автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Электромагнитный метод контроля расположения металлической арматуры опор контактной сети при смешанном армировании

0У46

На правах рукописи ЬЬЪС

ЦАРЬКОВ АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

-¿Г'^ту

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МЕТОД КОНТРОЛЯ РАСПОЛОЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРМАТУРЫ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПРИ СМЕШАННОМ АРМИРОВАНИИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

- 9 ДЕК 2010

Москва-2010

004616392

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Овласюк Владислав Яковлевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Вологин Владимир Анатольевич

кандидат технических наук Прямицын Алексей Анатольевич

Ведущее предприятие - Московский государственный университет путей

сообщения (МИИТ)

Защита диссертации состоится «21» декабря 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ») по адресу: 107996, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 10, зал Учёного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ОАО «ВНИИЖТ».

Автореферат разослан 2010 ]

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в адрес института.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

Д.В. Ермоленко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Оценка несущей способности железобетонных опор контактной сети необходима для обеспечения надежного электроснабжения подвижного состава и безопасности движения поездов. Для определения состояния и несущей способности о пор особое значение имеют такие параметры как толщина защитного слоя бетона и диаметр стальной арматуры. Толщина защитного слоя бетона определяет долговечность конструкций, а диаметр и марка стальной арматуры в значительной степени влияют на несущую способность железобетонных опор контактной сети, и, следовательно, на надежность опор контактной сети. Поэтому весьма актуальным является разработка метода контроля положения стальной арматуры по сечению железобетонных опор контактной сети.

В настоящее время известно несколько методов контроля положения стальной арматуры в бетоне, среди которых наибольшее распространение получили электромагнитные методы контроля толщины защитного слоя бетона и диаметра арматуры. Однако, эти методы, обладающие простотой и возможностью применения в полевых условиях, обладают существенным недостатком и имеют ограниченное применение. Этот недостаток состоит в том, что существующие электромагнитные методы позволяют определять толщину защитного слоя бетона и диаметр арматуры только при стандартном расположении стержней арматуры в сечении конструкций и одинаковом диаметре и марке стали стержней. В некоторой степени этот недостаток при нестандартном расположении стержней может частично преодолен за счет построения тарировочных зависимостей с использованием фрагментов арматурного каркаса конструкций.

Однако отмеченная сложность практически непреодолима при применении в конструкциях смешанного армирования, предполагающего использование в конструкциях арматуры разных диаметров и марок стали и расположенных в сечении на расстояниях между собой, при которых сказывается их взаимное влияние при использовании существующих методов электромагнитных измерений.

Именно к таким конструкциям со смешанным армированием относятся применяемые в настоящее время на электрифицированных железных дорогах опоры контактной сети. В данных опорах использовано проволочное армирование из высокопрочной арматуры, расположенной во многих случаях случайным образом, и стержневое армирование. Поэтому при таком армировании неприемлемыми становятся существующие электромагнитные методы. Об этом со всей очевидностью подтвердила практика контроля положения арматуры в опорах при осуществлении выходного контроля опор на участках обновления контактной сети.

Цель работы.

Основной целью диссертационной работы является достоверное определение толщины защитного слоя бетона (расстояние от внешней поверхности железобетонных опор до металлической арматуры) и диаметра арматуры железобетонных опор контактной сети со смешанным армированием.

Задачи исследования.

Задачами исследования являются разработка электромагнитного метода контроля положения арматуры опор контактной сети при смешанном армировании, разработка и выбор наиболее эффективных способов электромагнитных измерений, методик расчетов, алгоритмов, выбор и обоснование целесообразных частотных диапазонов электромагнитного поля, а также создание устройства, определяющего толщину защитного слоя бетона при смешанном армировании.

Объект исследования.

Объектом исследования являются железобетонные опоры контактной сети со смешанным армированием.

Предмет исследования.

Электромагнитный метод контроля толщины защитного слоя бетона и диаметра арматуры железобетонных опор контактной сети.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием алгоритмов и методов математической статистики. Количественные оценки, настройка и тестирование систем и алгоритмов измерений проведены с помощью современных средств автоматизации

вычислений. Использованы также методы экспериментальных исследований опытных образцов.

Научная новизна работы:

• Выбран и предложен способ и устройство, позволяющие измерять толщину защитного слоя бетона и диаметр стальной арматуры при смешанном армировании, основанный на использовании способа непосредственного измерения частоты магнитного поля. Определены особенности электромагнитных процессов в арматуре опор при измерении электромагнитным методом;

• разработаны и предложены методы построения электромагнитных датчиков для способа непосредственного измерения частоты электромагнитного поля при определении расположения металлической арматуры железобетонных опор контактной сети;

• установлен частотный диапазон измерений для определения положения и состояния арматуры различных диаметров;

• предложен алгоритм проведения измерений и методика обработки данных для определения толщины защитного слоя бетона и состояния металлической арматуры железобетонных опор контактной сети, заключающийся в использовании калиброванной прокладки и проведении измерений на низкой и высокой частоте с последующей математической обработкой.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена теоретическим обоснованием и экспериментальной проверкой материалов исследований.

Практическая ценность. Предложенный способ, устройство и методика позволяет достоверно оценить положение арматуры в железобетонных опорах контактной сети, что исключает использование опор с нарушенной толщиной защитного слоя и насыщение сети бракованными опорами.

За счет достоверного определения толщины защитного слоя бетона опор достигается уменьшение эксплуатационных затрат.

Результаты, выносимые на защиту:

Достоверное определение состояния и расположения металлической арматуры железобетонных опор контактной сети:

• теоретические и экспериментальные результаты по разработке способа и прибора определения толщины защитного слоя бетона и состояния арматуры;

• разработка принципов построения электромагнитных датчиков;

• алгоритм измерения и обработки данных определения толщины защитного слоя бетона при смешанном армировании;

• технические требования к созданию прибора.

Апробация работы. Основной материал диссертации представлен в научных докладах, которые обсуждались на:

• научных конференциях молодых учёных и аспирантов ВНИИЖТ в 2005, 2006 и 2008 годах, г. Щербинка;

• научно-технических советах комплексного отделения Тяговый подвижной состав и электрификация ВНИИЖТ, в 2003 - 2008 годах, г. Москва.

Публикации

По результатам исследования опубликованы б печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК Минобрнауки России - 2.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного удержания, заключения, списка литературы в составе 35 наименований. Диссертация изложена на 62 страницах основного текста, содержит 26 шсунков, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дроведен анализ состояния вопроса, определены цель и основные задачи ¡(¡следований.

В первой главе проанализирована специфика электромагнитных процессов в арматуре железобетонных опор контактной сети при измерении •лектромагнитным методом.

Отмечено, что электромагнитный метод определения толщины защитного лоя бетона и расположения арматуры в конструкции основан на физических влениях, возникающих в ферромагнитных материалах под действием [временного магнитного поля. Показано, что углеродистые стали, из которых зготавливается арматура, являются магнитотвердыми ферромагнитными

материалами. При перемагничивании ферромагнитного материала в нед совершаются необратимые процессы, на которые расходуется энергш намагничивающего источника.

Проведен анализ существующих технических решений, основанных ш использовании электромагнитного метода измерения толщины защитного слоя бетона и диаметра арматуры в железобетонных конструкциях.

Показано, что в настоящее время для измерения толщины защитного слто бетона и диаметра арматуры наибольшее распространение получили электромагнитные методы, реализуемые в Российской Федерации в строительной индустрии в основном с помощью прибора ИЗС - 1 ОН (измеритель защитного слоя). За рубежом подобные методы реализуются с помощью приборов фирмы "Ргосек" Швейцарского производства.

