Понимание 9 типов датчиков силы: руководство по выбору инженеров

Тип тензодатчика — это не выбор продукта, а инженерное решение

В свайных фундаментах мостов, системах поддержки туннелей, проектах безопасности плотин и мониторинге глубоких котлованов стоимость выбора неправильного датчика даже однажды намного превышает экономию от более низкой закупочной цены. Выбор датчика нагрузки заключается не просто в том, «какую марку купить», а скорее в том, «какой физический принцип соответствует моей несущей конструкции». В этой статье рассматриваются девять сенсорных продуктов Kingmach, охватывающих как технологии вибрирующей проволоки (VW), так и технологии дифференциального давления, чтобы помочь инженерам точно подобрать оборудование на основе фактически измеренных физических параметров, таких как сосредоточенная сила, распределенное напряжение, давление поровой воды и уровень воды, и избежать распространенной ошибки выбора датчиков, которые просто «выглядят одинаково».”

Краткий справочник по продукту (быстрый поиск)

Измеренная физическая величина	Рекомендуемый датчик	Основная технология
Сосредоточенная сила — стержень/кабель через отверстие	Полый тензодатчик JMZX-3XXXHAT	VW, Многоколонная кольцевая конструкция
Сосредоточенная сила — прямое сжатие	Твердый тензодатчик JMZX-35XXHAT	VW, многострунная сплошная конструкция
Осевая сила — долгосрочный мониторинг стержней/кабелей	Измеритель осевой силы JMZX-38XXAT	VW, Изоляция напряжения
Осевая сила — Стадия строительства	Измеритель осевой силы опалубки	VW, Прочная конструкция
Распределенное давление грунта	Датчик давления грунта JMZX-50XXAT / 51XXAT	VW, Поверхность, несущая давление большой площади
Поровое давление воды — глубокий слой	Пьезометр JMZX-55XXHAT	Фольксваген, встроенный тип
Уровень воды — проводная смотровая трубка	Измеритель уровня воды JMYC-67XXAD	Дифференциальное давление, RS485
Уровень воды — беспроводная связь / удаленная зона	Измеритель уровня воды JMYC-67XXAWL	Дифференциальное давление, 4G

Сенсорные технологии, стоящие за диапазоном

Две различные сенсорные технологии охватывают этот обширный ассортимент из девяти продуктов. Технология вибрирующей проволоки (VW) лежит в основе всех датчиков структурных сил и пьезометров. Внутри датчика VW натянутая стальная проволока вибрирует с собственной частотой. Деформация окружающего упругого элемента под нагрузкой смещает натяжение проволоки, что приводит к изменению частоты ее колебаний. Это измеримое соотношение частоты и силы составляет основу измерений. Технология VW доминирует в приложениях геотехнического и структурного мониторинга состояния (SHM). Его частотный выход остается полностью невосприимчивым к изменениям сопротивления кабеля, проникновению влаги и электромагнитным помехам (EMI). Эти точные условия часто делают недействительными резистивные тензорезисторы в подземных, погружных и длительных полевых установках.

Второе семейство использует технологию измерения перепада давления. Чувствительная к давлению диафрагма отклоняется под действием гидростатического давления жидкости. Встроенный процессор и 16-битный АЦП преобразуют это физическое отклонение в цифровое значение уровня воды. Эта технология идеально подходит для мониторинга уровня открытой воды. Вентилируемая конструкция кабеля исключает атмосферные помехи, поэтому датчик работает точно при наличии барометрических изменений. Эти датчики выдают беспроводные сигналы 4G или цифровые сигналы RS485 для необслуживаемых удаленных станций и достигают разрешения на уровне миллиметра в трубках уровня воды. Пьезометры с вибрирующей проволокой просто не предназначены для удовлетворения этих особых требований к работе в открытой воде. В конечном счете, базовая технология обеспечивает платформу, но конкретная конфигурация сил проекта определяет точный тип требуемого продукта.

Тип 1 — Твердый датчик силы: структурная вставка сжатия

Твердый тензодатчик непосредственно воспринимает структурную нагрузку, а не просто воспринимает ее.

