Инерционный регистратор предельных ускорений

, А,И.Ш 6 - 46,5, кл во СССР4, 1987. ТРАТОР ПР ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(57) Использование: Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено при регистрации ускорений вертикального и горизонтального направлений.Сущность изобретения: инерционный регистратор предельных ускорений, содержащий основание 6, корпус 1 с направляющей 4, защитный кожух 27, маятник в виде инерционной массы на стержне 20, закрепленном в корпусе с упругим сопротивлением качаниюрегистрирующую пластину 25 и стопор 30, снабжен дополнительной инерционной массой в виде втулки 7, подвещенной на вертикально установленных пружинах 9, размещенных в выполненных в б б1795373 3ней отверстиях 8 вокруг центрального отверстия втулки 7, на верхнем и нижнем торцах 12 которой вертикально закреплены разновысокие оснащенные резьбой иглы,двумя дополнительными регистрирующими пластинами, выполненными из фольги и установленными на корпусе перпендикулярно иглам, закрепленной в основании 6 резьбовой пробкой 23 с ввернуть 1 м в нее пальцем 24, при этом кОрпус выполнен в виде цилиндра 2 с верхним и нижним 1 фланцами, выполненными соосными иглам с отверстиями, на которых закреплены дополнительные регистрирующие пластины, маятник размещен внутри цилиндра 2 корпуса, стержень 20 маятника выполнен упругим и закреплен одним концом в верхнем фланце 3 с возможностью регулирования его длины, инерционная масса маятника снабжена иглой 22, установленной соосно стержню 20 с возможностью изменения ее высоть 1, а регистрирующая пластина 25 размещена под маятником и выполнена из фольги в виде ленты, намотанной на палец 24 пробки 23 совместно с разделяющей прокладкой 26, Иглы дополнительной инерционной массы выполнены с двумя параллельными лысками, при этом высота каждой иглы над торцом 12 втулки 7 определена из соотношения Н = Яп.(п - ), где 5 - амплитуда перемещения дополнительной инерционной массы,и - количество игл,- порядковый номер иглы. Палец 24, ввернутый в пробку 23, установлен соосно со стержнем 20 маятника. Превышение витков ленты регистриррощей пластины 25 над острием иглы 22 маятника составляет 2 - 3 мм в пределах амплитуды его перемещения, а над витками разделяющей прокладки 3 5 мм, при этом толщина разделяющей прокладки 26 составляет не более одного диаметра иглы 22 маятника. 3 з.п,флы, 3 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено при регистрации ускорений вертикального и горизонтального направлений, действующих на фундаменты сооружений, а также сами сооружения и на стационарные агрегаты и оборудование.Известны датчики ускорения (акселерометры) с твердой инерционной массой, крепление которой в корпусе прибора осуществляется при помощи торсионов, плоских пружин и т,п.В качестве измерительных преобразователей перемещения инерционной массы относительно корпуса применяются емкостные, индуктивные и другие датчики.Недостатком известных датчиков ускорения является то, что при действии линейных ускорений, не параллельно оси чувствительности датчика, происходит деформация подвеса инерционной массы и соответственно изменяется его осевая чувствительность, что вносит значительную погрешность при измерении ускорений. Это обстоятельство заставляет устанавливать датчики ускорений строго по направлению вектора ускорения (если он известен и исключает возможность фиксировать величину ускорения, когда направление его не известна. Однако практика испытаний зданий, сооружений и их фундаментов настоятельно ставит необходимость измерения не только величины ускорения, но и фактическое на 1015 20 25 30 ниями. правление его действия, Кроме того, существующие датчики ускорения требуют, как правило, наличия электрической системы измерений с усилителями, токопроводами, выпрямителями, регистраторами и постоянного дежурства оператора, В случае, когда необходимо регистрировать ускорения перемещений фундаментов (изделий) в течение продолжительного отрезка времени и произвольного направления, испытания превращаются в дорогостоящий процесс с задействованием большого количества средств и испытателей.