УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ КОНСТАНТ ГОРНЫХ ПОРОД

Заявляемая полезная модель относится к горному делу, а именно к области проведения изыскательских работ, направленных на определение физико-механических характеристик горных пород, в частности, упругих констант - модуля Юнга и коэффициента Пуассона, и может быть использована при инженерном сопровождении горноизыскательских работ, бурении скважин, проведении операций по гидравлическом разрыву пласта и т.д.
Как правило, в инженерных расчетах требуется знание с высокой точностью упругих констант горных пород, ввиду высокой чувствительности выстраиваемых моделей к входным параметрам [Рабинович Н.Р. Инженерные задачи механики сплошной среды в бурении, М.: Недра, 1989. - 270 с, стр. 190]. При отсутствии каких-либо конкретных сведений о разрезе, разработчиками принимаются значения коэффициента Пуассона равными 0.3, однако в реальных породах разброс значений может оказаться в диапазоне 0.1-0.5, что приведет к существенным ошибкам в расчетах. Поэтому прибегают к определению упругих констант горных пород разреза путем лабораторного исследования образцов горных пород, отобранных при бурении разведочных скважин.
Известно устройство для определения упругих констант горных пород [Н.Н. Павлова. «Деформационные и коллекторские свойства горных пород». М., Недра 1976, с. 50-51], взятое в качестве прототипа. Устройство включает силовую раму с двумя соосными пуансонами, оборудованных измерителем осевого давления, между которыми расположен образец керна с закрепленными измерителями относительных продольных и поперечных деформаций образца, при это все три измерители подключены к блоку регистрации, в результате чего строится зависимость осевого давления от относительных продольных деформаций, по которой вычисляют модуль Юнга, и зависимость относительных поперечных деформаций от относительных продольных деформаций, по которым вычисляют коэффициент Пуассона.
Данное устройство позволяет определять упругие константы материалов, однако не обладает достаточной точностью измерения, поскольку сигналы от каждого измерителя поступают на независимые каналы системы регистрации, в результате чего невозможно с высокой точностью соблюсти синхронность измерений параметров, участвующих в вычислении упругих констант. Известно множество способов синхронизации каналов в многоканальных блоках регистрации, однако все они не позволяют проверять синхронность каналов прямо в процессе измерений.
Задачей настоящего технического решения является устранение указанного недостатка известного устройства, а именно повышение точности определения упругих констант.
Указанная задача в устройстве для определения упругих констант горных пород, включающем, силовую раму с двумя соосными пуансонами с измерителем осевого давления, между которыми расположен образец керна с закрепленными измерителями относительных продольных и поперечных деформаций образца, при это все три измерители подключены к блоку регистрации, решена тем, что в состав блока регистрации дополнительно введены два множительно-делительных устройства, причем к входам первого множительно-делительного устройства подключен измеритель относительных продольных деформаций и измеритель относительных поперечных деформаций, а ко входам второго множительно-делительного устройства подключен измеритель относительных продольных деформаций и измеритель осевого давления, при этом выход первого множительно-делительного устройства соединен с первым входом блока регистрации, а выход второго - со вторым входом блока регистрации.
Благодаря попарному введению двух множительно-делительных устройств в состав блока регистрации и попарному включению измерителей относительных продольных и поперечных деформаций образца, а также относительных продольных деформаций и осевого давления, заявляемое устройство позволяет устранить проблему синхронизации каналов блока регистрации при измерении параметров, необходимых для вычисления упругих констант, т.к. при таком одновременном участии всех измерителей - отпадает необходимость синхронизации каналов блока регистрации.
Для измерения осевого давления в качестве измерителя осевого давления использован тензорезистор на элементе жесткости, обеспечивающий линейную связь осевого давления с изменением его сопротивления.
Для измерения относительных продольных и/или поперечных деформаций образца керна в качестве измерителей использованы тензорезисторы, относительное изменение сопротивления которых связано с деформациями образца.
В качестве множительно-делительного устройства использован мост Уинстона, в противоположные плечи которого включены тензорезиторы, измеряющие те величины, отношения которых необходимо вычислить, например, измеритель относительных продольны и поперечных деформаций образца керна, или измеритель относительных продольных деформаций и измеритель осевого давления. Это наиболее простой и безотказный вариант множительно-делительного устройства, точность деления которого сильно зависит от точности его калибровки.
