Устройство для компрессионных испытаний грунтов

 

Использование: строительство, исследование физико-механических свойств грунтов. Сущность: устройство для компрессионных испытаний грунтов содержит приводную нагружающую систему с датчиком силы 2 и концевым выключателем 11, механически связанную с одометром 3, преобразователь 8 механических перемещений поршня одометра 3, дополнительную нагружающую систему 12 с датчиком нагрузки, источник 18 питания и опорного напряжения , формирователь 23 требуемой нагрузки, блок 13 настройки, блок 16 памяти начальной нагрузки, блок 22 компенсации, блок 15 вычитания, программно-временной блок 13, переключатель 17, ключи 24 и 25, усилитель 26 и блок 27 управления приводом нагружающей системы. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 02 D 1/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4774395/33 (22) 26.12.89 (46) 15,01.93. Бюл. ¹ 2 (71) Красноярский трест инженерно-строительных изысканий (72) В,Г,Белый, А,П.Елисеев, И.В,Кондаков и

П,А.Перфилов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 838514, кл, 6 01 N 3/08, 1981, Авторское свидетельство СССР № 1186998, кл, G 01 N 3/08, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ (57) Использование: строительство, исследование физико-механических свойств

Изобретение относится.к строительству и может быть использовано при исследовании физико-механических свойств грунтов, связанном с нагружением испытуемого образца и измерением его деформации.

Известно устройство для компрессионных испытаний грунтов, содержащее одометр, укрепленный на столе, нагружающую систему с рамой, рычагом, грузами и приводомдля перемещения груза, измеритель деформации и регистрирующий блок.

Недостатками этого. устройства являются; отсутствие возможности проведения иси ытан ий в реж ме бесступенчатого нагружения образ а, а также низкая достоверность результатов испытаний, обусловленная погрешностями поддержания требуемых значений ступеней нагрузки на образец грунта, поскольку нагрузка на образец создается с помощью рамы, конечного

„„5N „„1788144 А1 грунтов. Сущность: устройство для компрессионных испытаний грунтов содержит приводную нагружающую систему с датчиком силы 2 и концевым выключателем 11, механически связанную с одометром 3, преобразователь 8 механических перемещений поршня одометра 3, дополнительную нагружающую систему 12 с датчиком нагрузки, источник 18 питания и опорного напряжения, формирователь 23 требуемой нагрузки, блок 13 настройки, блок 16 памяти начальной нагрузки, блок 22 компенсации, блок 15 вычитания, программно-временной блок 13, переключатель 17, ключи 24 и 25, усилитель

26 и блок 27 управления приводом нагружающей системы. 3 ил, числа грузов, определяющих ступени нагрузки, и рычага с противовесом, компенсирующим собственный вес рычага и подвески для грузов. В процессе испытаний, в результате просадки образца грунта под действием нагрузки, рычаг отклойяется от исходного горизонтального положения и соотношение горизонтальных проекций плеч рычага изменяется, а следовательно, возникает погрешность в приложении нагрузки на образец.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для компрессионных испытаний, содержащее одо етр, нагружающую систему с управляемым приводом и датчиком силы, связанную механически с одометром, преобразователи перемещения поршня одометра в электрический сигнал, узел обработки входных сигналов, анализатор скоросги деформации, программный блок и блок регистрации.

Основным недостатком этого устройст.ва является низкая достоверность результатов измерений, поскольку отсутствуют средства, обеспечивающие поддержание требуемых значений ступеней нагрузки на образец грунта при его просадке. Кроме того, известное устройство не позволяет проводить испытания в режиме бесступенчатого нагружения образца грунта, т,е. обладает низкой производительностью.

Цель изобретения — повышение точности испытаний.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для компрессионных испытаний грунтов, содер>кащее приводную нагружающую систему с датчиком силы и концевым вь.ключателем и механически связанную с одометром, преобразователь механических перемещений поршня одометра, подключенный к одному из входов блока регистрации и источник питания, снабжено дополнительной нагру>кающей системой, .с датчиком нагрузки, источником анодного напряжения, формирователем требуемой нагрузки, блоками памяти начальной нагрузки и настройки, программно-временным блоком, блоками компенсации и вычитания, переключателем, двумя ключами, усилителем и блоком управления приводом нагружающей системы, причем датчик силы подключен к первому входу блока вычитания и первому входу блока настройки, к второму входу которого подключен датчик нагрузки, выход концевого выключателя привода нагружающей системы подключен к первому входу программно-временного блока, первый выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, первый выход блока настройки подключен к одному из входов блока памяти начальной нагрузки, выход которого подключен к информационному входу переключателя и к второму входу программно-временного блока, второй и третьи выходы которого подключены соответственно к третьему и четвертому входам блока настройки и к входу "нагружение" дополнительной нагружающей системы, второй выход блока настройки подключен к третьему входу про граммно временного блока, четвертые выходы которого подключены соответственно к входу "останов" дополнительной нагружающей системы, управляющем входу блока компенсации, пятому и шестому входам блока насгройкц и к управляющему входу переключателя, выходы которого подключены соответственно к седьмому входу блока настройки и второму в, «х блока вычитания