В то же время известные механические датчики модуля вектора ускорения, хотя и не требуют электрически зависимой системы измерений, но не дают регистрации направлений действйя ускорения без участия наблюдателя и не обладают достаточной для исследований чувствительность. В указанном датчике модуля вектора ускорения при действии перегрузки происходит разрушение перегородки между полостями сферической емкости и смешивание химических реактивов, результатом чего является изменение их цвета, которое можно наблюдать сквозь прозрачные стенки емкости. Кроме того, известный датчик не обеспечивает регистрацию ускорений одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что необходимо, так как горизонтально направленная волна деформаций грунта всегда сопровождается вертикальными его перемещениями с определенными ускореЗнание фактически действующих ускорений по величине и по направлению обеспечивает обоснованный расчет фундаментов зданий и сооружений, размещаемых в зоне естественно или искусственно вызванных ускорений несущего грунта, что в свою очередь повышает надежность возводимых строительных конструкций и удешевляет их строительство и эксплуатацию,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является инерционный регистратор предельных ускорений, обеспечивающий визуальную регистрацию действия определенного предельного ускорения на обьект, к которому прикреплен регистратор,Регистратор содержит основание, корпус с направляющей, защитный кожух, маятник .в виде инерционной массы, закрепленной на подпружиненном относительно корпуса стержне, регистрирующую пластину и стопор инерционной массы. Пружина оказывает сопротивление колебательному движению маятника при действии на регистратор ускорений ниже заданной величины. На регистрирующей пластине имеется упор, находящийся в зацеплении со стопором инерционной массы и удерживающий пластину в верхнем положении при вертикальном расположении маятника.При воздействии на регистратор перегрузки, несмотря на действие пружины, стопор выходит из зацепления с упором при отклонении маятника, в результате чего регистрирующая пластина освобождается и падает в нижнее положение, регистрируя факт воздействия чрезмерного (предельного) ускорения.Однако известное устройство - инерционный регистратор предельных ускорений обладает следующими недостатками; регистрирует только одну предельную величину ускорения, на которую рассчитан регистратор; не обеспечивает регистрацию направлений действия ускорений (векторов ускорений); не обеспечивает регистрацию ускорений при установке устройства не по направлению действия ускорения(не по оси чувствительности регистратора); не обеспечивает регистрацию действующих одновременно (или последовательно) в двух взаимно перпендикуля рных направлениях ускорений; не обладает возможностью регулирования пределов измерения ускорений. Отмеченные недостатки снижают технологические возможности известного устройства.Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, расширение технологических возможностей путем одновременной регистрации модуля и вектора ускорений в вертикальной и горизонтальной плоскостях.Это достигается тем, что инерционный 5 регистратор предельных ускорений, содержащий основание, корпус с направляющей, защитный кожух, маятник в виде инерционной массы на стержне, закрепленном в корпусе с упругим сопротивлением качанию, 10 регистрирующую пластины и стопор, снабжен дополнительной инерционной массой в виде втулки, охватывающей корпус, подвешенной на вертикально установленных пружинах, размещенных в выполненных в ней 15 отверстиях вокруг центрального отверстиявтулки, на верхнем и нижнем торцах которой вертикально закреплены разновысокие, оснащенные резьбой иглы, Кроме. того, регистратор снабжен двумя дополнительными 20 .