Также в качестве множительно-делительного устройства может быть использовано устройство, описанное в книге - Темников Ф.Е., Славинский В.Л. «Математические развертывающие системы», - М.: «Энергия», 1970. Стр. 91, обладающее двумя входами и одним выходом, причем на первый вход подается напряжение числителя, и этот сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в длительность импульса, а на второй вход подается напряжение знаменателя, и этот сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в частоту импульсов, при этом сигналы с выходов обоих преобразователей подается на компаратор, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное отношению двух сигналов. Это наиболее сложный вариант множительно-делительного устройства, однако, точность деления может быть на порядок выше мостовой схемы Уинстона.
На фиг. 1 приведена кинематическая схема устройства, включающего: силовую раму (на рисунке не показана) с двумя соосными пуансонами 1а и 1б, причем нижний пуансон 1б является неподвижным относительно силовой рамы, а верхний пуансон 1а является подвижным и соединен со штоком 2 гидроцилиндра (на рисунке не показан); между верхним пуансоном 1а и штоком гидроцилиндра 2 расположен измеритель осевого давления 3; между пуансонами 1а и 1б помещен образец керна 4, при этом на торцах образца керна 4 закреплен измеритель относительных продольных деформаций, включающий хомуты 5а и 5б, плоскую пружину 6, и тензорезистивный элемент 7, причем тензорезистивный элемент 7 закреплен на плоской пружине 6, которая соединены с хомутами 5а и 6б; на боковой поверхности образца 4 закреплен измеритель относительных продольных деформаций, включающий хомут 8 и тензорезистивный элемент 9, при этом тензорезистивный элемент 9 закреплен на хомуте 8.
На фиг. 2 приведена электрическая схема варианта реализации устройства, включающего: измеритель осевого давления 3, включенный в первый измерительный мост 10, также содержащий балансные сопротивления 10а, 10б и тензорезистивный элементом 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна; тензорезистивный элемент 9 измерителя относительных поперечных деформаций образца керна, включенный во второй измерительный мост 11, также содержащий сопротивления 11a, 11б и тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна, оба измерительных моста 10 и 11 подключены к источнику напряжения 12 через шину 13, которая параллельно подключается к аналогово-цифровому преобразователю 14 через шину 15, в свою очередь сигналы измерительных мостов 10 и 11 подаются по шине 16 на вход аналогово-цифрового преобразователя 14, источник напряжения 12 и аналогово-цифровой преобразователь 14 подключены в микропроцессорному блоку 17 посредством шин 18 и 19, тензорезистивный элемент 7 является общим для обоих измерительных мостов 10 и 11, и переключается между ними посредством группы контактов 20а и 20б коммутатора 20, подключенного к микропроцессорному блоку 17.
На фиг. 3 приведена электрическая схема варианта реализации устройства, включающего: тензорезистивный элемент 9 измерителя относительных поперечных деформаций образца керна, включенный в измерительный мост Уинстона 21 вместе с балансными сопротивлениями 21а, 21б и 21в, тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна, включенный в измерительный мост Уинстона 22 вместе с балансными сопротивлениями 22а, 22б и 22в, измеритель осевого давления 3 на образец керна, включенный в измерительный мост Уинстона 23 вместе с балансными сопротивлениями 23а, 23б и 23в; все три измерительных моста 21, 22 и 23 подключены к источнику напряжения 24 посредством шины 25, выходы измерительных мостов 21 и 22 подключены ко входам множительно-делительного устройства 26 посредством шины 27, причем выход измерительного моста 21 подключен к преобразователю напряжение в длительность импульса 26а, выход моста 22 подключен к преобразователю напряжение в частоту импульсов 266, а выходы преобразователей 26а и 26б подключены ко входам компаратора 26в, выходы измерительных мостов 22 и 23 подключены ко входам множительно-делительного устройства 28 посредством шины 27, причем выход измерительного моста 22 подключен к преобразователю напряжение в длительность импульса 28а, выход моста 23 подключен к преобразователю напряжение в частоту импульсов 286, а выходы преобразователей 28а и 28б подключены ко входам компаратора 28в, выходы множительно-делительных устройств 26 и 28 подключены ко входам аналогово-цифрового преобразователя 29 посредством шины 30, также к входу аналого-цифрового преобразователя 29 подключен источник напряжения 24 посредством шины 31, в свою очередь выход аналогово-цифрового преобразователя 29 подключен к входу микропроцессорного блока 32 посредством шины 33, а источник напряжения 24 подключен к микропроцессорному блоку 32 посредством шины 34.
Работу заявляемого технического решения рассмотрим на следующих примерах.
Пример 1. Работу устройства рассмотрим с использованием фиг. 1 и 2.