45 третий выход блока настройки подключен к одному из информационных входов блока компенсации, пятый выход программновременного блока подключен к входу "разгружение" дополнительной нагружающей системы, выход "окончание разгружения" которой подключен к четвертому входу программно временного блока, шестые выходы которого подключены к управляющим входам формирователя требуемой нагрузки, источник.питания подключен к информационному входу первого ключа и одному из входов источника опорного напряжения, другой вход которого соединен с выходом блока компенсации, выход источника опорного напряжения подключен к другому информационному входу блока компенсации и к информационному входу формирователя требуемой нагрузки, выход которого соединен с третьим входом блока вычитания, выход которого подключен к информационному входу второго ключа, управляющий вход которого подключен к седьмому выходу программно-временного блока; восьмой выход которого подключен ко второму входу блока регистрации, выходы ключей через усилитель подключены к блоку управления приводом нагружающей системы

На фиг. 1 представлена принципиальная схема механической системы устройства для компрессионных испытаний грунтов, на фиг. 2 — электрическая блок-схема устройства; на фиг. 3 — схема блока настройки.

Устройство для компрессионных испытаний грунтов включает механическую систему, содержащую стол 1, тензорезистивный датчик силы 2, одометр 3, держатель 4, установленные на столе 1, плиту 5, раму 6 электропривод 7, жестко закрепленные на плите 5, преобразователь 8 механических перемещений поршня в электрический сигнал жестко закрепленный на держателе 4 и касающийся своим измерительным штоком

9 рамы 6, причем соосно штоку 10 электропривода 7 расположены тензорезистивный датчик силы 2 и одометр 3, а электропривод

"7 снабжен концевым выключателем 11, фиксирующим установку штока 10 в крайнее нижнее положение, и дополнительно нагружающую систему 12 с датчиком нагрузки (образцовая силовая машина), Электрическая схема устройства для компрессионных испытаний грунтов содержит программно-временной блок 13, к которому подключены выход преобразователя 8 механических перемещений поршня и выход концевого выключателя 11, блок 14 настройки, блок 15 вычитания, блок 16 памяти начальной нагрузки, переключатель 17, источник IB питания, блок 19 регистрации, 1788144 блок 20 связи с внешними устройствами, источник 21 опорного напряжения, блок 22 компенсации, формирователь 23 требуемой нагрузки, два ключа 24 и 25, усилитель 26 и блок 27 управления приводом нагру>кающей системы, Блок настройки 14 устройства включает ключи 28, 29 и 30, первые входы которых являются первым входом блока 13 настройки, компаратор 31 и ключ 32, первые входы которых являются вторым входом блока 14 настройки,.третьим, четвертым и пятым входами которого являются вторые входы ключей 28, 29 и 30, блок 33 памяти, первый вход которого соединен с выходом ключа

32, а второй — является шестым входом блока 14 настройки, блок 34 вычитания, входы которого соединены с выходами блока 33 памяти и задатчика 35 максимальной нагрузки на образец грунта, компаратор 36, выход которого подключен к второму входу ключа 32, делитель 37 напряжения, соединяющий выход ключа 29 с одним из входов компаратора 36, другой вход которого является седьмым входом блока 14 настройки, выход ключа 28 является первым выходом блока 14 настройки, вторым выходом которого является выход компаратора 31, второй вход которого соединен с выходом блока 34 вычитания, выход ключа 30 является третьим выходом блока 14 настройки. .Устройство работает следующим образом, Образец грунта помещают в одометр 3 и приступают к настройке устройства, При нажатии кнопки "Настройка" программно— временной блок 13 вырабатывает первый управляющий сигнал, который поступает на ключ 24, В результате замыкания ключа 24 на вход усилителя 26 подается напряжение от источника 18 питания и злектропривод 7 начинает перемещать шток 10 в крайнее нижнее положение. В крайнем нижнем положении штока 10 образец грунта, помещенный в одометр 3, полностью разгружен, а на тензорезистивный датчик силы 2 действует начальная нагрузка, равная суммарному весу стола 1, одометра 3 с образцом грунта, держателя 4 и преобразователя механических перемещений в электрический сигнал 8. По сигналу с концевого выключателя 11, фиксирующего установку штока 10