Путь загрузки: Сила действует на верхнюю опорную поверхность датчика. Затем сила распространяется по всей площади поперечного сечения твердого упругого стального корпуса. Наконец, сила выходит через нижнюю опорную поверхность.

Приложения: Инженеры используют этот тип для контроля опорных опор опор моста и испытаний свай на нагрузку. При испытании сваи полная испытательная нагрузка полностью проходит через тело ячейки. Он также служит для проверки силы гидравлического домкрата при операциях последующего натяжения и контроля сжатия временных сооружений.

Ключевые характеристики: Допустимые нагрузки варьируются от 1000 до 10 000 кН со строгим разрешением 0,1 кН во всем диапазоне. Модели имеют 3-струнную конфигурацию для более низких диапазонов и 6-струнную конфигурацию для более высоких диапазонов. Диапазон рабочих температур составляет от −30°C до +80°C. Агрегат выдерживает перегрузку от 300 до 400% номинальной мощности. Встроенный чип HAT хранит калибровочные коэффициенты, автоматически корректирует температуру и сохраняет 600 записей измерений. Датчик имеет сертификат GB/T 13606-2007.

Жесткая граница: эта ячейка имеет прочную конструкцию без центрального отверстия. Пользователи не могут установить его на какой-либо стержень или кабель, который должен проходить через датчик. Попытка такой адаптации создает эксцентричную нагрузку, которая делает недействительными все записанные измерения.

Тип 2 — полый тензодатчик: монитор анкера со сквозным стержнем

Полый тензодатчик обеспечивает кольцевую конструкцию со сроком службы 50 лет.

Путь загрузки: Датчик имеет кольцевой или кольцеобразный корпус с центральным отверстием. Стержень, болт или сухожилие проходят через это отверстие, не касаясь внутренней стенки. Конструктивная гайка или анкерная пластина опирается непосредственно на кольцевую поверхность. Корпус кольца равномерно сжимается по окружности, а несколько хорд VW усредняют сигнал по всему кольцу.

Приложения: Общие области применения включают контроль предварительно напряженных анкеров и анкеров. Он эффективно измеряет силу троса в мостах и ​​подпорных стенах. Инженеры полагаются на него при мониторинге силы якоря плотин и гидроэлектростанций. Он идеально подходит для мониторинга модернизации существующих конструкций, поскольку не требует разборки элемента конструкции.

Ключевые характеристики: Стандартные нагрузки варьируются от 500 до 8000 кН, хотя остаются доступны и специальные модели. Он использует конфигурацию измерения от 3 до 6 хорд. Расчетный срок службы составляет 50 лет. Такая долговечность обеспечивается многоступенчатым эластичным стальным корпусом с антикоррозийной обработкой, сверхпрочными проводами VW и анкерной сваркой, соответствующей международным стандартам. Встроенный чип HAT активно сохраняет 800 записей измерений. Он имеет двойную сертификацию GB/T 13606-2007 и DL/T 269-2022. Последний является гидротехническим стандартом, который строго обязателен для соответствия проектам плотин и гидроэлектростанций.

Жесткая граница: Кольцевая геометрия требует сквозного стержня правильного размера. Размещение полой ячейки в плоской сборке без сквозного элемента создает неоднородное поле напряжений и дает крайне ненадежные показания.

4. Тип 3 — Измеритель осевой силы: измерение силы троса и стойки с течением времени

Измеритель осевой силы занимает отдельную нишу измерения между твердыми и полыми ячейками.

Путь загрузки: Датчик непосредственно прикрепляется к удлиненному элементу конструкции или зажимается вокруг него. Он активно измеряет составляющую осевой силы вдоль главной оси элемента. Конструкция намеренно изолирует осевую силу от любого изгибающего момента. Стандартная ячейка сжатия не может обеспечить такую ​​критическую изоляционную способность.

Приложения: Он обеспечивает долгосрочный контроль силы троса в вантовых и подвесных мостах, а также в современных системах стабилизации склонов. Он контролирует силу распорок и анкеров в подпорных стенах и глубоких котлованах. Он также обнаруживает релаксацию предварительного напряжения и перераспределение нагрузки в канатных конструкциях в течение срока их эксплуатации.