Образец керна 4 помещают между пуансонами 1а и 1б, причем верхний пуансон 1а является подвижным и включает измеритель осевого давления 3 и шток 2 гидроцилинда, на торцах образца керна 4 закрепляют хомуты 5а и 5б измерителя относительных продольных деформаций, включающего плоскую пружину 6 и тензорезистивный элемент 7, а также на боковую поверхность образца закрепляют измеритель относительных поперечных деформаций, включающего хомут 8 и тензорезистивный элемент 9.
Измеритель осевого давления 3, включенный в первый измерительный мост 10, также содержащий балансные сопротивления 10а, 10б и тензорезистивный элементом 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна; тензорезистивный элемент 9 измерителя относительных поперечных деформаций образца керна, включенный во второй измерительный мост 11, также содержащий сопротивления 11a, 11б и тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна, оба измерительных моста 10 и 11 подключены к источнику напряжения 12 через шину 13, которая параллельно подключается к аналогово-цифровому преобразователю 14 через шину 15, в свою очередь сигналы измерительных мостов 10 и 11 подаются по шине 16 на вход аналогово-цифрового преобразователя 14, источник напряжения 12 и аналогово-цифровой преобразователь 14 подключены в микропроцессорному блоку 17 посредством шин 18 и 19, тензорезистивный элемент 7 является общим для обоих измерительных мостов 10 и 11, и переключается между ними посредством группы контактов 20а и 20б коммутатора 20, подключенного к микропроцессорному блоку 17.
Образец керна 4 приводят в деформированное состояние посредством осевого нагружения с помощью пуансонов 1а и 1б, одновременно с этим сигналы с измерительных мостов 10 и 11 подаются по шине 16 на вход аналогово-цифрового преобразователя 14, тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна по очереди подключается через равные промежутки времени то к первому измерительному мосту 10, то ко второму измерительному мосту 11 посредством контактов 20а и 20б коммутатора 20, который управляется микропроцессорным блоком 17. Сигналы с измерительных мостов 10 и 11 пропорциональны модулю Юнга и коэффициенту Пуассона соответственно.
Пример 2. Работу устройства рассмотрим с использованием фиг. 1 и 3.
Образец керна 4 помещают между пуансонами 1а и 1б, причем верхний пуансон 1а является подвижным и включает измеритель осевого давления 3, на торцах образца керна 4 закрепляют хомуты 5а и 5б измерителя относительных продольных деформаций, включающего плоскую пружину 6 и тензорезистивный элемент 7, а также на боковую поверхность образца закрепляют измеритель относительных поперечных деформаций, включая хомут 8 и тензорезистивный элемент 9.
Тензорезистивный элемент 9 измерителя относительных поперечных деформаций образца керна, включенный в измерительный мост Уинстона 21 вместе с балансными сопротивлениями 21а, 21б и 21в, тензорезистивный элемент 7 измерителя относительных продольных деформаций образца керна, включенный в измерительный мост Уинстона 22 вместе с балансными сопротивлениями 22а, 22б и 22в, измеритель осевого давления 3 на образец керна, включенный в измерительный мост Уинстона 23 вместе с балансными сопротивлениями 23а, 23б и 23в, все три измерительных моста 21, 22 и 23 подключены к источнику напряжения 24 посредством шины 25, выходы измерительных мостов 21 и 22 подключены ко входам множительно-делительного устройства 26 посредством шины 27, причем выход измерительного моста 21 подключен к преобразователю напряжение в длительность импульса 26а, выход моста 22 подключен к преобразователю напряжение в частоту импульсов 26б, а выходы преобразователей 26а и 26б подключены ко входам компаратора 26в, выходы измерительных мостов 22 и 23 подключены ко входам множительно-делительного устройства 28 посредством шины 27, причем выход измерительного моста 22 подключен к преобразователю напряжение в длительность импульса 28а, выход моста 23 подключен к преобразователю напряжение в частоту импульсов 28б, а выходы преобразователей 28а и 28б подключены ко входам компаратора 28в, выходы множительно-делительных устройств 26 и 28 подключены ко входам аналогово-цифрового преобразователя 29 посредством шины 30, также к входу аналого-цифрового преобразователя 29 подключен источник напряжения 24 посредством шины 31, в свою очередь выход аналогово-цифрового преобразователя 29 подключен к входу микропроцессорного блока 32 посредством шины 33, а источник напряжения 24 подключен к микропроцессорному блоку 32 посредством шины 34.