s крайнее нижнее положение, программновременной блок 13 вырабатывает второй управляющий сигнал, который поступает на ключ 28 блока 14 настройки, при этом выход тензорезистивного датчика силы 2 подключается ко входу блока 16 памяти начальной нагрузки. На выходе блока 16 начинает устанавливаться напряжение, численно рав50 силы 2, На сам же тензорезистивный датчик

55 силы 2 в этом случае будет действовать нагрузка, равная требуемой максимальной так как на тензорезистивный датчик силы 2 действует не только нагрузка, создаваемая образцовой силовой машиной 12, но и суммарный вес узлов устройства.

40 ное напряжению на выходе тензорезистивного датчика силы 2 при воздействии на него указанной. выше начальной нагрузки, С выхода блока 16 сигнал поступает на седьмой вход блока 14 настройки через нормально замкнутые контакты переключателя 17 и в программно временной блок 13. В программно временном блоке 13 производится анализ временной зависимости сигнала с выхода блока l6 и после того, как напряжение на выходе блока 16 установится (т,е. по существу, осуществится запись сигнала с выхода тензорезистивного датчика силы 2 при воздействии на него указанной выше начальной нагрузки) блок 13 формируеттретий управляющий сигнал, который поступает нэ ключ 28 и.ключ 29 блока 14 настройки, на вход "нагружение" образцовой силовой машины 12. В результате ключ размыкается, ключ 29 замыкается и напряжение с выхода тензорезистивного датчика силы через делительь 37 напряжения (с коэффициентом деления равном 2) подается на компаратор 36, а образцовая силовая машина 17 начинает монотонно увеличивать нагрузку на стол 1.

Когда величина нагрузки, создаваемой образцовой силовой машиной 12 на стол 1, станет численно равной начальной нагрузке, действующей на тензорезистивный датчик силы 2, сигналы на входах компаратора

36 сравниваются, В момент равенства сигналов на входах компаратора 36 последний вырабатывает управляющий сигнал, переводящий ключ 32 в замкнутое положение.

Ключ 32, выполненный, например, на базе триггера Шмитта, переводится в замкнутое состояние на время, достаточное для записи сигнала с выхода датчика нагрузки образцовой силовой машины 12 в блоке памяти 33.

Сигналы с блока памяти 33 и задатчика 35 максимальной нагрузки на образец грунта подаются на входы блока 34 вычитания, выход которого подключен к одному из выходов компаратора 31. На другой вход компаратора 31 подается сигнал с выхода датчика нагрузки образцовой силовой машины 12, На выходе компаратора 31 сигнал будет равен нулю в момент времени, когда нагрузка, создаваемая образцовой силовой машиной. 12 будет меньше требуемой (по условиям испытания) максимальной нагрузки на величину, равную начальной нагрузке, действующей на тензорезистивный датчик

1788144

В момент равенства сигналов на входах компаратора 31 последний вырабатывает си. нал, поступающий в программно временной блок 13. По этому сигналу блок 13 вырабатывает четвертый управляющий сиг- 5 нал, который поступает на ключ30, ключ 29, блок памяти 33, переключатель 17, блок 22 компенсации и на вход "останов" образцо вой силовой машины 12, В результате рост величины нагрузки, создаваемой образцо- 10 вой силовой машиной 12, прекращается, блок ЗЗ памяти обнуляется, блок 22 переключается к источнику 21 опорного напряжения, ключ 30 замыкается, ключ 29— размыкается, в переключателе 22 нормаль- 15 ко замкнутые контакты размыкаются и замыкаются нормально разомкнутые контакты, при этом напряжение с выхода тензорезистивного датчика силы 2 подается на второй вход блока 22 компенсации, а 20 напряжение смещения с выхода блока 16 подается на второй вход блока вычитания

15.