регистрирующими пластинами, выполненными иэ фольги и установленными на корпусе перпендикулярно иглам, и закрепленной в основании резьбовой пробкой с ввернутым в нее пальцем, При этом корпус выпол нен в виде цилиндра с верхним и нижнимфланцами, выполненными с соосными иглам отверстиями, а на фланцах закреплены дополнительные регистрирующие пластины.30 Кроме того, маятник размещен внутрицилиндра корпуса, стержень маятника выполнен упругим и закреплен одним концом в верхнем фланце с воэможностью регулирования его длины, инерционная масса ма ятника снабжена иглой, установленнойсоосно стержню с возможностью изменения ее высоты, а регистрирующая пластина размещена под маятником и выполнена из фольги в виде ленты, намотанной на палец 40 пробки совместно с разделяющей прокладкой. Вместе с тем в инерционном регистраторе предельныхускорений, с целью повышения точности измерения, иглы дополнительной инерционной массы выпол нены с двумя параллельными лысками, приэтом высота каждой иглы над торцом втулки определена из соотношения Н = - (и - 1), гдеЯпЯ - амплитуда перемещения дополнитель ной инерционной массы, и - количество игл,1 - порядковый номер иглы. Одновременно с этим, с целью повышения чувствительности регистратора, в нем превышение витков ленты регистрирующей пластины над ост рием иглы маятника составляет 2 - 3 мм впределах амплитуды его перемещения, а над витками разделяющей прокладки 3-5 мм, при этом толщина разделяющей прокладки составляет не более одного диаметра иглы маятника и палец, ввернутый впробку, установлен соосно со стержнем маятника,Расширение технологических возмож- . ностей инерционного регистратора предельных ускорений, достигаемое при 5реализации предлагаемого технического решения, обеспечивает получение фактической картины динамических процессов, действовавших нэ месте установки регистратора, путем одновременной регистрации модуля и вектора ускорений в вертикальной и горизонтальной. плоскостях. При этом регистрируется не одна предельная ускорения (как в прототипе), а целый ряд,предельныхвеличин. Это достигается эа счет получения остаточных устойчивых следов (проколов) дополнительных регистрирующих пластин в виде фольги, закрепленных на корпусе перпендикулярно направлению перемещенияигл, закрепленных на подпружиненной дополнительной инерционной массе, или за счет нанесения остаточныхдеформаций (например, разрывов) на регистрирующей пластине, размещенной под маятником и выполненной в виде спирали из фольги.На фиг. 1 изображен регистратор, вид сверху; на фиг, 2 - сечение А - А на фиг, 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1.Инерционный регистратор предельных ускорений содержит корпус, выполненныйиз нижнего фланца 1, закрепленного на нем сваркой цилиндра 2 и закрепленного на цилиндре 2 верхнего фланца 3 с помощью шпилек 4 с гайками 5, Корпус закреплен на основании б. Между нижним фланцем 1 иверхним фланцем 3 размещена дополнительная инерционная масса, выполненная в виде втулки 7, охватывающей цилиндр 2 корпуса. Втулка 7 выполнена с отверстиями 8 и подвешена относительно корпуса навертикально установленных пружинах 9, размещенных в отверстиях 8 втулки 7, с возможностью перемещения вдоль шпилек 4, установленных также внутри отверстий 8 и выполняющих к тому же функции направляющих. С втулкой 7 пружины 9 соединены с помощью пальцев 10, а с фланцами 1 и 3 с помощью винтов 11. На верхнем и нижнем торцах 12 втулки 7 закреплены вертикальноразновысокие, оснащенные резьбой иглы 13 (ввинчены во втулку), Фланцы 1 и 3 корпуса выполнень 1 с отверстиями 14, соосными с иглами 13. На фланцах 1 и 3 закреплены дополнительные регистрирующие пластины 15 из фольги с помощью плоских колец 16 и винтов 17.Так как фланцы 1 и 3 корпуса и торцы 12 втулки 7 дополнительной инерционной массы параллельны, то дополнительные регистрирующие пластины 15 и иглы 13 10152025 30405055 расположены взаимно перпендикулярно, что необходимо для нормальной работы регистратора.Плоские кольца 16 выполнены с отвер-. стиями 18, соосными с отверстиями.14 фланцев 1 и 3. При вращении игл 13 регулируются высоты расположения их острия над торцом 12 втулки 7, От точности установки острия иглы по высоте зависит точность измерения модуля ускорения, так как каждая игла должна прокалывать дополнительную регистрирующую пластину при определенной величине перемещения инерционной массы. Для удобства вращения иглы 13 и для обеспечения необходимой точности выставки острия игл на острие выполнены две параллельные лыски 19, Все иглы 13 имеют маркировку цифрами (не показана), возрастающими от нуля, В исходном положении втулки 7 относительно фланцев 1 и 3 корпуса одна из игл 13 с каждой стороны втулки 7 установлена с касанием дополнительной регистрирующей пластины 15 и маркирована цифрой "0". Вьсота каждой последующей иглы 13 над торцом 12 втулки 7 определяется из соотношения Н = - (и-),Я и где 3 - рабочий ход дополнительной инерционной массы вверх или вниз; и - количество игл;- порядковый номер иглы, начиная с нулевого.