2 Аппаратно-программный комплекс для измерения наклонов земной поврхности

2.1 Назначение аппаратно-программного комплекса

2.1.1 Аппаратно-программный комплекс предназначен для непрерывной регистрации наклонов земной поверхности с целью изучения приливных деформаций земного шара, исследования движений земной коры, изыскания предвестников землетрясений в виде аномальных наклонов перед землетрясением, а также для измерения деформаций горных массивов при проектировании и строительстве гидроэлектростанций.

2.1.2 Комплекс может найти применение при измерении деформации горных пород под действием нагрузок, а также для трассирования разрывов в земной коре с целью разведки полезных ископаемых. [3]

2.2 Структурная схема комплекса

2.2.1 Аппаратно-программный комплекс изготовлен на основе наклономерной станции Островского НСО.00.00.000., в состав которой входили два наклономера, термограф, стабилизатор и регистрир с фотоэлектрическим увеличением и регистрацией на фотобумагу. Для проектируемого комплекса от исходной наклономерной станции были взяты наклономеры и герметичный корпус регистрира с пультом управления. Аналоговая система регистрации на фотобумагу была заменена на цифровую систему регистрации в энергонезависимую твердотельную память. Были также модернизированы цепи питания и калибровки.

2.2.2 Структурная схема аппаратно-программного комплекса для измерения наклонов земной поверхности изображена на рисунке 2.10.

2.2.3 Сигналы от наклономеров усиливаются с помощью усилителей фототока и подаются на аналоговые входы автономного регистратора.

Рисунок 2.10 – Структурная схема аппаратно-программного комплекса для измерения наклонов земной поверхности

2.2.4 Два раза в сутки программа микроконтроллера формирует калибровочные импульсы для наклономеров. С помощью цепей калибровки замыкаются реле, которые коммутируют калибровочные импульсы.

2.2.5 Пульт управления предназначен для установки чувствительности наклономеров, путем изменения накала лампы наклономеров; дистанционного управления положением маятников наклономеров, изменением в заданных пределах величины и направления тока в регулировочных катушках маятников; регулировки величины контрольного импульса для калибровки наклономеров.

2.2.6 Регистратор подключается к ЭВМ соединительным кабелем с разъемом DB-9 к COM-порту. ЭВМ предназначена для управления процессом регистрации, считывания сохраненных данных и наблюдением за текущим состоянием регистратора.

2.3 Описание наклономеров

2.3.1 Наклономер обладает следующими техническими характеристиками:

- Чувствительность, мм/сек. дуги ……………………………….. 1000;

- Собственный период колебаний маятника, c………………….. 5±0,1;

- Приведенная длина маятника, см………………………………. 10;

- Сопротивление катушки маятника в магнитном зазоре, Ом…. 185±10%;

- Электродинамическая постоянная, мкА/сек. дуги…………… 1±0,5%;

- Оптический рычаг, мм………………………………………….. 180;

- Номинальное фотоэлектрическое увеличение………………... 5000;

- Сопротивление изоляции соединительного кабеля, МОм, не менее…………………………………………………………… 100;

- Габариты:

- Диаметр основания, мм ……………………………. 290;

- Высота, мм…………………………………………... 390;

- Масса, кг …………………………………………….. 16.

2.3.2 Внешний вид наклономера показан на рисунке 2.1.

На основании 1 смонтированы основные узлы прибора. Защитный кожух 2 крепится к основанию винтами 3. В основание 1 вмонтированы два установочных винта 4 и один периодный винт 28 с подпятниками 6. Наклономер присоединяется к блоку регистраторации кабелем 30 при помощи разъема 31.

2.3.3 Наклономер со снятым кожухом показан на рисунке 2.2 и на рисунке 2.3. В раме 7, установленной на основании 1, подвешен маятник 8 на двух горизонтальных растяжках 9 и вертикальной струне 10. Горизонтальные растяжки прикрепляются к маятнику и раме при помощи накладок 44. Струна натянута по оси вращения маятника. Нижний конец ее закреплен на маятнике, а верхний на раме.

2.3.4 Схема подвески маятника показана на рисунке 2.4. Горизонтальные растяжки удерживают маятник в определенном положении равновесия. Вертикальная струна компенсирует силу веса маятника и таким образом снимает срезывающие усилия на горизонтальных растяжках.