Пятый управляющий сигнал поступает с блока 13 через интервал времени (относи- 25 тельно четвертого управляющего сигнала), Определяемый временем, необходимым для установки блоком 22 компенсации на выходе источника 21 опорного напряжения сигнала, равного напряжению, подан- 30 ного на второй вход блока 22 компенсации

26. Пятый управляющий сигнал подается на ключ 24, ключ 30, блок 22 компенсации 26 и на вхсд ".разгружение" образцовой силовой машины 12. При этом ключи 24 и 30 размы- 35 каются, блок 22 отключается от источника

21 опорного напряжения, а нагрузка на стол

1. создаваемая образцовой силовой машиной 17 начинает снижаться. После полного снятия нагрузки, создаваемой образцовой 40 силовой машиной 12 на стол 1 устройство подготовлено к испытаниям образца грунта и по сигналу с блока 13 на блок 19 регистрации формируется сигнал о готовности устройства к испытаниям образца. 45

В процессе испытаний требуемое значение вертикального давления на образец грунта, помещенного в одометр 3, задается в виде двоичного кода, подаваемого в виде логических уровней напряжения на инфор- 50 мационные входы формирователя 23 требуемой нагрузки информационных выходов блока 13. В зависимости от двоичного кода; подаваемого на информационные входы формирователя 23 на его выходе устанавли- 55 вается напряжение, величина которого однозначно соответствует определенному значению давления на образец грунта, поскольку значение выходного напряжения формирователя 23 прямо пропорционально величине напряжения, подаваемого íà его вход с выхода источника 21 опорного нап ряжения, а, как было показано выше, в процессе настройки устройства для компрессионных испытаний грунтов напряжение на выходе источника 21 опорного напряжения устанавливается равным напряжению на выходе тензорезистивного датчика силы 2 при. воздействии на него максимальной нагрузки. В случае использования в качестве формирователя цифроаналогового преобразователя выходное напряжение определяется из следующей зависимости:

Uon 4ых =

2л где живых — выходное напря>кение формирователя 23 требуемой нагрузки, . ол — выходное напряжение источника

21 опорного напряжения;

N — двоичный код, подаваемый на икформационные входы блока 23 выраженный в десятичной форме, . и — разрядность цифроаналогового преобразователя, определяемая количеством его информациоккых входов..

Использование цифроаналогового преобразователя в качестве блока 23 позволяет реализовать как ступенчатый, так и плавный режим нагру>кения путем изменения двоичного кода на его информационных входах по требуемому закону.

В начале испытаний образец грунта полностью разгру>кен. Согласно 11рограмме испытаний на информационные входы блока 23 с информационных выходов блока 13 подается двоичный код, соответствующий требуемой величине давлекия на образец грунта. На выходе блока 15 вычитания устанавливается напряжение, пропорциональное разности между величиной нагрузки, действующей на образец грунта в данный момент времени, и требуемой величиной нагрузки на образец грунта, поскольку блоком

16 задается напряжение, соответствующее напряжению на входе тензорезистивного датчика силы 2 при воздействии на него начальной нагрузки (суммарный вес стола t, одометра 3 с образцом грунта. держателя 4 и преобразователя перемещений 8) при полностью разгруженном образце грунта, которое вычитается из текущего значения сигнала с выхода тензорезистивного датчика силы 2, Возможные изменения величины выходного напряжения источника 18 питания, вызванные температурной нестабильностью параметров его электронных компонент не будет влиять на точность под1788144

5

20

30

40

55 дерх.ания давления на образец грунта, так как изменение напряжения источника 18 питания приведет не только к изменению величины сигнала на выходе тензорезистивного датчика силы 2, но и к изменению напряжения на выходе блока 23, который через источник 21 опорного напряжения связан с тем же источником питания 18.

Иными словами, изменения величины выходного напряжения источника 18 питания приведут к одновременному и пропорциональному изменению величины напряжения на выходе тензорезистивного датчика силы 2 и выходе блока 23, причем эти изменения выходных напряжений взаимно компенсируются в блоке 15 вычитания.

