборов и оборудования на вибропрочность и виброустойчи­ вость (технические характеристики некоторых образцов также приве­ дены в табл. 7.1). Использование указанных стендов для градуировки вибрографов возможно, хотя при этом возникает ряд трудностей, обус­ ловленных конструкцией испытательных стендов: недостаточно точный контроль амплитуды,, непостоянство амплитуды перемещения при из­ менении частоты, иногда значительный коэффициент нелинейных иска­ жений и пр. [125]. Поэтому при выборе вибростендов для градуировки вибрографов предпочтение должно быть отдано специально для этого предназначенным градуировочным вибростендам [1, 218,261]. В случае не­ обходимости градуировки на электродинамическом стенде вибродатчика, вес которого превышает предельную нагрузку на рабочий стол дан­ ного стенда, можно частично разгрузить подвеску рабочего стола виб­ ростенда с помощью механического, электромагнитного или пневмати­ ческого устройства [199]. Иногда приходится считаться с возможностью появления в зоне рабочего стола вибростенда паразитных магнитных

167

168

полей, наводимых самим стендом. Для борьбы с такого рода поме­

хами применяют специальные размагничивающие катушки и эк­ раны [103].

Выпускаемые отечественной промышленностью градуировочные и испытательные электродинамические вибростенды не рассчитаны на воспроизведение гармонических колебаний с частотой менее 1 гц. За­ дача воспроизведения инфранизкочастотных колебаний (0,1—25 гц) с большими амплитудами (до 500 мм) решалась в отдельных несерий­ ных образцах градуировочных вибростендов путем использования спе­ циальных механизмов, преобразующих вращательное движение в воз­ вратно-поступательное [105, 150, 261], астатического маятника с плоскими консольно закрепленными вертикальными пружинами [89], контрпри­ вода, понижающего число оборотов эксцентрикового стенда, физиче­ ского маятника большой (порядка 3 м) длины, а также другими спо­ собами.

Градуировочные вибростенды устанавливают на первом этаже или в подвальном помещении на отдельном фундаменте, опирающемся на грунт, вдали от мощных источников вибрационных помех: компрессо­ ров, молотов и т. п. Недопустимо монтировать вибростенды на втором этаже и выше. После установки вибростенда и до пуска в эксплуата­ цию необходимо экспериментально определить его основные метро­ логические характеристики [113, 243]. В дальнейшем градуировочный вибростенд должен поверяться один раз в год [144]. Ниже даются ре­

в зависимости от их положения измеряют и вертикальные, и горизон­ тальные колебания, можно градуировать и на вертикальном (рабочий стол совершает колебания в вертикальном направлении), и на горизон­ тальном вибростендах (рабочий стол совершает колебания в горизон­ тальном направлении). Используемое при градуировке направление ко­ лебаний не влияет на результаты при условии равенства собственных

ниям удобства работы более предпочтительны вертикальные вибро­ стенды.

Датчик вибрографа устанавливают на рабочем столе вибростенда таким образом, чтобы центр тяжести датчика находился над середи­ ной рабочего стола. Крепление вибродатчика к столу с горизонталь­ ной поверхностью необходимо лишь в случае, если расчетное значение амплитуды ускорения стола превысит 0,7g для вертикального и 0,2g для горизонтального вибростенда.

Если собственная частота вибродатчика регулируется, то перед градуировкой ее устанавливают с точностью 2%, равной принятому номинальному значению /і. В дальнейшем в процессе измерения виб­ рации сооружений принятый номинал /і сохраняется. К вибродатчику присоединяют те элементы измерительного тракта («штатный» провод, канал аттенюатора, гальванометр и т. д.), которые образуют опреде­ ленный канал, используемый при измерениях вибрации.

Чаще всего с помощью градуировочного вибростенда определяют амплитудно-частотную характеристику вибрографа. В этом случае про­ цесс работы на градуировочном вибростенде заключается в ступенча­ том изменении частоты колебаний рабочего стола, измерении его амплитуды перемещения (скорости, ускорения) и осциллографирова-

169

ние амплитудно-частотной характеристики от ее среднего значения не превышает 5-Р 10%.

Как правило, аттенюатор индукционного вибрографа обеспечивает несколько ступеней чувствительности. Снятие амплитудно-частотной характеристики на градуировочном вибростенде выполняют на каком-то одном пределе измерения, выбор которого определяется в первую оче­ редь техническими характеристиками вибростенда и необходимостью получения осциллографической записи с достаточной амплитудой (же­ лательно, не менее 15—20 мм).

Если при всех положениях аттенюатора коэффициент связи вибро­ графа о2^0,1 (см. § 4.1), то АЧХ не определяют при других ступенях

Рис. 7.1. Пример АЧХ вибрографа (вибродатчик ВЭГИК+ гальванометр ГБ-ІП-3 осциллографа ПОБ-12М+шунтовая коробка ШК-2), определен­ ной экспериментально на градуировочном вибростенде

чувствительности, а ограничиваются лишь экспериментальной проверкой коэффициентов загрубления ß при некотором фиксированном зна­ чении частоты в середине рабочего диапазона частот вибрографа. На градуировочном графике указывают номинал чувствительности (коэф­ фициент загрубления), при котором производилась градуировка, а также остальные номинальные и фактические коэффициенты загрубления. Если же при некоторых положениях аттенюатора ог>0,1, то дополнительно необходимо снять АЧХ на этих ступенях чувствительности. Для пояс­ нения формы представления результатов градуировки на рис. 7.1 при­ веден пример АЧХ! вибрографа, определенной экспериментально на виб­ ростенде.

При определении амплитудной характеристики вибрографа ампли­ туду перемещения (скорости, ускорения) рабочего стола меняют сту­ пенями, сохраняя фиксированной частоту. Рекомендуется получить не менее пяти точек, равномерно расположенных в амплитудном диапа­ зоне для данного предела измерений. Если виброграф имеет несколько пределов измерения (ступеней чувствительности), то линейность про­ веряют только на двух пределах — самом грубом и самом чувствитель­ ном. Поскольку системы гальванометрической регистрации обладают хорошей линейностью, к определению амплитудной характеристики вибрографа прибегают редко.

171