Automatikusan vezérelt Ménard nyomásmérő: Újszerű eszköz a nyomásmérő optimális használatához

Absztrakt

A nyomásmérő teszt egy in situ vezérelt terhelés-alakváltozási teszt, amelyet egy fúrólyuk falán végeznek sugárirányban tágult hengeres szondával. A vizsgálati leolvasások alapján (térfogatváltozás az ellenőrzött nyomás alapján) sík alakváltozási feszültség - alakváltozási görbe nyerhető a talajra.

újszerű

A kezdeti prototípus óta a nyomásmérő tervezése folyamatosan javult, és a nyomásmérő legújabb verzióját, amelyet „automatikus vezérlésű nyomásmérőnek” neveznek, kifejlesztették az ismétlés és a közelítések felhalmozódásának kérdéseinek vizsgálata céljából. Ez a készülék teljesen automatikus és autonóm, és a kezelő utasítása szerint kezeli a vizsgálat minden lépését. Az automatikus vezérlésű nyomásmérő leegyszerűsíti a kezelő munkamenetét, növeli az eredmények megbízhatóságát és lerövidíti a beállítási időt.

Ez a cikk leírja az automatikus vezérlésű nyomásmérőt, és összehasonlítja azt a kézi nyomásmérővel. A cikk első része összehasonlítja a kézi és az automatikus vezérlésű nyomásmérő hiányosságait. A második részben bemutatjuk és kommentáljuk a kétféle nyomásmérő hasonló körülmények között elvégzett vizsgálati eredményeit.

1. Bemutatkozás

A nyomásmérő teszt egy in situ ellenőrzött terhelés-alakváltozási teszt, amelyet egy fúrólyuk falán végeznek sugárirányban kitágult hengeres szondával. A vizsgálati leolvasások alapján (térfogatváltozás az ellenőrzött nyomás alapján) sík alakváltozási feszültség - alakváltozási görbe nyerhető a talajra.

Az első nyomásmérő prototípust Louis Ménard fejlesztette ki 1955 januárjában. Azóta a nyomásmérőt folyamatosan fejlesztették.

Az első A nyomásmérő prototípus, amelyet A típusnak hívnak, egy állandó szivattyúval ellátott kézi szivattyúból és egy nagy, 140 mm átmérőjű szondából áll. Az első modell után az évek során számos prototípust terveztek úgy, hogy jobb anyagokat választottak ki a nyomás alkalmazásához, minimalizálva a közelítéseket, valamint fejlesztették az érzékelőt és a rögzítési rendszert; azaz B, C, D, E, F, G típusok stb. (Cassan 2005).

A G típusú nyomásmérő beágyazott sejtpróbákkal ellátott eszközökre vonatkozik. Az 1965–1966-ban használt GA, GC régi jelölések megfelelnek a G típusával felcserélhető nyomás-térfogat-szabályozóknak. Ezeknek az eszközöknek az esetében a védőcellákat sűrített levegővel fújják fel. A GB nyomásmérő teljesen más kialakítású, két vízzel felfújt védőcellával és két térfogatmérővel.

1984-től a GA-val megegyező nyomásmérőt helyeztek üzembe, azzal a különbséggel, hogy nincs nyomáskülönbség-mérő. Ez utóbbit a kezelő kiszámítja a mérőcellából és a védőcellákból származó mérők által mért nyomásokból. Jelenleg ez a leggyakrabban használt nyomásmérő. Több mint háromezer nyomásmérőt építettek és használtak az összes szóban (több mint száz országban).

A közelmúltban olyan technológiai fejlesztések történtek, mint például az áramkörhöz csatlakozó nyomásmérők, amelyek lehetővé teszik az automatikus adatgyűjtést (Geospad®). Ez a rendszer elektromos rögzítő elemeket tartalmaz, amelyek nyomás- és térfogat-érzékelőkhöz vannak csatlakoztatva.