Анализ электромагнитных методов, используемых как в приборе ИЗС - ЮН, так и в приборе фирмы "Ргосек", показал, что эти методы являются эффективными только при выполнении определенных условий.

В качестве таких условий принимается, что должна быть известна марка примененной для железобетонной конструкции стали, а стержни арматуры должны располагаться на расстоянии между собой, при котором исключается взаимное влияние на показания приборов, т.е. в случаях, когда конструкция удовлетворяет ГОСТ - 22904.

Исходя из приведенных условий, отмечено, что ни один из применяемых электромагнитных методов определения толщины защитного слоя бетона и диаметра арматуры не может обеспечить требуемую точность определения толщины защитного слоя бетона в опорах контактной сети со смешанным армированием. Показано, что это связано со следующими обстоятельствами:

• расположение арматурных стержней, проволочного каркаса в сечении заранее неизвестно;

• арматурные стержни, проволочная арматура располагаются на близком расстоянии друг от друга и оказывают взаимное влияние на показания приборов;

• измерения проводятся при колебаниях температуры окружающей среды.

Для преодоления отмеченных обстоятельств и выбора направления

создания электромагнитного метода определения толщины защитного слоя

бетона и диаметра арматуры в опорах со смешанным армированием проведен анализ возможных способов совершенствования электромагнитного метода. В качестве таких способов рассмотрены:

• пространственный способ со второй приемной катушкой;

• способ измерения, основанный на биениях частот электромагнитного поля;

• способ повышения частотного диапазона преобразователей для измерения толщины защитного слоя бетона.

На основании рассмотрения пространственного способа со второй приемной катушкой отмечено, что в данном способе используется две катушки - излучающая и приемная. Показано, что расположение катушек должно быть таким, чтобы в отсутствии вблизи излучателя (передающей катушки) проводящих конструкций, магнитное поле, создаваемое излучателем, проходило через приемную катушку, не создавая на ней эдс. Указано, что при внесении в контур «передающая - приемная катушка» проводящих конструкций магнитное поле искажается и на приемной катушке наводится эдс, соответствующая количеству металла в объекте (рис. 1). Установлено, что данный способ затруднителен в использовании, т.к. требует балансировки контура перед каждым измерением, обладает малой устойчивостью от помех и практически не пригоден для измерения толщины защитного слоя бетона опор со смешанным армированием.

Рисунок 1 - Возможные варианты взаимного расположения катушек: а-соосное размещение, б - размещение с перпендикулярными осями.

1 - направление потока,

2 - катушки датчика,

3 - проводящая конструкция

б)

Отмечено, что второй способ, использующий биения частот, основан на оценке разностной частоты между генератором и колебательным контуром. В

этом способе изменение выходной частоты указывает на изменение частоты управляемого генератора под действием электромагнитной связи между металлическим предметом и катушкой датчика. При этом показано, что данный способ обладает серьезным недостатком - необходимостью точно настраивать перед каждым измерением генератор с постоянной частотой и по этой причине не пригоден для измерения толщины защитного слоя бетона опор в нолевых условиях.

Проанализирован также третий способ измерения толщины защитного слоя бетона, основанный на измерениях на повышенных частотах преобразователя. Данный способ является частным случаем способа электромагнитных измерений, основанного на биениях частот. Отличие данного способа состоит в непосредственном измерении частоты. При этом колебательный контур реализуется за счет емкости и катушки, которые могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Преимущества данного способа состоят в том, что не требуется точной настройки частоты перед каждым измерением; переход на другие частоты относительно прост в технической реализации.

Показано, что при применении данного способа возможно получить достаточно высокую помехоустойчивостью с помощью необходимых датчиков. Отмечено, что данный способ обеспечивает наибольшую точность определения толщины защитного слоя бетона опор при смешанном армировании конструкций.

На основании проведенного анализа был выбран способ непосредственного измерения на повышенных частотах преобразователя.

Во второй главе рассмотрена модель преобразования геометрических характеристик арматуры в электрические сигналы.

Рассмотрен металлический проводник, помещенный во внешнее переменное магнитное поле с заданной частотой/(рис. 2).

индуктивности. 1 - индукционный датчик, 2 - металлический стержень, 3 - виртуальная катушка индуктивности (точками показаны силовые линии магнитного поля)

Рисунок 2 - Взаимодействие датчика со стержнем. Виртуальная катушка

Показано, что магнитное поле, проникая внутрь проводника, индуцирует в нем переменное электрическое поле, а последнее в свою очередь вызывает появление в нем токов Фуко. При этом магнитное поле проникает в глубь металлического проводника на расстояние 5, порядка величины (Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, 1982):

где с - скорость света в вакууме, м/с; а - проводимость, См; / - частота магнитного поля, Гц.

То же самое относится и к индуцируемым магнитным полем электрическому полю и току.

В представленной модели активная часть стержня, пронизываемого силовыми линиями поля, заменяется на условную катушку индуктивности. При этом входная индуктивность будет пропорциональна квадрату диаметра стержня D и длины активной части стержня /'

Отмечается, что схема взаимодействия датчика со стержнем может быть описана с помощью схемы замещения, аналогичной схеме замещения

(1)

(2)

воздушного трансформатора (рис. 3, а). Для данной схемы взаимная индуктивность М, Гн выражается с помощью уравнения (К.А. Круг, 1952):

м = (3)

где к - коэффициент связи; Ь| - индуктивность датчика, Гн; Ь2 - индуктивность отрезка арматуры, Гн.

Рисунок 3 - Взаимодействие излучающей катушки с отрезком арматуры: а - схема замещения; б -схема замещения, приведенная к первичному напряжению датчика

н }

б)

(4)

Для принятой схемы замещения получены уравнения для первичного и вторичного контуров:

г\[х+Л' к Л

(г, + г„ +г,)-/2 -(-/х2 -/2 Л/ ■/, = 0.

Решением системы уравнений относительно //, получено значение тока в схеме замещения, приведенное к первичному напряжению датчика:

и,

, ч ггг2-Л/2-(г„+г„+гг)2 / , пт ■ М -а■ Ь2

(5)

Исходя из полученного выражения установлено, что со стороны первичной обмотки вся схема может рассматриваться как двухполюсник (рис. 3, б) с сопротивлениями г/ + г„„ и х/ + хеи, где _ ат2 -М1 -(г„ + г, +гг) .

А,,. = -

(гл+г,+п)2+(ет.1г)3 та1 -Мг -Ь,

(6) (7) (В)

где г„„ и хт являются вносимыми (из второго контура в первый) активным и реактивным сопротивлениями.

Таким образом, индуктивность отрезка арматуры представляет геометрические характеристики арматуры: диаметр В и длину /'.

Первичное преобразование заключается в отображении диаметра стальной арматуры и толщины защитного слоя бетона (расстояние от внешней поверхности железобетонных опор контактной сети до металлической арматуры) в виде вносимых активного Дг/ и индуктивного Дх сопротивлений датчика электромагнитного поля.

Непростая задача измерения этих величин может быть решена, если использовать вторичное преобразование. Вторичное преобразование может быть осуществлено с помощью ЬС колебательного контура.

Величинами, характеризующими работу колебательного контура, являются: резонансная частота, величина напряжения на элементах контура и фазовый сдвиг между током, подводимым к контуру, и напряжения на нем. Эти сигналы могут быть измерены и обработаны для получения диаметра стальной арматуры £> и толщины защитного слоя бетона Н. Основными из этих величин является резонансная частота колебательного контура, которая изменяется в зависимости от степени приближения датчика к металлическим конструкциям и в зависимости от их объема (в нашем случае диаметра стальной арматуры).