Рабочий ход дополнительной инерционной массы определяется конструктивно в зависимости от геометрических размеров регистратора в целом и в частности от параметров дополнительной инерционной массы и пружин 8, Изменяя количество пружин и (или) их характеристики можно изменять пределы измерений ускорений, действующих в вертикальном направлении,Внутри цилиндра 2 корпуса размещен стержень 20 маятника, выполненный из упругого материала, одним концом неподвижно закрепленный во фланце 3 корпуса, а нэ другом конце стержня 20 закреплена инерционная масса 21 соосно со стержнем 20. В инерционной массе 21 закреплена игла 22 соосно со стержнем 20, с возможностью изменения ее высоты (на чертежах не показано),Неподвижное закрепление стержня 20 во фланце 3 корпуса однако обеспечивает возможность регулирования длины стержня .20, что совместно с выполнением его из упругого материала придает регистратору свойство изменять пределы измерений регистратора в горизонтальной плоскости, В центре основания б ввернута резьбовая пробка 23 с ввернутым в нее пальцем 24, выступающим над торцом пробки 23, Междуиглой 22 маятника и торцом пальца 24 обеспечен зазор, например, равный 1 - 2 мм, что обеспечивается регулировкой высоты иглы 22 и торца пальца 24 при их вращении. На шайбе 23 установлена регистрирующая пластина 25, выполненная из фольги в виде ленты, намотанной на палец 24 совместно с разделяющей прокладкой 26 в виде ленты толщиной не более поперечного размера иглы 22 маятника, то есть не более одного диаметра иглы,Разделяющая прокладка 26 и размеры ее толщины введены в предлагаемое техническое решение с целью повышения чувствительности инерционного регистратора ускорений, Если в качестве регистрирующей пластины принять ленту из фольги толщиной 0,005 мм (фольга для технических целей по ГОСТ 618 - 73), то для снижения усилия разрыва иглой 22 витка фольги необходимо, чтобы каждый из витков намотанной на палец 24 ленты деформировался иглой 22 отдельно и последовательно друг за другом по мере поворота маятника, Это и достигается разделением витков фольги. прокладкой, наматываемой на палец 24 совместно с лентой из фольги регистрирующей пластины 25. При этом необходимая чувствительность регистратора будет соблюдаться при использовании разделяющей прокладки толщиной не более поперечного размера иглы маятника, то есть не более его диаметра. Действительно, при выполнении этого условия каждый следующий виток ленты фольги регистрирующей пластины 25 будет деформироваться иглой 22 при ее поперечном перемещении только при уже явно деформированном предыдущем витке ленты фольги. Чем больше зазор между витками ленты фольги, то есть, чем больше толщина разделяющей прокладки, тем больше перемещение иглы 22 не вызовет деформацию последующего витка фольги после деформации предыдущего витка фольги и тем большая величина ускорения, действующего в горизонтальном направлении, не будет зафиксирована.Необходимая чувствительность регистрации направления действия газимута) ускорения достигается также за счет выполнения ленты из фольги с превышением над острием иглы 22 маятника на 2 - 3 мм. В этом случае при качании маятника вокруг точки его подвеса гвокруг заделки стержня 20 во фланце 3 корпуса) и перемещении инерционной массы 21 с иглой 22 относительно корпуса и основания по некоторой дуге острие иглы 22 не выйдет за пределы высоты витков ленты из фольги и прочертит в них след(прорвет или замнет витки ленты),не встречая значительного сопротивления,которое нарастает с увеличением высотывитков над острием иглы 22. При конструк 5 тивном зазоре 1 - 2 мм между острием иглы22 и торцом пальца 24 превышение верхнейкромки ленты из фольги регистрирующейпластины над витками разделяющей прокладки будет составлять 3 - 5 мм, Такое усло 10 вие выполнения регистрируюЩей пластины25 во взаимосвязи с разделяющей прокладкой 26 обеспечивает свойство регистраторасохранять постоянство контакта иглы 22 срегистрирующей пластиной 25 при обеспе 15 чении минимального сопротивления перемещению инерционной массы 21относительно основания 6 с корпусом 1.