A nyomásmérő utolsó generációja az elektronikus és az automatikus technológiai fejlődést követi. „Automatikusan vezérelt nyomásmérőnek” hívják, és a vizsgálat során megismételhetőség és a pontatlanságok felhalmozódásának kérdéseire fejlesztették ki. Az ISO 22476-4 szabvány szerint ez a készülék teljesen automatikus, autonóm és kezeli a teszt minden lépését a kezelő által előre kiválasztott módon. Az automatikus vezérlésű nyomásmérő leegyszerűsíti a kezelő munkamenetét, növeli az eredmények megbízhatóságát és lerövidíti az előkészítés idejét.

A cikk első része leírja a kézikönyvet és az automatikus vezérlésű nyomásmérőket. A cikk második része bemutatja a nyomásveszteség korrekciójának folyamatát, amelyet az automatikus vezérlésű nyomásmérő biztosít. Végül bemutatjuk és kommentáljuk a kétféle nyomásmérővel hasonló körülmények között (in situ és mesterséges talajban) elvégzett tesztek összehasonlítását.

2 Kézi Ménard nyomásmérő - G típus

A kézi Ménard nyomásmérő egy CU-ból (vezérlőegység), egy műanyag csőből és egy 3 cellás szondából áll, amelyek lehetővé teszik az ISO 22476-4 és az ASTM D4719-07 szabványoknak megfelelő in situ tesztek elvégzését. A fúrólyukat a fal zavarásának minimalizálása és a furat átmérőjének a kiválasztott szonda méretének megfelelő megtartása érdekében fúrják.

Ménard nyomásmérő központi egység számítógéppel (GeoBOX®) és központi mérőeszközzel (Geospad®) felszerelve

A CU olyan eszközökből áll, amelyek lehetővé teszik az alkalmazott nyomás szabályozását és a térfogatváltozás leolvasását. Tartalmaz egy 800 cm 3 -es mérőcső térfogatmérőt a mérőcella térfogatváltozásainak leolvasásához, a fő- és nyomáskülönbség-szabályozókat, a 0-25 bar és 0-60 bar nyomásmérőket mind a védő, mind a mérő cellákhoz, valamint több szelepet és csatlakozók (1. ábra).

A szondát teljesen védi a gumi burkolat (a talaj merevségétől függően különböző típusok), amelyet a 2 védőkamrában lévő gáz és a mérőkamrában lévő víz felfúj. A különböző sejtek alkalmazott nyomásait a differenciálszabályozó szabályozza, hogy biztosítsák a hengeres alakváltozást a mérőcella mentén, és elkerüljék a kedvezőtlen határállapotokat. A nyomásforrást egy külső nitrogéngázpalack biztosítja.

A nyomásmérő felszerelhető olyan rendszereszközökkel, amelyek lehetővé teszik a vizsgálati eredmények azonnali megjelenítését a központi egység számítógépén (GeoBOX®) és a központi adatgyűjtő eszközökön (Geospad®) keresztül. Lehetővé teszi a vizsgálati adatok és az egyedi vizsgálati körülmények automatikus rögzítését, valamint az adatok változásának vizualizálását a teszt során. A mérés cellájának nyomása, a nyomáskülönbség, a térfogatváltozás, az adagok száma és az idő megjelenik a vizsgálat során. A felvételeket automatikusan elvégezzük 0, 15, 30 és 60 másodperc múlva, optimalizált pontossággal: 0,10 cm 3 a térfogaton és 10 kPa a nyomásokon (az ISO 22476-4 szabvány B eljárásának megfelelően).

A Ménard nyomásmérőbe integrált mérőeszköz (Geospad®) egy vízálló doboz, amely 2 db 0–100 bar nyomásérzékelőt és egy ultrahangos érzékelőt tartalmaz.

A vizsgálat elvégzéséhez fúrólyukat fúrnak a fal zavarásának minimalizálása és az üreg átmérőjének a szonda méretének megfelelő megtartása érdekében. A szondát a fúrólyukba engedik le a kívánt vizsgálati mélységig, és a nyomást egyenlő lépésekben alkalmazzák. A nyomást és a hangerőt a vezérlőegység olvassa le. Amint a szonda a fúrólyukba süllyed a kívánt vizsgálati mélységig, az operátor a nyomást növelve elindíthatja a tesztet a vezérlőegységgel.

2.1 Automatikusan vezérelt Ménard nyomásmérő (Geopac®)

Az automatikus vezérlésű és a kézi nyomásmérő közötti fő különbség a nyomás és a térfogat alkalmazásának módja és mérése.