Также выбор резонансной частоты определяет основополагающее влияние одного из факторов (расстояние от датчика до мишени или диаметра проводящих конструкций). На низких частотах, согласно уравнению глубины проникновения магнитного поля, магнитное поле проникает в проводник на большую глубину и, соответственно, в большей степени оказывает влияние диаметр проводника. И, наоборот, на высоких частотах в большей степени оказывает влияние расстояние до объекта измерений, вследствие вытеснения потока к внешней поверхности проводящих конструкций за счет вихревых токов, создаваемых данным потоком.

Для получения достоверного результата (толщины защитного слоя бетона и диаметра стальной арматуры) необходимо разработать алгоритм обработки данных полученных в результате измерения.

Алгоритм обработки сигналов, полученных при реальном измерении, базируется на наборе функциональных экспериментальных зависимостей величины сигнала Гц при различных расстояниях между датчиком и

поверхности арматурных стержней Н, мм для различных диаметров стержней Д мм. Эти функциональные зависимости представлены на рис. 4. Поскольку фактические величины диаметров стержней могут не совпадать с набором эталонных, в процессе цифровой обработки сигналов возникают задачи интерполяции. Исходными данными для алгоритма являются: значение толщины защитного слоя бетона на высокой резонансной частоте колебательного контура, эталонные данные, измеренные величины (сигнал при непосредственном измерении расстояния), (сигнал при измерении расстояния, увеличенного на толщину калибровочной прокладки) и толщина калибровочной прокладки #„. Результатами обработки являются толщина защитного слоя бетона и диаметр арматуры.

Рисунок 4 - Зависимости сигнала от толщины защитного слоя бетона при различных диаметрах стальной арматуры опор контактной сети

Н, мм

Обработку данных, полученных при измерении необходимо проводить в

следующей последовательности (по примеру рис. 4).

1. Выбираем исходный диаметр арматуры 02 (выбор проводится по толщине защитного слоя бетона, определенного на высокой частоте электромагнитного поля и сигналу 6'|„).

2. Из набора функциональных экспериментальных зависимостей берем значения Я, соответствующее ближайшим меньшему и большему значениям сигнала ,!>,„ (на пример, рис. 4 - значения ,94 и 55 , значения Я3, Я4).

3. Определяем значения результирующих толщин Нь,р и Я,Ч1 соответствующие

И

Я,„ = ЯЗ + ($1 и -54); Яг„„ + -55)

55-54

4. Определяем приращение

Л" = я21ф-я|ир.

56-55

(9)

(10)

5. Определяем разность значений толщины калибровочной прокладки и приращения расчетных толщин АН.

Я„-ДЯ = Д. (11)

6. Сравниваем А с предельно допустимым значением Д„рюп (предельно допустимое значение устанавливается в зависимости от требуемой точности измерения).

7. Если Д5ДПР1Ш„ , то результаты расчетов В = 92,Н = . И расчет толщины

защитного слоя бетона и диаметра стальной арматуры железобетонных опор контактной сети закончен (при необходимости возможно уточнить полученные результаты в соответствии со второй частью алгоритма, описанного ниже).

8. Если А > Д,фло„, то заменяем текущий диаметр (в нашем случае 02) на ближайший меньший диаметр (оз).

9. Повторяем пункты 2+8 пока не выполнится условие пункта 7.

Возможно уточнение результатов измерения путем выбора среднего

диаметра между эталонными (Дг.з) согласно рис. 5 с использованием

калибровочной прокладки.

Рисунок 5 - Зависимость сиг-

нала от толщины защитного слоя бетона с уточнением результата измерения

Нм„ Htb.Hn* Яга* Н, ММ

Для этого необходимо провести следующие расчеты. 1. Вычисляем значения расстояний от датчика до арматуры без и с приложением калибровочной прокладки соответственно

I 0,! ~

+ "3|„Р. 2 0,3 ~-

(12)

2. Определяем О05

(13)

3. Вычисляем разность расчетной толщины защитного слоя бетона с

4. Проводим сравнение Д с толщиной калибровочной прокладки.

Разница по модулю не должна превышать допустимую погрешность измерения в. В этом случае переходим к пункту 6. Если |Д - Я„ | > е, то переходим к пункту 5.

5. Проверяем знак, полученный в пункте 4.

Если разность положительна, то повторяем пункты 1+4 при делении "левых" отрезков пополам (при этом £>г присваивается значение О05). Если разность отрицательна, то повторяем пункты 1+4 при делении "правых" отрезков пополам (при этом 03 присваиваемаем значение О0 5)

6. Результаты расчетов - диаметр арматуры £> = £)0 5, толщина защитного слоя бетона Я = Я, „ 5.

Третья глава посвящена аппаратурной реализации процедуры измерения.

Немаловажным критерием процедуры измерения является критическое время измерения, ограниченное временем реакции оператора. Если критическое время существенно больше времени реакции человека 0,1 с), то это приводит к раздражению, утомлению и как следствие, к ошибкам измерений. Учитывая эти обстоятельства, критическое время принято в диапазоне т =0,1 + 0,3 с.

Для измерения частоты колебательного контура предложен способ с заполнением периода синусоиды колебательного контура более высокой частотой. Начало измерений происходит с момента прихода на процессор положительного или отрицательного фронта выпрямленной синусоиды колебательного контура (рис. 6). Частота колебательного контура // с этого момента заполняется частотой дополнительного генератора

калибровочной прокладкой и без Я2 0 5 - Я, 0 5 = А

(14)

Рисунок 6 - Заполнение измеряемого периода частоты магнитного поля частотой дополнительного генератора

При данном варианте измерения погрешность составит

Р -Ш, %, (15)

где t„ - фактическое время измерения частоты колебательного контура, с;

t„' - время измерения частоты колебательного контура процессором по отрицательному (или положительному) фронту, с.

Максимальная погрешность измерения при данном способе измерения частоты приближается к одному периоду заполняемой частоты (теряется последний период). Для того, чтобы погрешность измерения частоты составляла 0,1-^-0,01% (максимальная погрешность измерения толщины защитного слоя бетона не более 5 %), необходимо иметь время измерения, согласно уравнения 15, при заполняемой частоте 10 кГц tH = 0,2 + 2 сек. Это время составляет 40 + 400 периодов синусоиды основной частоты колебательного контура (при частоте 200 Гц).

Продолжительность измерения можно уменьшить вдвое с неизменностью погрешности, если проводить измерения частоты по положительному и отрицательному фронтам одновременно.

Данный способ подходит под критерий критического времени измерения.

Также на точность измерения оказывает большое влияние расположение составляющих элементов и геометрия датчика. Геометрия датчика должна быть целесообразна для данного типа "мишени" и данного способа электромагнитного диагностирования.

сгт::)

н

у__; Н

О

н

12

о

а)

б)

в)

Рисунок 7 - Варианты взаимодействия датчика с исследуемым объектом: а -

схема с параллельными осями катушки и отрезка арматуры; б - схема с перпендикулярными осями; в - схема с катушкой датчика размещенной на

полуторе

На рис. 7, а представлена схема с параллельными осями расположения излучающей катушки и отрезка арматуры. При этом часть потока, достигающего арматуры, мала (поток ненаправленный), но длина магнитных силовых линий в отрезке арматуры (длина активной части арматуры) достаточно велика.

Кроме схемы с параллельными осями можно представить еще схему с перпендикулярными осями (рис. 1, б). При такой схеме обеспечивается малое расстояние от датчика до металлической арматуры, соответствующее толщине защитного слоя бетона Н и направленность магнитного потока, что дает больший магнитный поток, который достигает арматуру, но вместе с тем сокращается длина магнитных силовых линий в ней.