Ключевые характеристики: В датчике используется вибрирующая проволока в сочетании со встроенным интеллектуальным чипом HAT. Покупатели могут выбрать либо обычный выход VW, либо интеллектуальный вариант цифрового выхода RS485. Выбор просто зависит от длины кабелей и от того, используется ли на объекте автоматический сбор данных.

Почему этот тип важен: В конструкциях с тросовой опорой прогрессивное перераспределение нагрузки, вызванное усталостью троса или износом анкеров, остается невидимым при обычном визуальном осмотре. Измеритель осевой силы генерирует количественные данные о тенденциях. Эти данные точно сообщают инженерам, когда кабель приближается к порогу замены за несколько лет до того, как в конструкции появится какой-либо видимый дефект.

5. Тип 4 — Измеритель осевой силы «умной» опалубки: безопасность нагрузок на этапе строительства

Интеллектуальный измеритель осевого усилия опалубки предназначен для совершенно разных этапов проекта и профиля пользователя.

Путь загрузки: В нем используется тот же принцип измерения осевой силы, что и в модели JMZX-38. Однако инженеры оптимизировали эту версию специально для подпорок временной опалубки, крепления и опалубки. Бригады на объекте неоднократно устанавливают и снимают датчик по мере продвижения строительства на разных этажах или секциях.

Приложения: Он обеспечивает активный мониторинг нагрузки на опоры бетонной опалубки во время масштабной заливки. Он обеспечивает мониторинг креплений в глубоких раскопках, расположенных рядом с уязвимыми существующими конструкциями. Он также обеспечивает необходимый мониторинг опалубки мостов и эстакад на этапе их строительства.

Почему важен мониторинг на этапе строительства: Неисправности опалубки и опалубки входят в число наиболее частых причин фатальных обрушений конструкций во время строительства зданий. Данные об осевых усилиях в опорных стойках в режиме реального времени мгновенно определяют опасное перераспределение нагрузки. Это опасное перераспределение часто происходит из-за неравномерной укладки бетона, тяжелых крановых нагрузок или внезапной осадки фундамента. Датчик обнаруживает эти аномалии задолго до того, как конструкция достигнет порога катастрофического отказа.

Ключевое преимущество: Производитель специально разработал этот датчик для невероятно быстрого цикла установки и чрезвычайно жесткой эксплуатации на активных строительных площадках. Интеллектуальный выход HAT обеспечивает безопасное отображение данных в реальном времени непосредственно на месте без необходимости использования специальной системы регистрации данных.

6. Тип 5 — Датчик давления грунта: измерение распределенного контактного напряжения с грунтом.

Датчики давления грунта решают сложную задачу измерения, которую не может решить ни один другой тип датчика.

Проблема измерения: Почва создает распределенное контактное напряжение по широкой поверхности, а не действует как единая точечная нагрузка. Обычный тензодатчик, размещенный в одной точке, считывает сильно локализованное напряжение только в этой точке. Это локальное значение может быть значительно выше или ниже истинной средней нагрузки на конструкцию. Ячейка давления грунта имеет исключительно большую плоскую поверхность. Эта большая поверхность эффективно усредняет концентрации напряжений, вызванные резким изменением размера частиц, неравномерностью уплотнения и случайным скоплением заполнителей.

Два варианта:

JMZX-50XXAT является стандартной моделью. Он активно контролирует подпорные стены, подземные сооружения, обделку туннелей, насыпи и фундаментные плиты. Он точно измеряет, насколько грунт или наполнитель нагружают конструкцию в течение всего срока службы.

JMZX-51XXAT представляет собой крупную модель, предназначенную для приложений с высокими нагрузками. Инженеры применяют эту модель на насыпях крупных плотин, в кессонах большого диаметра и в зонах насыпи конструкций с высокой нагрузкой. В таких экстремальных условиях площадь поверхности стандартной ячейки будет значительно недооценивать истинное распределение напряжений на глубине.