A védőcella nyomását egy külső henger nitrogéngázának modulációjával hajtják végre, szabályozó nyomásszabályozó és mágnesszelepek segítségével. Két nyomásintervallumot veszünk figyelembe: 0–7 bar, 0,01 bar és 7–100 bar, 0,1 bar pontossággal.

A mérőcellában a víznyomást elektromechanikus eszközökkel hajtják végre, amelyek 24 V-os egyenáramú elektromos motorból és 24 N/m normál nyomatékú reduktorból, epicikloid fokozatú sebességváltóval ellátott nagy arányú sebességváltóból, gömbcsavaros nyomatékból állnak., nyomóerő-továbbító, nyomást továbbító tömítődugattyú stb. Az elektronikus vezérlés lehetővé teszi az elektromos motorhoz tartozó teljesítmény változtatását a fordulatszám vezérléséhez kis felbontású inkrementális kódoló használatával.

Az automatikus vezérlésű nyomásmérő mechanikus része lehetővé teszi az elektromos energia átalakítását a vízkörön alkalmazott munkanyomássá.

A teljesítményteszteket, a működés elemzését és a modell (elektromos és mechanikus) jóváhagyását egy független nemzeti szervezet, a CETIM (Center Technique des Industries Mécaniques, Franciaország) végezte el és tanúsította 2010-ben.

Automatikusan vezérelt nyomásmérő (GéoPAC®)

A teszt elvégzése után a kezelő rögzíti a kezelőegységben a kezdeti paramétereket és a speciális feltételeket, például a furat számát, a vizsgálat mélységét, az első fokozat nyomását stb. Amint a szonda a fúrólyukba süllyed a szükséges vizsgálati mélységig, a vezérlőegység megkezdheti a tesztet. A standard teszt teljes folyamatának minden szekvenciája szintén automatizált: nyomásveszteség, térfogatvesztés, nyomásnövekmény és nyomáslépcsők beállítása. A teljes folyamat során a vezérlőegység számítógépe a képernyőn megjeleníti a tényleges teszt figyelemmel kísérését (progresszió, az eredmények valós idejű megtekintése, vonaldiagram stb.). A kezelő bármikor leállíthatja vagy módosíthatja a teszt előrehaladását a vezérlőegységről.

Az automatikus vezérlésű nyomásmérő 0,05 cm 3 és 0,025 bar pontossággal képes mérni a térfogatot és a nyomást.

2.2 A nyomásveszteség mérésének elve

A nyomásmérő teszt nyomásvesztesége a cső méreteivel és a folyadékkör áramlási sebességével függ össze. A klasszikus Ménard nyomásmérő esetében a szabályozást általában a teszt után hajtják végre. Csak egy automatikus vezérlésű nyomásmérő képes azonnal korrigálni a méréseket, figyelembe véve a nyomásveszteség szabályozását. A nyomásmérés beállítása a két lépés közötti nyomásnövekedéstől függ. Ebben a fázisban a nyomást a következő lépcsőfokig kell növelni egy optimális idő alatt, amely nem haladja meg a 20 másodpercet, megfelelő nyomáskülönbséggel a folyadék- és gázáramkör között.

A szonda nyomáskülönbségére a folyadéknyomás túlbecsülése miatt nem lehet hivatkozni, ha a nyomásveszteséget a vizsgálat során nem veszik figyelembe. Valójában a legközelebbi hidrosztatikus nyomáson, 0,1 MPa célnyomás-különbség és 0,2 MPa nyomásveszteség esetén a szondában a tényleges nyomáskülönbség -0,1 MPa. A nyomásszabályozás erősen megzavaródik a célnyomás körül. Ez a szabályozás általában csökkenti az áramlási sebességet, ha a mért nyomás a beállított pont közelében van, de az áramlási sebesség csökkenése a mért nyomás csökkenését okozza (Arsonnet et al. 2013).

A vezérlés erre a csökkentésre úgy reagál, hogy ismét alkalmazza az áramlást, amelyet a hidraulikus áramkör gerjesztéséig tartó oszcillációs jelenség fordít (Arsonnet et al. 2013).