Положительные свойства, присущие первым двум схемам, могут быть объединены, если катушку датчика разместить на полуторе, рис. 7, в. Выбор диаметра катушки 0[ позволяет управлять магнитным потоком, а минимизируя расстояние до арматуры - уменьшить приборные, конструктивные потери (нем больше расстояние до арматуры, тем больше добавочная толщина защитного слоя бетона, тем ниже выходной сигнал и, соответственно, больше погрешность измерения). Выбор радиуса полутора позволяет задавать длину катушки.

В железобетонных опорах контактной сети имеется поперечная проволока и монтажные кольца, которые оказывают негативное влияние на

результат измерений. Поэтому для уменьшения негативного влияния длину катушки желательно иметь кратной шагу спирали (.1 = 100 мм). Наиболее целесообразно при измерениях (после позиционирования датчика катушки относительно арматуры опоры) датчик размещать так, чтобы обвивка проходила перпендикулярно и посередине датчика катушки, так она оказывает наименьшее негативное влияние на измерение (рис. 8).

Катушка датчика (полутор) 2 вариант

Металлическая обвивка

Катушка датчика /(полутор) 1 вариант Металлическая арматура

Рисунок 8 - Наиболее целесообразное размещение датчика на опоре контактной сети

Для создания гармонических колебаний электромагнитного поля была разработана схема генератора с повышенной добротностью контура (рис. 9). Известно, что добротность контура определяется как (К.А. Круг, 1952):

<аЬ

2/. =

(16)

где £ - индуктивность колебательного контура, Гн; а> - частота колебательного контура, 1/с. Для получения высокой добротности следует уменьшить эквивалентное сопротивление схемы

г^ + ^ + И,,, (17)

где ^ - сопротивление контура, Ом; Г^ - сопротивление источника, Ом; Я„ - сопротивление нагрузки, Ом.

•>5 В

возбуждением

На выходе схемы за счет использования эмитерного повторителя уменьшается выходное сопротивление. Также, для увеличения добротности контура на входе включен шунтирующий резистор Л| (уменьшает Л;), который служит для более точного возбуждения генерирования. Два каскада усилителя обеспечивают усиление выходного сигнала и возбуждение схемы генератора.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований.

В результате экспериментальных исследований было выявлено, что чувствительность магнитного поля арматуры тем выше, чем ниже частота колебательного контура (см. рис. 10, по трем вариантам измерения _/}=5700 Гц, ^2=650 Гц,//=285 Гц). В тоже время при измерениях на высоких частотах (до 10 кГц) несмотря на то, что чувствительность датчика уменьшается, влияние диаметра стальной арматуры на измерение защитного слоя бетона резко снижается (вследствие вытеснения потока к внешней поверхности арматуры за счет вихревых токов, создаваемых данным потоком).

Рисунок 10 - Зависимость сигнала с датчика от толщины защитного слоя

бетона

В настоящее время на опорах контактной сети установлены стержни из ненапрягаемой арматуры с диаметрами от 10 (Е>2) до 16 (Б,) мм. В данном случае влияние конструкции датчика определяет точность измерений. Также подтверждено, что при большей добротности контура точность измерений возрастает.

При измерениях на низких частотах (до 1 кГц) в большей степени начинает сказываться диаметр арматуры. При этом имеется возможность по предварительной оценке (на высокой частоте) толщины защитного слоя бетона достаточно точно определять диаметр стальной арматуры, а также методом последовательных приближений уточнять результат измерений.

В пя той главе приведен расчет экономического эффекта.

Экономический эффект от снижения поступления железобетонных опор контактной сети с отступлением по защитному слою бетона от ГОСТ - 22904 составит 13500 тыс. руб. в год. При этом экономический эффект от срока службы опор составит 37800 тыс. руб. в год на сеть дорог ОАО «РЖД».

Кроме того, исключаются случаи отказов в виде падений при выработке ресурса железобетонных опор контактной сети. В случае такого отказа

стоимость эксплуатационных расходов составляет в среднем 1 млн. руб. на один отказ.

Выводы по работе

1. Определено, что особенностью существующих приборов контроля положения и диаметра арматуры в бетоне является то, что они могут эффективно определять толщину защитного слоя бетона и диаметр арматуры только при однородном армировании конструкций. Т.е. в случаях, когда конструкции армированы стержнями одинакового диаметра из одинаковой марки стали и их расположение удовлетворяет ГОСТ - 22904.

2. Показано, что в отношении опор контактной сети использование имеющихся электромагнитных приборов практически не представляется возможным. Это связано, во-первых, со случайным расположением проволок арматурного каркаса по сечению опоры. Во-вторых проволоки между собой имеют случайное расстояние и могут объединяться в пряди неизвестного диаметра. В этих случаях не представляется возможным моделирование арматурного каркаса.

3. Установлено, что наибольшую трудность представляет задача определения толщины защитного слоя бетона железобетонных опор со смешанным армированием, являющихся основным типоразмером на железных дорогах России и СНГ. Трудности связаны со взаимным влиянием арматурных стержней различных марок, диаметров и расположения.

4. Показано, что точное определение положения арматуры в сечении опор, диаметра стержней возможно электромагнитным методом с использованием преобразователя (датчика) со второй приемной катушкой, с использованием эффекта биения частот и путем непосредственного измерения частот магнитного поля на опоре.

5. Установлено, что наиболее эффективным способом определения толщины защитного слоя бетона в опорах является способ непосредственного измерения частоты колебаний магнитного поля создаваемого катушкой датчика при взаимодействии с опорой. Данный способ обеспечивает наибольшую точность определения толщины защитного слоя бетона при смешанном армировании конструкций. Преимущества данного способа также состоят в том, что не требуется точной настройки частоты перед каждым измерением;

переход на другие частоты относительно прост в технической реализации. Также при применении данного способа возможно получение достаточно высокой помехоустойчивости, которая зависит от конструкции датчика.

6. Показано, что смещение резонанса колебательного контура (изменение резонирующей частоты при внесении проводящих конструкций) является основным параметром для определения глубины залегания и диаметра металлической арматуры опор контактной сети.

7. Установлено, что для выявления толщины защитного слоя бетона измерения необходимо проводить на высоких частотах колебательного контура, а для измерения диаметра арматуры - на низких частотах.

8. При измерениях на одной частоте с добротностью контура не менее 1 соотношение емкости и индуктивности измерительной схемы практически не влияет на чувствительность датчика металлической арматуры железобетонных опор контактной сети. Это условие выполняется при идентичных характеристиках датчика. При малых добротностях контура выходной сигнал становится низким, в связи с чем возрастает погрешность измерения.

От величины емкости в генерирующем контуре зависит точность измерения. При малой емкости в результате влияния внешних факторов начинает дрейфовать выходной сигнал в связи с тем, что вносится дополнительная емкость от тела человека, окружающей среды и др., соответственно точность измерения уменьшается.

9. Показано, что для оценки состояния железобетонных опор необходимо измерение частоты резонирующего контура. Использование способа измерения с заполнением периода синусоиды колебательного контура более высокой частотой с использованием положительного и отрицательного фронта заполняющей синусоиды сокращает погрешность и время измерения параметров расположения металлической арматуры железобетонных опор контактной сети.

10. Показано, что для увеличения фактора влияния арматуры на резонанс электромагнитного поля ферромагнитный сердечник катушки датчика должен иметь форму полутора.

11. Экономическая эффективность предложенных решений составляет 51300 тыс. руб. в год на сеть дорог ОАО «РЖД».