С целью уменьшения размеров и весарегистратора, пружины 9 и направляЮщие 420 размещены в отверстиях втулки 7. За счеттакого технического решения размеры регистратора по высоте и его вес сокращеныпрактически вдвое,Для защиты от внешних воздействий25 регистратор снабжен кожухом 27, закрепленным на корпусе с помощью винтов 28,Равнозначность измерений ускорений вгоризонтальной плоскости и достаточностьразмеров регистрирующей пластины в лю 30 бом азимутальном направлении обеспечивается тем, что палец 24, ввернутый впробку 23, установлен соосно со стержнем20 маятника,Закрепление регистратора на месте35 монтажа осуществляется с помощью винтов(на чертеже не показаны), вставляемых вотверстия 29 основания.Инерционная масса 21 зафиксированав корпусе 1 стопорами 30 при навинчивании40 корпуса 1 на основание 6. Этим исключаетсяколебание маятника и деформации витков. ленты регистрирующей пластины 25. Приэтом центрирование корпуса 1 по резьбеоснования 6 осуществляется еще до того,45 как острие иглы 22 войдет в центр спиралирегистрирующей пластины 25, что исключает ее деформации до начала измерений. Дополнительная инерционная масса 50 также зафиксирована от колебаний до начала измерений стопорами 31, что исключает .деформации дополнительных регистрирующих пластин 15.Для ориентации регистратора по азиму ту на основании 6 может быть выбита радиальная риска в любом его месте.Для упрощения установки (снятия) дополнительных регистрирующих пластин последние могут быть выполнены в виде и олуколе ц.10 15 20 25 30 40 50 Работает инерционный регистратор предельных ускорений следующим образом.Перед началом измерений выворачиваются стопоры 30 и 31 до метки на их резьбе и контрятся гайками 32. Регистратор подготовлен к работе,При возникновении колебательного движения грунта (фундамента; агрегата) от землетрясения, взрыва и т.п. основание 6 совместно с корпусом 1 совершают те же горизонтальные и вертикальные перемещения (по амплитуде, частоте, по направлению), что и грунт, на котором закреплен регистратор. При перемещении основания 6 в горизонтальном направлении (а вместе с ним и корпуса 1) инерционная масса 21 маятника, оставаясь в исходном положении, в первое мгновение вызывает упругую деформацию стержня 20 маятника, Вместе с основанием 6 совершает горизонтальное перемещение и регистрирующая пластина 25 относительно иглы 22 маятника, При этом игла 22 прорвет или.замнет витки ленты из фольги регистрирующей пластины 25 в направлении действия ускорения. По длине такого следа можно судить о величине действовавшего ускорения, сравнивая экспериментальные данные с тарировочными.Одновременно основание 6 совместно с корпусом 1 совершает перемещение в вертикальном направлении (вверх или вниз), в то время как дополнительная инерционнаямасса в виде втулки 7, подвешена относительно корпуса 1 на пружинах 9,в первое 35 мгновение останется неподвижной.- Чем, большее по величине действовало ускорение в вертикальном направлении, тем большее относительное перемещение совершит корпус 1 относительно дополнительной инерционной массы, При этом дополнительные регистрирующие пластины 15, совершая вертикальные перемещения совместно с плоскими кольцами 16, фланцами 1 и 3 корпуса будут прокалываться иглами 13, за крепленными на инерционной массе(втулкеЧем большее действовало ускорение в вертикальном направлении, тем большей деформации подвергнутся пружины 9 и тем более короткая из всех иглы 13 проколет дополнительную регистрирующую пластины 15. По порядковому номеру иглы 13, сравнивая результаты измерений с тарировочными, можно определить величину ускорения, действовавшего в вертикальном направлении.Анализ результатов измерений может быть осуществлен прямо на месте установки регистратора после снятия защитного кожуха 27 с корпуса 1 и корпуса с основания 6, предварительно зафиксировав инерционные массы стопорами 30 и 31.