Вариант суффикса для смарт-банкомата: Этот вариант включает в себя встроенный чип HAT для полностью автоматической коррекции температуры и надежного цифрового вывода. Эта технология остается абсолютно необходимой для глубоко заглубленных ячеек, требующих длинных кабелей. Это также имеет решающее значение на объектах, где наблюдается высокий уровень электромагнитных помех от тяжелых водоотливных насосов или активного землеройного оборудования.

Критическое примечание по установке: Технические специалисты должны точно ориентировать поверхность ячейки перпендикулярно направлению основного главного напряжения. Ячейка, установленная под неправильным углом, измеряет нерелевантную составляющую напряжения, а не конкретное напряжение, которое проектировщик намеревался отслеживать. Эта ошибка остается одной из наиболее распространенных ошибок неправильного применения датчиков давления в полевых условиях.

7. Типы 6 — Мониторинг давления жидкости: пьезометр и измерители уровня воды.

Вода и поровое давление действуют как физические силы на единицу площади. Их измерение, по сути, представляет собой измерение с помощью тензодатчика, применяемого непосредственно к жидкой среде. Этот процесс основан на том же физическом принципе, но использует другой упругий элемент и другую геометрию чувствительности.

Подтип A — интеллектуальный пьезометр с вибрирующей проволокой (JMZX-55XXHAT): Этот прибор измеряет поровое давление воды и динамический напор грунтовых вод в скважинах и стояках с использованием проверенных датчиков VW. Инженеры проектируют его для постоянной встроенной установки глубоко внутри геотехнических образований, таких как фундаменты плотин, насыпи, откосы и отводы туннелей. Он оснащен встроенным чипом HAT с автоматической температурной компенсацией и цифровым выходом RS485. Это абсолютно лучший выбор, когда команды будут закапывать или заливать цементом датчик на постоянное место для мониторинга в течение многих лет или даже десятилетий. Повышение порового давления часто выступает в качестве самого раннего измеримого предвестника катастрофической нестабильности склонов или разрушения фундамента плотины. Это критическое предупреждение появляется за несколько дней или недель до того, как произойдет какая-либо видимая деформация поверхности.

Подтип B — интеллектуальный измеритель уровня воды с широким диапазоном измерения перепада давления (JMYC-67XXAD): Этот узкоспециализированный датчик измеряет давление глубокой фильтрации и точный уровень воды. Бригады устанавливают его в предварительно установленные трубки пьезометра, выпускные отверстия труб сброса давления и скважины на мягком фундаменте. В нем используется передовая технология перепада давления в сочетании с вентилируемым кабелем. Его компактные размеры φ24 мм × 71,5 мм обеспечивают достаточно малые размеры, чтобы его можно было плавно опустить в любую стандартную тубус для наблюдения. Он обеспечивает исключительное разрешение 0,1 мм и точность 0,2% полной шкалы. Он работает через цифровой выход RS485 (9–24 В постоянного тока) и работает в диапазоне температур от –20°C до +80°C. Инженеры выбирают эту модель, когда для установки строго требуется разрешение уровня воды внутри трубы менее миллиметра, а на объекте уже имеется проводное питание наряду с инфраструктурой передачи данных RS485.

Подтип C — встроенный измеритель уровня воды с широким диапазоном перепада давления и 4G (JMYC-67XXAWL): Эта модель представляет собой идеальный вариант автономного полевого развертывания. Он органично объединяет беспроводной DTU 4G, неперезаряжаемую литиевую батарею большой емкости 3,6 В/38 Ач и специальный дисплей для мобильных приложений в очень компактном блоке размером 85 × 85 × 106 мм. Он обеспечивает надежное разрешение 1 мм и строгую точность ±0,1% полной шкалы. Он имеет официальную сертификацию по стандартам GB/T 11828.2-2022. Срок службы батареи варьируется от 5 месяцев с быстрыми 20-минутными интервалами до более 3 лет с 6-часовыми интервалами. Это идеальный выбор для необслуживаемых станций гидрологического мониторинга, удаленного наблюдения за резервуарами и обширных сетей наблюдения за поверхностными и подземными водами, где традиционная сетевая и кабельная инфраструктура остаются полностью недоступными.