Основные положения диссертации изложены в следующих работах автора

Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Царьков A.A. Смещение резонанса колебательного контура при внесении в него металлической арматуры // Вестник ВНИИЖТ, 2004. №5. С. 19...22.

2. Царьков A.A. Контроль положения стальной арматуры в железобетонных опорах контактной сети при смешанном армировании электромагнитным методом // Вестник ВНИИЖТ, 2010. №5. С. 37...40.

Публикации в других изданиях:

3. Царьков A.A. Методы электромагнитного детектирования состояния арматуры железобетонных опор контактной сети // Сборник статей молодых учёных и аспирантов «Вопросы развития железнодорожного транспорта» - М.: Интекст. 2004. С. 43...49.

4. Царьков A.A. Исследование влияния металлической арматуры на резонанс электромагнитного датчика для диагностики железобетонных опор контактной сети // Сборник статей молодых учёных и аспирантов «Железнодорожный транспорт на современном этапе развития. Задачи и пути их решения» -М.: Интекст. 2005. С. 60...67.

5. Царьков A.A. Способы измерения частоты контроллером для электромагнитного метода диагностирования коррозионного состояния и расположения металлической арматуры опор контактной сети и алгоритм обработки сигнала // Сборник статей учёных и аспирантов «Развитие железнодорожного транспорта в условиях реформирования» -М.: Интекст. 2006. С. 162... 166.

6. Царьков A.A. Датчик для диагностирования арматуры железобетонных опор контактной сети электромагнитным методом // Сборник статей молодых учёных и аспирантов «Железнодорожный транспорт на современном этапе. Задачи и пути их решения»-М.: Интекст. 2008. С. 126. ..131.

Подписано к печати 13.11.2010 г. Формат бумаги 60x90. 1/16 Объем 1,5 пл. Заказ 141 Тираж 100 экз. Типография ОАО «ВНИИЖТ», 3-я Мытищинская ул., д.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1. Специфика электромагнитных процессов в арматуре железобетонных опор контактной сети при измерении электромагнитным методом.

1.2. Анализ существующих технических решений основанных на электромагнитном методе диагностировании с учетом специфики железных дорог.

1.3. Способы электромагнитного метода контроля расположения металлической арматуры опор контактной сети при смешанном армировании.

Глава 2. Модель преобразования геометрических характеристик арматуры в электрические сигналы.

2.1 Отрезок арматуры в переменном электромагнитном поле — условная индуктивность.

2.2 Трансформаторная модель взаимодействия датчика переменного магнитного поля с арматурой железобетонных опор контактной сети.

2.3 Параллельный и последовательный колебательные контуры генератора синусоидальных колебаний - вторичные преобразователи сигнала.

2.4 Нормирующий преобразователь, формирование сигнала, унифицированного по виду и диапазону изменения.

2.5 Алгоритм обработки сигналов для определения диаметра стальной арматуры и толщины защитного слоя бетона (на базе двух измерений с калибровочной прокладкой).

Глава 3. Аппаратурная реализация процедуры измерения.

3.1 Сравнение способов измерения частоты (погрешности измерения при применении процессора).

3.2 Электрические характеристики (со, Ь, Я, С0).

3.3. Гипотетическая методика измерений.

3.4. Функциональная схема узлов устройства для определения толщины защитного слоя бетона и диаметра стальной арматуры опор контактной сети.

3.5. Оптимизация положения датчика относительно арматуры и выбор целесообразных размеров датчика.

3.6 Электрические схемы.

3.7 Метрологический подход к измерительной процедуре.

Глава 4. Экспериментальные исследования.

Глава 5. Экономическая эффективность.

Электрифицированные железные дороги играют важную роль в реализации народнохозяйственных задач. Развитие и повышение эффективности работы железнодорожного транспорта требуют бесперебойной работы энергетических систем, обеспечивающих перевозочный процесс, их элементов и оборудования. Среди этих систем важное значение имеет контактная сеть и её наиболее ответственный элемент- опора контактной сети.

На железных дорогах России в настоящее время в эксплуатации находится большой парк опор контактной сети, среди которого основную долю составляют железобетонные опоры.

Состояние и несущая способность этих опор зависит от множества факторов. Среди этих факторов особое значение имеют такие величины как толщина защитного слоя бетона и диаметр стальной арматуры. Толщина защитного слоя бетона определяет долговечность конструкций и ее знание необходимо для прогнозирования и планирования сроков замены опор. Диаметр стальной арматуры в значительной степени определяет несущую способность конструкций.

В предыдущие годы основные усилия научно-исследовательских и эксплуатационных организаций были направлены на поиск эффективных способов оценки прочности бетона опор в различные периоды их эксплуатации и определения целостности арматуры. Разработанные методы и приборы позволили организовать эксплуатацию опор по состоянию бетона и арматуры и уменьшить число неконтролируемых отказов опор. При разработке этих методов и проведении диагностических обследований принималось, что геометрические параметры сечений опор соответствуют требованиям проекта, а отклонения этих параметров находятся в пределах, определенных техническими условиями и стандартами. Вместе с тем опыт эксплуатации показал, что для надежной оценки состояния опор, кроме отмеченных параметров прочности бетона и целостности арматуры, необходимо контролировать также и положение арматуры по сечению опор, её диаметр и количество. Такая необходимость связана с тем, что в процессе изготовления опор в ряде случаев не обеспечивается проектное положение арматуры по сечению. Во многих случаях происходит смещение арматурных стержней, пакетов к внутренней поверхности стенок опор. В результате этого резко уменьшается плечо внутренней пары сил сечения и, соответственно, резко снижается несущая способность опор. Смещение же арматуры стержней и пакетов к наружной поверхности стенок опор, хотя и приводит к некоторому возрастанию несущей способности конструкций, в то же время влечёт за собой не пропорциональное уменьшение долговечности опор. В частности, снижение толщины защитного слоя с 20 мм до 10 мм приводит к уменьшению долговечности опор примерно в 4 раза [2]. Из-за нарушений толщины защитного слоя бетона отбраковывается значительное количество опор как на заводах-изготовителях, так и при входном контроле на дистанциях электроснабжения. В результате теряются огромные материальные, трудовые и финансовые ресурсы.

В настоящее время известен ряд электромагнитных приборов для контроля положения и диаметра арматуры в бетоне [6, 11, 23]. Особенностью этих приборов является то, что они могут эффективно определять толщину защитного слоя и диаметр арматуры только при однородном армировании конструкций. Т.е. в случаях, когда конструкции армированы стержнями одинакового диаметра из одинаковой марки стали и их расположение удовлетворяет ГОСТ - 22904. При нарушении требований данного стандарта по расположению арматуры и марки стали предлагается проводить тарировочные испытания на специальных стендах.

В отношении опор контактной сети использование имеющихся электромагнитных приборов практически не представляется возможным. Это связано, во-первых, со случайным расположением проволок арматурного каркаса по сечению опоры. Во-вторых, проволоки между собой имеют случайное расстояние, могут случайным образом объединяться в пряди неизвестного, диаметра. И в этих случаях не представляется возможным моделировать арматурный каркас. Но наибольшую трудность представляет задача определения толщины защитного слоя бетона при смешанном армировании, когда наряду с проволокой в сечении имеются и стержни других марок стали, чем марка стали проволоки. В этом случае ни один из известных приборов не пригоден для измерения толщины защитного слоя бетона. В тоже время парк опор насыщается опорами со смещенным армированием и требуется инструмент для контроля толщины защитного слоя бетона.