2.3.5 При отклонении маятника от положения равновесия растяжки изгибаются, а струна закручивается.

Рисунок 2.1 – Внешний вид наклономера

Рисунок 2.2 – Наклономер со снятым кожухом

Рисунок 2.3 – Наклономер со снятым кожухом

Рисунок 2.4 – Схема подвески маятника

2.3.6 Периодный винт 28 служит для установки маятника в среднее положение, соответствующее периоду колебания маятника в 5 секунд. Два установочных винта 4 служат для регулировки наклона прибора и установки маятника 8 в нулевое положение.

2.3.7 На маятнике 8 имеются три конусных пальца на левой стороне и упор на правой стороне, а на раме три ответные втулки 11 и подвижный шток 12 (Рисунок 2.3), соединенный посредством шестерен с осью арретира 13.

2.3.8 Когда ручка арретира 14 находится в положении «арретир маятника», шток 12 прижимает маятник 8 своими конусными упорами ко втулкам 11 рамы 7.

2.3.9 На концах маятника находятся две катушки 15, помещенные в магнитном поле постоянного магнита 16.

2.3.10 Одна из этих катушек – регулировочная предназначена для дистанционного перемещения маятника в заданных пределах. Это достигается путем изменения тока, пропускаемого через катушку.

2.3.11 Другая катушка – контрольная – позволяет производить контроль чувствительности наклономера. Для этого через катушку пропускают ток, вызывающий смещение маятника, соответствующее известному наклону площадки, на которой установлен наклономер.

2.3.12 Каждая катушка состоит из двух секций, намотанных на правом и левом каркасах 15.

2.3.13 При перемещении маятника один каркас с катушкой выходит, а другой входит в рабочий зазор магнита. Такая конструкция позволяет получить в широком диапазоне перемещений линейность между током, подаваемым в катушки, и отклонением маятника.

2.3.14 Безмоментные токоподводы 17 (Рисунок 2.3) катушек 15 расположены вблизи оси вращения маятника и очень мало изменяют период маятника.

2.3.15 Катушки шунтов 18 служат при эталонировании прибора для подбора нужного тока, проходящего через катушки маятника.

2.3.16 При дезарретировании маятника шток 19 отжимает маятник в сторону арретира, что предотвращает прилипание трех упорных конусов маятника к кольцевым выточкам трех втулок 11 рамы 7. свободный ход пружинного штока устанавливается не более (0,3-0,5) мм. Направляющие стержни 20 и кольцо с пазом служат для правильной установки защитного кожуха 2.

2.3.17 К раме 7 крепится осветитель 21, блок фотоэлементов 35 и зеркало 23. Блок фотоэлементов закрывается колпаком. На маятнике вблизи оси вращения крепится зеркало 24.

2.3.18 Осветитель 21 зажат в скобе винтом 25. патрон 33 с лампой СЦ-79 закрепляется в нужном положении хомутом 26. Объектив 34 закрепляется винтами 27. Освободив винты 26 и 27, патрон с лампой и объектив можно установить в нужном положении. Зеркало 23 устанавливается при помощи винтов 36 и 37.

2.3.19 На рисунке 2.5 показана принципиальная оптическая схема наклономера. Луч света от лампы 1 через призму с полным внутренним отражением 2 и объектив попадает на подвижное зеркало 4 маятника. Отразившись от зеркала 4, луч света попадает на неподвижное зеркало и затем вновь на зеркало 4. зеркалом 4 луч света отражается на две призмы 6.

Рисунок 2.7 – Оптическая схема наклономера

2.3.20 Плоскость соприкосновения призм делит световой пучок на две части, одна из которых освещает левый фотоэлемент, а другая – правый. Фотоэлементы 7 включены во внешнюю цепь навстречу друг другу. В нулевом положении фотоэлементы освещены так, что они создают равные по величине и противоположные по направлению токи, суммарный ток равен нулю. При отклонении маятника один из фотоэлементов освещается больше, чем другой, и в цепи протекает ток определенной величины и направления.

2.3.21 Электрическая схема наклономера показана на рисунке 2.8. Все выводы от катушек, лампы осветителя и фотоэлементов распаяны на плате 38, которая находится внутри наклономера (рисунок 2.3). К этой же плате подпаивается соединительный кабель. Схема соединений на разъеме этого кабеля показана на рисунке 2.9. [3]

Рисунок 2.8 – Электрическая схема наклономера