УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПЛАСТИЧНОГО ВЕЩЕСТВА
MEASUREMENT DEVICE OF SPECIFIC ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF DUCTILE SUBSTANCE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам определения электрических свойств материалов, и может быть использовано для тестирования веществ, электропроводность которых зависит от давления, применяемые, например, при оценке изменения во времени горного давления в породных массивах.
Известно устройство для измерения удельного электрического сопротивления земли по патенту РФ №2284531, кл. G01R 27/08, опубл. в БИ №27, 2006 г., содержащее диэлектрическую трубу, токовые электроды, измерительные электроды. Диэлектрическая труба по периметру своего нижнего основания оснащена кольцевым токовым электродом, торец которого имеет пилообразную форму с зубьями, режущие острия которых расположены под углом 30-45° к линии, касательной к окружности трубы. На внутренней поверхности диэлектрической трубы расположен ряд кольцевых измерительных электродов, каждый из которых подключен самостоятельным проводником, заложенным в стенку диэлектрической трубы, к выводным контактам. На верхнем торце диэлектрической трубы установлены стойки для направления винтовой штанги с дисковым электродом и диэлектрической прижимной шайбой. Стойки выполнены разъемными и закреплены на трубе шарнирно с возможностью поворота в горизонтальное положение для использования их в качестве рукояток при вращении диэлектрической трубы во время погружения ее в землю и подготовки образца земли к измерениям.
В этом устройстве отсутствует возможность изменения внутри диэлектрической трубы давления и, следовательно, измерения удельного электрического сопротивления образца при разных давлениях, что обуславливает его низкую эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред по авт. свид. СССР №1684724, кл. G01R 27/22, G01N 27/07, опубл. в БИ №38, 1991 г., содержащее диэлектрическую трубку, первый, второй и третий измерительные электроды, первый и второй токовые электроды, первый и второй регистраторы напряжений, регистратор тока. Первый регистратор напряжений соединен с первым и вторым измерительными электродами. Первая клемма второго регистратора напряжений соединена с третьим измерительным электродом. Первая клемма регистратора тока соединена с первым токовым электродом. Первый и второй токовые и третий измерительный электроды соответственно расположены внутри диэлектрической трубки по ее длине. В устройство введены переменный резистор и диэлектрическая прокладка. Первый и второй токовые электроды выполнены в виде дисков. Диэлектрическая прокладка расположена между первым и вторым токовыми электродами. Первый и второй измерительные электроды расположены снаружи диэлектрической трубки соответственно под вторым токовым и третьим измерительными электродами. Вторая клемма регистратора тока соединена через переменный резистор со вторым токовым электродом, который соединен со второй клеммой второго регистратора напряжений.
В этом устройстве отсутствуют система измерения давления и механизм нагнетания в диэлектрическую трубку вещества, из-за чего оно не позволяет определять зависимости электропроводности испытуемой среды от создаваемого в ней давления. Кроме этого, оно может использоваться только для измерения электропроводности жидкостей, способных изменять свою форму под действием собственного веса. Поэтому это устройство обладает относительно низкой эффективностью.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности устройства за счет возможности его использования для определения зависимости удельной электропроводности пластичного вещества от давления.
Задача решается тем, что в устройстве для измерения удельной электропроводности пластичного вещества, включающем диэлектрическую трубку, электроды, проводники тока и регистраторы измеряемых физических величин, согласно предлагаемому техническому решению в один конец диэлектрической трубки вставлена первая металлическая втулка с внутренней резьбой, в которую вкручен винт, а во второй ее конец вставлена вторая металлическая втулка с установленным на ней датчиком давления, подключенным кабелем к регистратору давления, при этом электродами являются первая и вторая металлические втулки, подключенные проводниками тока к регистратору сопротивления, а диэлектрическая трубка герметизирована.
Устройство создано с целью совершенствования способов и средств обеспечения безопасной добычи полезных ископаемых подземным способом путем непрерывного контроля состояния породных массивов. В частности, оно требуется для реализации способа, в котором через скважины в породный массив внедряют пластичное вещество, электропроводность которого существенно зависит от давления, а затем фиксируют изменение горного давления во времени по изменению удельной электропроводности внедренного пластичного вещества. В связи с этим к устройству предъявляются требования создания в пластичном веществе давления, адекватного горному давлению в породном массиве, измерение этого давления и для конкретных его значений определение удельной электропроводности пластичного вещества. Требуемое давление обеспечивается тем, что вставленная в один конец диэлектрической трубки первая металлическая втулка с внутренней резьбой, в которую вкручен винт, позволяют дальнейшим вкручиванием винта создавать в помещенном в нее пластичном веществе давление до 100 МПа. Этого вполне достаточно, чтобы смоделировать горное давление для любых действующих в настоящее время горных предприятий. Измерение давления пластичного вещества внутри диэлектрической трубки достигается вставленной во второй конец диэлектрической трубки второй металлической втулкой с установленным на ней датчиком давления, подключенным кабелем к регистратору давления. Измерение удельной электропроводности пластичного вещества без дополнительных электродов обеспечивается использованием в качестве электродов первой и второй металлических втулок, подключенных проводниками тока к регистратору сопротивления. Герметизация диэлектрической трубки необходима для создания в ней требуемого давления. Таким образом, совокупность указанных признаков повышает эффективность устройства за счет возможности его использования для определения зависимости удельной электропроводности пластичного вещества от давления.