Учитывая сказанное, контроль положения арматуры по сечению опор, диаметра и числа арматурных стержней является актуальной задачей и представляет собой этап диагностики железобетонных опор контактной сети. Её решение позволяет исключить случаи установки опор с пониженной несущей способностью, выявить конструкции уже установленные и имеющие пониженную несущую способность из-за непроектного положения стержней в сечении. Кроме того, решение отмеченной задачи может обеспечить эффективный контроль фактического диаметра арматуры, особенно стержней, и определение остаточного ресурса опор.

Цель работы.

Основной целью диссертационной работы является достоверное определение толщины защитного слоя бетона (расстояние от внешней поверхности железобетонных опор до металлической арматуры) и диаметра арматуры железобетонных опор контактной сети со смешанным армированием.

Задачи исследования.

Задачами исследования являются разработка электромагнитного метода контроля положения арматуры опор контактной сети при смешанном армировании, разработка и выбор наиболее эффективных способов электромагнитных измерений, методик расчетов, алгоритмов, выбор и обоснование целесообразных частотных диапазонов электромагнитного поля,

-■•-. 7 а также создание устройства, определяющего толщину защитного слоя бетона при смешанном армировании.

Объект исследования.

Объектом исследования являются железобетонные опоры контактной' сети со смешанным армированием.

Предмет исследования.

Электромагнитный метод контроля толщины защитного слоя: бетона < и диаметра арматуры железобетонных опор контактной сети.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием алгоритмов и методов математической; статистики. Количественные оценки, настройка и тестирование систем и алгоритмов, измерений проведены с помощью современных средств автоматизации вычислений. Использованы также методы экспериментальных исследований, опытных образцов.

Научная новизна работы:

• Выбран и предложен способ и устройство, позволяющие измерять толщину защитного слоя бетона и диаметр стальной арматуры при смешанном армировании^. основанный: на использовании способа; непосредственного измерения частоты магнитного поля. Определены особенности электромагнитных процессов в арматуре опор; при измерении* электромагнитным методом;

• разработаны и предложены методы* построения электромагнитных датчиков для способа непосредственного измерения . частоты электромагнитного поля при определении расположения металлической арматуры железобетонных опор контактной сети;

• установлен частотный диапазон измерений для определения-положения и состояния арматуры различных диаметров;

• предложен алгоритм проведения измерений и методика обработки данных для определения толщины защитного слоя бетона и состояния металлической: арматуры железобетонных опор контактной сети, заключающийся в использовании калиброванной прокладки и проведении измерений на низкой и высокой частоте с последующей математической обработкой.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена теоретическим обоснованием и экспериментальной проверкой материалов исследований.

Практическая ценность. Предложенный способ, устройство и методика позволяет достоверно оценить положение арматуры в железобетонных опорах контактной сети, что исключает использование опор с нарушенной толщиной защитного слоя и насыщение сети бракованными опорами.

За счет достоверного определения толщины защитного слоя опор достигается уменьшение эксплуатационных затрат.

Результаты, выносимые на защиту:

Достоверное определение состояния и расположения металлической арматуры железобетонных опор контактной сети: теоретические и экспериментальные результаты по разработке способа и прибора определения толщины защитного слоя бетона и состояния арматуры; разработка принципов построения электромагнитных датчиков; алгоритм измерения и обработки данных определения толщины защитного слоя бетона при смешанном армировании; технические требования к созданию прибора.

Апробация работы. Основной материал диссертации представлен в научных докладах, которые обсуждались на:

• научных конференциях молодых учёных и аспирантов ВНИИЖТ в 2005, 2006 и 2008 годах, г. Щербинка;

• научно-технических советах комплексного отделения Тяговый подвижной состав и электрификация ВНИИЖТ, в 2003 - 2008 годах, г. Москва.

Публикации

По результатам исследования опубликованы 6 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК Минобрнауки России - 2 [30, 31, 32, 33, 34, 35].

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного содержания, заключения, списка литературы в составе 35 наименований. Диссертация изложена на 62 страницах основного текста, содержит 26 рисунков, 5 таблиц.

Выводы:

1. Отрезок арматуры под действием поля в датчике трансформируется в условную катушку индуктивности. Величина индуктивности отражает диаметр арматуры и базовый размер катушки датчика поля (по аналогии с соленоидом).

2. Трансформаторная модель взаимодействия излучателя с арматурой дает значения Ах и Лг. Расстояние между излучателем и арматурой отражается коэффициентом связи К. Коэффициент связи тем больше, чем большая часть магнитного потока излучателя достигает арматуру.

3. Непосредственное измерение Ах и Аг осуществить затруднительно, поэтому эти сопротивления с помощью колебательного контура преобразуются в напряжение и, частоту f и фазовый сдвиг между подводимым током и напряжением в контуре Аф.

4. Зависимость сигнала на контуре для разных значений Б и Н может быть представлена семейством кривых.

5. При измерениях с использованием калиброванной прокладки получают два значения сигнала, обработкой которых можно вычислить Б, Нь Н2.

Глава 3. Аппаратурная реализация процедуры измерения

3.1 Сравнение способов измерения частоты (погрешности измерения при применении процессора)

Преобразование аналоговой величины (частоты (времени) — периода колебаний генератора датчика) в цифровую форму обычно осуществляется с помощью счетчиков импульсов. Счетчики могут быть автономными или встроенными в микропроцессор, контроллер, осуществляющий обработку цифровых кодов и управления в соответствии с принятым алгоритмом.

Измерение можно проводить, используя один или несколько периодов колебаний.

Поскольку отклонение величины периода колебаний под действием внешних факторов невелико (единицы или десятые доли процентов), измерение величины одного периода колебаний с приемлемой точностью требует довольно сложного и громоздкого оборудования и неприемлемо в нашем случае.

Однако, точность измерения может быть повышена, если использовать определенное число периодов следования сигнала в соответствии с формулой:

Т-ЬТ)ЫН<Т^ (3.1) где Т— номинальное значение периода;

АТ - девиация (отклонение) периода под действием измеряемых факторов;

Ын - число периодов накопления; Ткрит - критическое время измерения.

Одним из критериев, определяющих критическое время измерения, являются психологические особенности оператора. Если критическое время существенно больше времени реакции (« 0,1 сек) человека, то это приводит к раздражению, утомлению и как следствие, к ошибкам измерений. Учитывая эти обстоятельства, определяем Т = ОД -г 0,3 сек.

Частота измеряется путем измерения процессором количества переходов через 0 синусоиды за определенный отрезок времени. Способы измерения частоты котроллером (микропроцессором): 1. Измерение частоты по положительному или отрицательному фронту синусоиды в колебательном контуре. На рис. 3.1 показан вариант измерения частоты по положительному фронту. При данном варианте измерения, погрешность составит р = о, %,Где (3.2) К

1:и - фактическое время измерения частоты колебательного контура, V — время измерения частоты колебательного контура процессором по отрицательному (или положительному) фронту.

Максимальная погрешность измерения при данном способе измерения частоты приближается к одному периоду (теряется последний период). Для того, чтобы погрешность измерения частоты составляла 0,1 0,01 % (максимальная погрешность измерения толщины защитного слоя бетона не более 5%), необходимо иметь время измерения при частоте 200 Гц 10-100 сек.

Продолжительность измерения можно уменьшить вдвое с неизменностью погрешности, если проводить измерения частоты по положительному и отрицательному фронтам одновременно.

