Электромагнитный метод контроля расположения металлической арматуры опор контактной сети при смешанном армировании

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 элементопора 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 — 22 904. 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 математическойстатистики. 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 способанепосредственного измерения частоты магнитного поля. Определены особенности электромагнитных процессов в арматуре опорпри 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 арматурыразработка принципов построения электромагнитных датчиковалгоритм измерения и обработки данных определения толщины защитного слоя бетона при смешанном армированиитехнические 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 накопленияТкрит — 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 = ОДг 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, чтобыпогрешность 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-ЫИинформативной 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).

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 — 22 904. 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 измерениемпереход 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 50 300 тыс. руб. в год.