Таблица решений по выбору продукта

В рамках крупных программ безопасности плотин инженерные группы обычно используют все три типа давления жидкости одновременно. Они размещают пьезометры VW глубоко внутри затирки фундамента. Они надежно устанавливают измерители уровня воды RS485 внутри трубок пьезометра смотровой галереи. Наконец, они размещают измерители уровня воды 4G точно на водомерных станциях на поверхности водоема. Каждый отдельный датчик обслуживает конкретную точку измерения в одной и той же комплексной сети мониторинга безопасности.

8. Обычный и умный HAT: решение для каждого типа

Каждый ранее упомянутый тип на базе VW поставляется как в обычном, так и в усовершенствованном варианте Smart HAT.

Обычный выход VW выдает необработанный частотный сигнал. Для этого необработанного сигнала обязательно требуется внешний блок считывания или специальный регистратор данных для тщательного преобразования частоты в пригодные для использования инженерные единицы. Он предлагает самые низкие первоначальные затраты на единицу продукции и может похвастаться проверенной надежностью, проверенной на протяжении нескольких десятилетий. Он представляет собой правильный выбор для небольшого количества датчиков, коротких кабелей и старых объектов, на которых уже имеется существующая инфраструктура считывания данных VW.

Выход Smart HAT использует встроенный чип, который доставляет полностью откалиброванные цифровые значения RS485 непосредственно пользователю. Это устраняет необходимость в промежуточном преобразовании сигнала. Температурная компенсация происходит автоматически. Встроенная память эффективно буферизует важные данные, если основное соединение с регистратором обрывается или прерывается. Это правильный выбор для больших массивов датчиков, насчитывающих более 20 приборов. Если взять в качестве примера проект с 50 датчиками в течение 10 лет, то решение Smart HAT по сравнению с традиционной автономной системой может обеспечить примерно 30–40 % экономии на кабелях и каналах регистрации данных, сократить расходы на обслуживание и поездки на месте примерно на 50 %, а также снизить общие затраты в течение жизненного цикла на 20–25 %. Это необходимо для длинных кабелей длиной более 100 метров и высокоавтоматизированных объектов, где сильные электромагнитные помехи от строительного оборудования быстро ухудшают качество стандартных аналоговых сигналов VW.

Уровнемеры дифференциального давления серии JMYC по своей сути являются интеллектуальными. Для этих специализированных инструментов не существует обычного варианта. JMYC-67XXAD выводит стандарт RS485 для проводных автоматизированных систем. JMYC-67XXAWL обеспечивает надежный выход 4G для полностью беспроводного автоматического развертывания. Выбор между ними строго зависит от инфраструктуры объекта, а не от возможностей основных датчиков.

Хотя интеллектуальные датчики стоят дороже за единицу, они значительно снижают общую стоимость владения. Они сводят к минимуму необходимое количество каналов регистрации данных, упрощают сложную проводку и значительно сокращают частоту посещений для технического обслуживания. В стандартной системе мониторинга плотины с 50 датчиками долгосрочная экономия затрат за жизненный цикл в течение 10-летней программы обычно значительно превышает первоначальный аванс.

Правильный тип определяется силой, а не каталогом

Каждый из девяти различных продуктов в этом обширном ассортименте существует потому, что в реальных инженерных проектах существует весьма специфическая конфигурация сил. Правильный тип — это не просто предпочтение продукта; оно остается абсолютной геометрической необходимостью. В серьезных программах структурного мониторинга обычно одновременно используются от трех до пяти различных типов. Полная картина безопасности конструкции по своей сути требует нескольких параметров измерения, а не просто нескольких дублирующих датчиков одного и того же типа.

Вы уже определились с типом несущей конструкции?

[ Посмотреть сплошные/полые тензодатчики ] · [ Посмотреть серию осевых датчиков нагрузки ] · [ Посмотреть серию датчиков давления грунта/пьезометров ] · [ Посмотреть системы мониторинга уровня воды ] · [ Свяжитесь с техническим консультантом Kingmach → ]

Часто задаваемые вопросы

---

Связанное чтение: Твердый или полый тензодатчик: комплексное руководство по инженерному выбору (пути воздействия, типичные области применения и требования к сертификации)