Рисунок 3.1 - Вариант измерения частоты по отрицательному фронту синусоиды

Рисунок 3.2 - Заполнение измеряемого периода частоты магнитного поля частотой дополнительного генератора

2. Способ с заполнением периода синусоиды колебательного контура более высокой частотой. Начало измерений происходит с момента прихода на процессор положительного или отрицательного фронта выпрямленной синусоиды колебательного контура (рис. 3.2). Частота колебательного контура ^ с этого момента заполняется частотой дополнительного генератора {2 При данном варианте измерения, погрешность составит = %, где (3.3) К

1:,, — фактическое время измерения частоты колебательного контура, V — время измерения частоты колебательного контура процессором по отрицательному (или положительному) фронту.

Максимальная погрешность измерения при данном способе измерения, частоты приближается к одному периоду заполняемой частоты (теряется-последний период). Для того, чтобы- погрешность измерения частоты составляла 0,1 н-0,01 % (максимальная погрешность измерения толщины защитного слоя бетона не более 5 %), необходимо иметь время измерения, согласно уравнения 3.1, при заполняемой частоте 10 кГц ^ = 0,2 2 сек. Это составляет 40 400 периодов синусоиды основной частоты колебательного контура (при частоте 200 Гц).

Продолжительность измерения можно уменьшить вдвое с неизменностью погрешности, если проводить измерения частоты по положительному и отрицательному фронтам одновременно.

Данный способ подходит под критерий критического времени измерения.

При выбранных величинах. Т и Т^ можно оценить емкость I разрядность) счетчика Ын.

Таким образом, первый счетчик формирует интервал времени, который с помощью второго счетчика может быть определен с наперед заданной точностью. Следует отметить, что измеряемый интервал состоит их двух составляющих: 1) постоянной Т-Ын=сот1 и 2) переменной АТ-ЫИ -информативной составляющей. Поэтому емкость второго счетчика можно рассчитывать лишь для переменной составляющей и определять ее исходя из разрядности контроллера, осуществляющего обработку цифровой информации. Сейчас широкое распространение получили 8-разрядные микроконтроллеры. Этой разрядности достаточно и для наших целей.

Тогда должно выполняться второе неравенство для выбора измерительного периода:

ДГ-ЛГя=Гюч-ЛГтм5но 7УЮЧ < 28 -1;

3-4)

255

3.2 Электрические характеристики (со, Ь, И, Со)

1) со = Юпром (частота колебательного контура выбирается в диапазоне промышленных частот 1—10 кГц, возможно и менее 1 кГц (мы передаем в мишень энергию, а не сигнал))

2) Индуктивность рассчитывается на диапазон промышленных частот, т.к. для низких частот необходимо взять "большую" индуктивность. "Большая" индуктивность позволяет обеспечить большую энергию колебаний в контуре на резонансной частоте, а следовательно и вектор магнитного поля, достающего арматуру. Но с другой стороны для сохранения частоты колебательного контура с увеличением индуктивности необходимо уменьшать емкость. А емкость ограничена по минимуму, как описано далее.

3) Сопротивление К. желательно иметь небольшое. Чем меньше сопротивление Я, тем больше добротность контура (см. п. 3.6). С увеличением добротности увеличивается устойчивость контура.

4) Емкость Со связана с индуктивностью Ь. Для того чтобы иметь большую индуктивность (при заданной частоте колебательного контура) необходимо уменьшить емкость. Но при слишком маленькой емкости увеличивается погрешность от мешающих вносимых емкостей. Чем больше соотношение вносимых емкостей к емкости контура, тем больше плавает частота электромагнитных колебаний и амплитуда выходного сигнала во время измерения. 5) Необходимо помнить, что "большая" индуктивность увеличивает время переходного процесса (инерционность - задержка снятия показаний, увеличение времени на процедуру измерений).

Геометрические размеры излучателя определяются (обуславливаются):

1) набором сердечников П-образной или полукольцевой формы выпускаемых промышленностью (рынком);

2) структурой арматуры в опоре (диаметр стержня излучателя примерно равен диаметру арматуры);

3) эргономическими требованиями (удобством использования в процессе измерений).

Схемы взаимодействия излучателя с арматурой.

При одинаковых электрических параметрах (I, Ь, г) и геометрических параметрах (1, 8, Н) схема 3 дает наибольшую эффективность (рис. 3.3), т.к. схема 1 использование И ~ — Ф (малая условная индуктивность), А схема 2 использование И « ——ф (номинальная условная индуктивность),

2 лЛ схема 3 использование И « ~Ф (номинальная условная индуктивность).

Рисунок 3.3 - Схемы взаимодействия излучателя с арматурой: 1 - схема с перпендикулярными осями; 2 - схема с параллельными осями катушки и отрезка арматуры; 3 - схема с катушкой датчика размещенной на полуторе

3.3. Гипотетическая методика измерений

Предварительная методика измерений обсуждается с целью выявления необходимых органов управления, отображения, средств обработки задействованных в процессе измерения.

Заключение и выводы

На железных дорогах России в эксплуатации находится большой парк железобетонных опор контактной сети, не имеющих в своей конструкции надежных элементов, предохраняющих от электрокоррозии. Состояние и несущая способность опор зависит от множества факторов. Среди этих факторов особое значение имеют такие величины как толщина защитного слоя бетона и диаметр стальной арматуры. Толщина защитного слоя бетона определяет долговечность конструкций и ее знание необходимо для прогнозирования и планирования сроков замены опор. Диаметр стальной арматуры в значительной степени определяет несущую способность конструкций.

Оценка состояния несущей способности опор контактной сети необходима для обеспечения надежного электроснабжения подвижного состава и безопасности движения поездов.

В процессе изготовления опор в ряде случаев не обеспечивается проектное положение арматуры по сечению. Во многих случаях происходит смещение арматурных стержней, пакетов к внутренней поверхности стенок опор. В результате этого резко уменьшается плечо внутренней пары сил сечения и, соответственно, резко снижается несущая способность опор. Смещение же арматуры стержней и пакетов к наружной поверхности стенок опор, хотя и приводит к некоторому возрастанию несущей способности конструкций, в то же время влечёт за собой не пропорциональное уменьшение долговечности опор. В частности, снижение толщины защитного слоя с 20 мм до 10 мм приводит к уменьшению долговечности опор примерно в 4 раза. Из-за нарушений толщины защитного слоя бетона отбраковывается значительное количество опор как на заводах-изготовителях, так и при входном контроле на дистанциях электроснабжения. В результате теряются огромные материальные, трудовые и финансовые ресурсы.

1. Выполненными исследованиями отмечено, что в настоящее время известен ряд электромагнитных приборов для контроля положения и диаметра арматуры в бетоне. Особенностью этих приборов является то, что они могут эффективно определять толщину защитного слоя и диаметр арматуры только при однородном армировании конструкций. Т.е. в случаях, когда конструкции армированы стержнями одинакового диаметра из одинаковой марки стали и их расположение удовлетворяет ГОСТ - 22904. При нарушении требований данного стандарта по расположению арматуры и марки стали предлагается проводить тарировочные испытания на специальных стендах.

2. Показано, что в отношении опор контактной сети использование имеющихся электромагнитных приборов практически не представляется возможным. Это связано, во-первых, со случайным расположением проволок арматурного каркаса по сечению опоры. Во-вторых проволоки между собой имеют случайное расстояние, могут случайным образом объединяться в пряди неизвестного диаметра. И в этих случаях не представляется возможным моделировать арматурный каркас.

3. Установлено, что наибольшую трудность представляет задача определения толщины защитного слоя бетона железобетонных опор со смешанным армированием, являющихся основным типоразмером на железных дорогах России и СНГ. Трудности связаны со взаимным влиянием арматурных стержней различных марок, диаметров и расположения.

4. Показано, что для точного определения положения арматуры в сечении опор, диаметра стержней возможно электромагнитным методом с использованием преобразователя (датчика) со второй приемной катушкой, с использованием эффекта биения частот и путем непосредственного измерения частот магнитного поля на опоре.