Так как основание 6 ориентировано по азимуту, то направление действия ускорения в горизонтальном направлении. легко определить по следам иглы 22 на витках ленты из фольги регистрирующей пластины 25. А по длине такого следа можно определить величину действовавшего ускорения при сравнении полученных следов с тариро.- вочными данными.Таким образом предлагаемый инерционный регистратор предельных ускорений фактически обеспечивает определение модуля и вектора одновременно или последовательно действовавших ускорений в двух взаимно перпендикулярных направлениях (вертикальном и горизонтальном), то есть фактическую картину динамических процессов, происходящих на месте установки регистратора,Предлагаемый регистратор обладает свойством регулирования пределов измерения, что возможно за счет замены пружин 9 на пружины с требуемой характеристикой, а также за счет изменения количества пружин 9. Кроме того, конструкция регистратора допускает замену стержня 20 маятника на другой, с иной жесткостной характеристикой, что вместе с изменением длины стержня при его установке позволяет варьировать параметрами движения инерционной массы 21 и,следовательно;изменять характеристику регистратора в горизонтальном направлении.Реализация изобретения позволит осуществить систематические наблюдения колебательных процессов грунтов, несущих конструкций различных изделий без использования радиоэлектронной аппаратуры, без силового электропитания и без присутствия людей в месте и во время проведения измерений.Полученная информация позволит осуществить обоснованные расчеты фундаментов и агрегатов (систем), что обеспечит их . высокую надежность и безопасную эксплуатацию.Формула изобретения1, Инерционный регистратор предельных ускорений, содержащий основание, цилиндрический инерционный элемент на направляющих, подвешенный на вертикально установленных пружинах в цилиндрическом корпусе, и регистрирующий элемент, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения технологических воэможностей за счет обеспечения одновременной регистрации модуля и вектора ускорений в горизонтальной и вертикальной плоскостях, в него введены стопоры, фиксирующие инерционные элементы, дополнительный инерционный элемент, выполненный в виде маятника, подвешенного относительно корпуса на упругом стержне, с возможностью регулирования его длины, дополнительный регистрирующий элемент, выполненный в виде ленты из фольги и размещенный под мятником, снабженным иглой, установленной соосно стержню с возможностью. изменения ее длины, резьбовая пробка, закрепленная в основании с ввернутым в нее пальцем, и разделяющая прокладка, которая вместе с лентой из фольги намотана на палец, при этом цилиндрический корпус состоит из полой оси, верхнего и нижнего фланцев, а на верхнем и нижнем торцах цилиндрического инерционного элемента,выполненного в виде втулки, охватывающей ось корпуса, вертикально закреплены разновысокие, оснащенные резьбой иглы основного регистрирующего элемента, выполненного в виде пластин из фольги,закрепленных перпендикулярно иглам вверхнем и нижнем фланцах корпуса. в которых выполнены отверстия соосно иглам,причем вокруг центрального отверстия втулки выполнены отверстия, в которых размещены вертикальные пружины.2, Регистратор поп.1,отлича ющийс ятем, что иглы цилиндрического инерционногоэлемента выполнены с двумя параллельнымилысками, при этом высота каждой иглы надторцом цилиндрического инерционного элемента определена из соотношенияН = - п - 1),3игде Я - амплитуда перемещения инерционного элемента;и - количество игл;- порядковый номер иглы.3. Регистратор по и, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что палецввернутый в пробку, установлен соосно со стержнем маятника.4. Регистратор по и, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что превышение витков ленты изфольги над острием иглы дополнительногоинерционного элемента составляет 2-3 ммв пределах амплитуды его перемещения, анад витками разделяющей прокладки 3-5мм, при этом толщина разделяющей прокладки составляет не более одного диаметра иглы инерционного элемента,,Трубчен Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужг з 427 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5