После подачи на информационные входы двоичного кода с блока 13 с него не поступает сигнал на ключ 25, переводящий его в замкнутое положение. В результате напряжения, равное разности выходных напряжений тензорезистивного датчика силы

2, блока 16 на вход усилителя 26. Коэффициент усиления усилителя 26 определяет погрешность поддержания требуемого давления на образец грунта и при достаточно высоком значении коэффициента усиления (100 — 1000), эта погрешность составляет десятые доли процента. Напряжение рассогласования, усиленное усилителем 26, подается на вход блока 27 управления. Этот блок предназначен для преобразования усиленного сигнала рассогласования в напряжение или ток непосредственно управляющий электроприводом 7, подключенным к его выходу. Например, если электропривод 7 выполнен в виде электродвигателя постоянного тока с редуктором, то преобразование, осуществляемое блоком 27 сводится к усилению по мощности и, если требуется, по напряжению, По сигналу с блока 27 управления электропривод 7 за счет осевого перемещения штока 10 создает давление на образец грунта через тензорезистивный датчик силы 2, стол 1 с одной стороны и через плиту 5, раму

6 и поршень одометра 3 с другой стороны.

Выходное напряжение тензорезистивного датчика силы 2 изменяется согласно изменению этого давления. Нагрузка на образец грунта, а следовательно, и тензорезистивный датчик силы 2 будет расти до тех пор, пока на выходе блока вычитания 15 напряжение не станет равным нулю. Возможные изменения давления на образце грунта, например, вследствие его просадки под действием нагрузки, отрабатываются с помощью усилителя 26, блока 27 управления и злектропривода 7 таким образом, что выходное напряжение блока 15 вычитания поддерживается равным нулю.

На блоке регистрации отображается ин- . формация о величине давления, действующего на образец грунта, о величине просадки грунта и т,п., поступаемая с блока

13. С помощью блока 20 связи с внешними устройствами к устройству могут быть подключены различные внешние узлы регистрации информации, такие как: алфавитно-цифропечатающее устройство для вывода результатов испытаний на твердый носитель информации, графопостроитель и т,п.

Устройство позволяет повысить точность испытания за счет снижения погрешности при поддержании требуемого значения нагрузки на образец грунта и сократить длительность компрессионных испытаний в несколько раз в режиме бесступенчатого нагружения образца грунта.

Формула изобретения

Устройство для компрессионных испытаний грунтов, содержащее приводную нагружающую систему с датчиком силы и концевым выключателем и механически связанную с одометром, преобразователь механических перемещений поршня одометра, подключенный к одному из входов блока регистрации, и источник питания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности испытаний, оно снабжено дополнительной нагружающей системой с датчиком нагрузки, источником опорного напряжения, формирователем требуемой нагрузки, блоками памяти начальной нагрузки и настройки, программновременным блоком, блоками компенсации и вычитания, переключателем, двумя ключами, усилителем и блоком управления приводом нагружающей системы, причем датчик силы подключен к первому входу блока вычитания и первому входу блока настройки, к второму входу которого подключен датчик нагрузки, выход концевого выключателя привода нагружающей системы подключен к первому входу программно-временного блока, первый выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, первый выход блока настройки подключен к одному иэ входов блока памяти начальной нагрузки, выход которого подключен к информационному входу переключателя и к второму входу программно-временного блока, второй и третьи выходы которого подключены соответственно к третьему и четвертому входам блока настройки и к входу "Нагружение" дополнительной нагружающей системы, второй выход блока

1788144

21О

6

11 настройки подключен к третьему входу программно-временного блока, четвертые выходы которого подключены соответственно. к входу "Останов" дополнительной нагружающей системы, управляющему входу блока 5 компенсации, пятому и шестому входам блока настройки и к управляющему входу переключателя, выходы которого подключены соответственно к седьмому входу блока настройки и второму входу блока вычита- 10 ния, третий выход блока настройки подключен к одному из информационных входов блока компенсации, пятый выход программно-временного блока подключен к входу

"Разгружение" дополнительной нагружаю- 15 щей системы, выход "Окончание разгружения" которой подключен к четвертому входу программно-временного блока, шестые выходы которого подключены к управляющим входам формирователя требуемой нагрузки, источник питания подключен к информационному входу первого ключа и к одному из входов источника опорного напряжения, другой вход которого соединен с выходом блока компенсации, выход источника опорного напряжения подключен к другому информационному входу блока компенсации и к информационному входу формирователя требуемой нагрузки, выход которого соединен с третьим входом блока вычитания, выход которого подключен к информационному входу второго ключа, управляющий вход которого подключен к седьмому выходу программно-временного блока, восьмой вь ход которого подключен к второму входу блока регистрации, выходы ключей через усилитель подключены к блоку управления приводом нагружающей системы.

1788144

Составитель И.Плотникова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M.ÌàêñèìèLUèíåö

Редактор А.Бер

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Óærîðîä, ул.Гагарина. 101

Заказ 55 Тираж Подпйсное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.; 4/5