5. Установлено, что наиболее эффективным способом определения толщины защитного слоя бетона в опорах является способ непосредственного измерения частоты колебаний магнитного поля создаваемого датчиком при взаимодействии с опорой при повышеннии частотного диапазона преобразователей. Данный способ обеспечивает наибольшую точность определения толщины защитного слоя бетона при смешанном армировании конструкций.

Преимущества данного способа также состоят в том, что не требуется точной настройки частоты перед каждым измерением; переход на другие частоты относительно прост в технической реализации. Также при применении данного способа возможно получить достаточно высокую помехоустойчивость, которая зависит от конструкции датчика.

6. Показано, что смещение резонанса колебательного контура (изменение резонирующей частоты при внесении проводящих конструкций) является основным параметром для определения глубины залегания и диаметра металлической арматуры опор контактной сети.

7. Установлено, что измерения необходимо проводить на двух диапазонах частот.

При измерениях на высоких частотах (около 10 кГц) несмотря на то, что чувствительность датчика уменьшается, влияние диаметра стальной арматуры на измерение защитного слоя бетона резко уменьшается (вследствие вытеснения потока к внешней поверхности арматуры за счет вихревых токов, создаваемых данным потоком).

При измерениях на низких частотах (до 1 кГц) в большей степени начинает сказываться диаметр арматуры. И имеется возможность при предварительной оценке (на высокой частоте) толщины защитного слоя бетона достаточно точно определять диаметр стальной арматуры. Возможно методом последовательных приближений уточнять результат измерений.

8. При измерениях на одной частоте с добротностью контура не менее 1 соотношение емкости и индуктивности измерительной схемы практически не влияет на чувствительность датчика металлической арматуры железобетонных опор контактной сети. Это условие выполняется при идентичной конструкции датчика. При малых добротностях контура выходной сигнал становится низким и поэтому возрастает погрешность измерения.

От величины емкости в генерирующем контуре зависит точность измерения. Емкость колебательного контура желательно иметь порядка 1 мкФ. При малой емкости в результате влияния внешних факторов начинает дрейфовать выходной сигнал, т.к. вносится дополнительная емкость от тела человека, окружающей среды и др., соответственно точность измерения уменьшается.

9. Установлено, что для оценки состояния железобетонных опор является реализация измерения частоты резонирующего контура. Использование способа измерения с заполнением периода синусоиды колебательного контура более высокой частотой с использованием положительного и отрицательного фронта заполняющей синусоиды сокращает погрешность и время измерения расположения металлической арматуры железобетонных опор контактной сети.

10. Конструктивно показано, что датчик должен иметь форму полутора (сочетает горизонтальное и перпендикулярное положения датчика относительно металлической арматуры) иметь длину кратную шагу поперечной проволоки.

11. Экономическая эффективность составляет 50300 тыс. руб. в год.

1. Anglin М.Е. Металлоискатели с малым потреблением энергии на К/МОП ИС. Электроника № 26, 1977 г., с. 48-49.

2. Бетон и железобетонные изделия. Часть 3. Методы испытаний (конструкций). / Под ред. Т.П. Шаниной. М., Издательство стандартов, 1980.-288-374 с.

3. Быков В.А., Зимаков В.А., Овласюк В.Я., Хальков B.C., Шилов Л.Н.;под ред. В.Я. Овласюка. Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового электроснабжения. — М.: Транспорт, 1974 304 с.

4. Бэрк Г.Ю. Справочное пособие по магнитным явлениям. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 384 с.

5. Вайнштейн A.JL, Павлов A.B. Коррозионные повреждения опор контактной сети. М.: Транспорт, 1988 108 с.

6. Вайнштейн A.JI. Технические средства, разработанные на Московской железной дороге для коррозионных обследований железобетонных опор контактной сети. // Ж.д. трансп. Серия Электрификация и энерг. хоз-во: ЭИУЦНИИТЭИ МПС, 1988. 1-8 с.

7. Герасимов В.Г., Покровский А.Д., Сухоруков В.В.; Под ред. Сухорукова В.В. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 3. Электромагнитный контроль: Практ. пособие-М.: Высшая школа, 1992. -312 с.

8. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов М.: Высшая школа. 2005 - 790 с.

9. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970 - 432 с.

10. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. -М.: "Наука", 1967 368 с.

11. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. — М.: Машиностроение, 1980. 232 с.

12. Журавин Л.Г., Мариненко М.А., Семенов Е.И., Цветков Э.И; подред. Цветкова. Методы электрических измерений: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1990. -288 с.

13. Круг. К.А. Основы электротехники. М.-Л. Государственное энергетическое издательство, 1952. — 407 с.

14. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том 2. Теория поля. — М., "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, 1967.-458 с.

15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том 8. Электродинамика сплошных сред. М.: "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 620 с.

16. Матис И.Г. Электромагнитные преобразователи для неразрушающего контроля. Рига: Зинатне, 1982. 304с.

17. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М. : Стройиздат, 1980. - 536 с.

18. Мэндл М. 200 избранных схем электроники. М.: "Мир", 1980. - 338 с.

19. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Т2. М.-Л., "Энергия", 407 с.

20. Овласюк В.Я., Зимаков В.А., Дубровин В.И. и др.; под ред. В.Я. Овласюка. Интегральные микросхемы в устройствах автоматики и защиты тяговых сетей. -М.: Транспорт, 1985 302 с.

21. Подольский В.И. Железобетонные опоры контактной сети. Конструкция, эксплуатация, диагностика / Труды ВНИИЖТ. М.: Интекст, 2007. - 152 с.

22. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. / Титце У., Шенк К. пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 512 с.

23. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий.

24. Справочник. В 2-х кн. Кн. 2/Под ред. В.В. Ключева. М.: Машиностроение. 1986.-352 с.

25. Сапожников А.Б. Теоретические основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел. . Томск: ТГУ, 1980. — 308 с.

26. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. Карманная энциклопедия студента: Учеб. Пособие для студентов высших и средних специальных учебных заведений. М.: Логос, 2001. - 376 с.

27. Указания по техническому обслуживанию и ремонту опорных конструкций контактной сети. Департамент электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации. -М., ТРАНСИЗДАТ, 2003 г. 88 с.

28. Харкевич A.A. Основы радиотехники. -М., Связьиздат, 1963 — 559 с.

29. Щедрин А.И. Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. М.: Арбат-Информ, 1998. - 160 с.

30. Электротехнический справочник. В Зт. Т. 1 Общие вопросы Электротехнические материалы / Под ред. Профессоров МЭИ. М.: Энергоатомиздат 1985. -488 с.

31. Царьков A.A. Смещение резонанса колебательного контура при внесении в него металлической арматуры // Вестник ВНИИЖТ, 2004. № 5. С. 19.22.

32. Царьков A.A. Контроль положения стальной арматуры в железобетонных опорах контактной сети при смешанном армировании электромагнитным методом // Вестник ВНИИЖТ, 2010. № 5. С. 37. .40.

33. Царьков A.A. Методы электромагнитного детектирования состояния арматуры железобетонных опор контактной сети // Сборник статей молодых учёных и аспирантов «Вопросы развития железнодорожного транспорта» -М.: Интекст. 2004. С. 43.49.

34. Царьков A.A. Исследование влияния металлической арматуры на резонанс электромагнитного датчика для диагностики железобетонных опор контактной сети // Сборник статей молодых учёных и аспирантов

35. Железнодорожный транспорт на современном этапе развития. Задачи и пути их решения» — М.: Интекст. 2005. С. 60. .67.