Kúszás esetén bizonyos szinteken (a szonda fázisának tágulásakor) a folyadékáramkörben az áramlás beállítása szükséges a nyomásállandóság fenntartása érdekében. Ez az áramlás nyomásveszteséget eredményez, amely növeli a szonda nyomását és azt eredményezi, hogy az érzékelő túlértékeli a nyomást. A vizsgálat fő következménye, hogy a szondában a nyomáskülönbséget a folyadéknyomás túlértékelése miatt nem tartják be, és a nyomásszintet nem alacsonyabb nyomáson hajtják végre, amely az ebben a fázisban befecskendezett pillanatnyi áramlási sebesség függvényében változik. Ez az eredmény nyilvánvalóbb egy olyan kalibrációs teszten, ahol a kúszás maximális, és intenzív rezgést okozhat a hosszú csövekkel végzett tesztekben.

Nyomásveszteség az áramlási sebesség függvényében a különböző csőhosszaknál (l = 25, 33, 50, 100 m) (Arsonnet és mtsai 2013)

Ezért a nyomásmérő teszt mindig megköveteli a minimális folyadékmennyiség injektálását a vizsgálat elején és mielőtt a szonda érintkezésbe kerülne a fúrt lyuk falával. Az automatikus vezérlésű nyomásmérő egy automatikus azonosítási eljárásból áll, amely azonnal kiszámítja a hidraulikus kör nyomásveszteségének együtthatóit. Ezt az eljárást, amelyet „nyomásveszteség-kalibrálási eljárásnak” neveznek, a teszt elején az operátor beavatkozása nélkül, a hidraulikus áramlás szabályozásán alapul.

A hidraulikus kör stabilizálása után több „nyomás/áramlás” pontot mértek különböző áramlási sebességekkel (3. ábra). Ezeket a pontokat használjuk a nyomásveszteségek jellemzésére a reprezentatív funkciójuk együtthatóinak kiszámításával. Ezzel a funkcióval korrigálható a folyadékkör nyomásmérése a pillanatnyi áramlási sebesség függvényében.

Ennek a megoldásnak, amelyet kizárólag az APAGEO fejlesztett ki a GéoPAC® automatikus vezérlésű nyomásmérőhöz, számos előnye van, és nagyon érdekes. Valójában integrálódik a tesztbe, és indításkor zökkenőmentesen fut, anélkül, hogy befolyásolná magát a teszt előrehaladását. A nyomásveszteség a teljes folyadékkört lefedi. A bizonyos kúszást jelentő talajnyomásszintek pontossága jelentősen javul abban az esetben, ha a kúszás kezdete és a meghibásodás vége közötti tesztek eredményezik az ismételhetőséget és a pontosságot. Az oszcillációs jelenségeket teljesen csillapítják és ellenőrzik, és az automatikus szabályozás hatékonyabbá és pontosabbá válik.

A ΔP nyomásveszteség a cső hosszának függvényében

Az automatikus vezérlésű nyomásmérő merevségét az alkalmazott nyomás és a megfelelő befecskendezett térfogat arányában határozzuk meg. Az injektált térfogat alacsony nyomáson (több tíz cm 3) fontos; mivel nagy nyomás esetén az injektált térfogat nagyon alacsony (kevesebb, mint 1 cm 3). Algoritmust fejlesztettek ki az injektált térfogat bármely pillanatban történő szabályozására és a nyomásváltozás kompenzálására.

Az erősítést (amelyet a feszültség és a nyomás arányaként definiálunk) úgy alakítjuk, hogy a szabályozás folyamata a hibák csökkenésével növekedjen annak érdekében, hogy a motor forgatását még kis eltérések esetén is parancsolni lehessen. Ez egy adaptív helyzetszabályozó algoritmust is tartalmaz. További szinkronizálást hajtanak végre a gáz és a folyadék nyomása közötti állandó nyomáskülönbség fenntartása érdekében.

A térfogatváltozás a nyomásveszteség függvényében

2.3 Mesterséges talajon végzett teszt

A teszteléshez használt mesterséges talaj fényképe

Vizsgálatot végeztek mesterséges talajon

Talajellenállás 600 cm 3 térfogatnál (rudak)