Целесообразно диэлектрическую трубку поместить в металлический цилиндр, состоящий из толстостенной металлической трубы с закрепленными на обоих ее концах посредством резьбового соединения накидными гайками с центральными отверстиями для пропуска концов соответственно первой и второй металлических втулок, при этом накидные гайки электрически изолировать от первой и второй металлических втулок диэлектрическими втулками с внешними кольцевыми выступами. Это повышает эффективность устройства за счет возможности измерения удельной электропроводности пластичного вещества во всем диапазоне изменения давления без применения дорогостоящих высокопрочных диэлектрических материал.
Целесообразно устройство снабдить системой стабилизации, изменения и измерения температуры. Это исключает бесконтрольное изменение температуры во время измерений, а также позволяет определять зависимость удельной электропроводности пластичного вещества не только от давления, но и от температуры, что существенно расширяет возможности и, следовательно, эффективность устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом, на котором показан общий вид устройства для измерения удельной электропроводности пластичного вещества, продольный разрез.
Устройство (см. чертеж) для измерения удельной электропроводности пластичного вещества (далее - устройство) включает диэлектрическую трубку 1 (далее - трубка 1), в один конец которой вставлена первая металлическая втулка 2 (далее - втулка 2) с внешним кольцевым выступом 3 на конце и внутренней резьбой 4, в которую вкручен винт 5 с рукояткой 6 для вращения. Во второй конец трубки 1 вставлена вторая металлическая втулка 7 (далее - втулка 7) с внешним кольцевым выступом 8 на конце и установленным на ней датчиком 9 давления, подключенным кабелем 10 к регистратору давления (на чертеже не показан). Электродами являются втулки 2 и 7, подключенные проводниками 11 тока к регистратору сопротивления (на чертеже не показан). Трубка 1 герметизирована и помещена в металлический цилиндр, состоящий из толстостенной металлической трубы 12 (далее - труба 12) с закрепленными на обоих ее концах посредством резьбового соединения 13 накидными гайками 14 с центральными отверстиями (на чертеже не обозначены) для пропуска свободных от кольцевых выступов 3 и 8 соответствующих концов втулок 2 и 7. Втулки 2 и 7 электрически изолированы от металлического цилиндра диэлектрическими втулками 15 с внешними кольцевыми выступами 16. Трубка 1 заполнена пластичным веществом 17, удельная электропроводность которого зависит от давления. Устройство снабжено системой (на чертеже не показана) стабилизации, изменения и измерения температуры.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Включают регистраторы. С помощью рукоятки 6 вкручивают винт 5 во втулку 2 до ощущения сопротивления вкручиванию винта 5. В веществе 17 в зоне контакта с винтом 5 возникает давление, которое начинает перераспределяться по всему его объему. В отличие от жидкости, в пластичном веществе 17 выравнивание давления по всему объему происходит сравнительно длительное время, исчисляемое десятками минут и даже часами в зависимости от реологических особенностей пластичного вещества 17 и размеров вмещающей его полости. Дальнейшее вкручивание винта 5 во втулку 2 производят после практически полного прекращения изменений в показаниях давления и сопротивления. Далее винт 5 во втулку 2 вкручивают периодически с заданным интервалом времени и фиксированным числом оборотов, которые определяются экспериментально для каждого пластичного вещества в зависимости от поставленных условий. Показания давления и сопротивления после каждой их стабилизации записывают и затем используют при построении зависимости удельной электропроводимости пластичного вещества 17 от давления. Известны пластичные вещества 17, на удельную электропроводность которых оказывает влияние не только давление, но и температура. В таких случаях, их электрические свойства предполагается определять с использованием стандартной климатической камеры, содержащей систему стабилизации, изменения и измерения температуры. Устройство помещают в климатическую камеру, а измерение осуществляют по вышеприведенной методике с указанием лишь температуры, при которой они проводились. Затем находят соответствующие зависимости.
Отметим, что давление измеряют тензометрическим датчиком с соответствующим регистратором, а электропроводность определяют по величине электрического сопротивления, измеряемого мостом, одно из плеч которого выполнено в виде магазина эталонных резисторов. Объемное расширение устройства, обусловленное создаваемым внутри него давлением, не учитывают из-за его малого влияния, оцениваемого долями процента, на конечный результат.
Устройство предполагается использовать для подбора типа и процентного содержания компонентов пластичных веществ с зависимой от давления электропроводностью, которые представляют собой смеси графитового порошка и пластичного связующего, например, воска, смолы, солидола, сырой резины и т.д. Такие смеси, нагнетаемые под фиксированным начальным давлением в замкнутую полость, например герметизированный участок скважины, позволяют затем по изменению их удельной электропроводности оценивать изменение горного давления практически во всем диапазоне значений, проявляющихся на рудниках и шахтах.