Образец керна 4 приводят в деформированное состояние посредством осевого нагружения с помощью пуансонов 1а и 1б, одновременно с этим источник напряжения 12 подает напряжение на измерительные мосты 21, 22, и 23, при этом сигнал с мостов 21 и 22 поступает на входы множительно-делительного устройства 26, а сигнал с мостов 22 и 23 поступает на входы множительно-делительного устройства 28. Сигнал, представляющий собой отношение относительных поперечных деформаций к относительным продольным деформациям образца керна 4, т.е. численное значение коэффициента Пуассона, с множительно-делительного устройства 26 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 29. Сигнал, представляющий собой отношение осевого давления к относительным продольным деформациям образца керна 4, т.е. численное значение модуля Юнга, с множительно-делительного устройства 28 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 29. Оба сигнала - численное значение коэффициента Пуассона и модуля Юнга, с выхода аналогово-цифрового преобразователя 29 поступает на вход микропроцессорного блока 32.
Для проверки работоспособности заявляемого технического устройства был собран лабораторный стенд, представленный на фиг. 1, включающий испытательный пресс ИП-1 производства ЗИМ «Точмашприбор» с предельной осевой нагрузкой 100 кН, включающий силовую раму и два соосно цилиндрических пуансона.
В качестве измерителей относительных продольных деформаций и относительных поперечных деформаций использованы тонкопленочные тензорезистивные элементы из константана с номинальным сопротивлением 600 Ом. В качестве измерителя осевого давления использован тензорезистивный на элементе жесткости - металлической мембране заданной жесткости марки С16А, производства фирмы НВМ (Германия).
-6
В примере 1 реализации заявляемого технического решения, множительно-делительные устройства построены на мостах Уинстона с использованием прецизионных балансных сопротивлений марки МР3000 производства фирмы «НПП «Резист» (Россия) с номинальным сопротивлением 600 Ом, допустимым отклонением от номинального сопротивление не более 0.005% и ТКС не более 10 1/°C. Аналогово-цифровой преобразователь типа Sigma-Delta построен на интегральной микросхеме AD7173 производства фирмы Analog Device (США), включающей 4 канала, из которых задействовано 3, обладает разрядностью 24 бита и частотой сэмплирования 250 kSps, а также контроллер шины GPIO. Микроконтроллер построен на интегральной микросхеме ATxmega256 производства фирмы Atmel (США), включающей 16-битное вычислительное ядро, а также контроллер шины GPIO, обеспечивающий связь в аналогово-цифровым преобразователем, собранным на интегральной микросхеме AD7173. Источник напряжения 12 В стабилизиованный с точностью 0.1%. Точность вычисления отношения двух сигналов на множительно-делительных устройствах типа моста Уинстона составляет порядка 1.0%.
-6
В примере 2 реализации технического решения множительно-делительные устройства построены согласно схеме [Темников Ф.Е., Славинский В.Л. Математические развертывающие системы, - М.: «Энергия», 1970. Стр. 91] с использованием следующей элементной базы: преобразователь напряжение в частоту импульсов собран на интегральной микросхеме Analog Device AD654 производства фирмы Analog Device (США) [Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах: Энергоатом-издат. Л. 1988.], преобразователь напряжение в длительность состоит из генератора пилообразного напряжения, собранного на таймере NE555, и компаратора uA710, компаратор построен на интегральной микросхеме иА710 с RC-цепочкой. Аналогово-цифровой преобразователь типа Sigma-Delta построен на интегральной микросхеме Device AD7173 производства фирмы Analog Device (США), включающей 4 канала, из которых задействовано 3, обладает разрядностью 24 бита и частотой сэмплирования 250 kSps, а также котроллер шины GPIO. Микроконтроллер построен на интегральной микросхеме ATxmega256 производства фирмы Atmel (США), включающей 16-битное вычислительное ядро, а также контроллер шины GPIO, обеспечивающий связь в аналогово-цифровым преобразователем AD7173. Источник напряжения 12 В стабилизиованный с точностью 0.1%. Мостовые схема также собраны на балансных сопротивлениях марки МР3000 производства фирмы «НПП «Резист» (Россия) с номинальным сопротивлением 600 Ом, допустимым отклонением от номинального сопротивление на более 0.005% и ТКС не более 10 1/°C. Точность вычисления отношения двух сигналов на множительно-делительных устройствах составляет порядка 0.1%.
В качестве эталонных образцов были использованы цилиндрические образцы длиной 60 мм и диаметром 30 мм, изготовленные из меди и сплава алюминия Д16Т. Для меди модуль Юнга 110 ГПа, а коэффициент Пуассона 0.35. Для сплава алюминия Д16Т модуль Юнга 70 ГПа, коэффициент Пуассона 0.31.
В результате проведенных нами испытаний с использованием предложенного варианта реализации (пример 1), были получены значения упругих констант меди и сплава алюминия Д16Т полностью соответствующие табличным значениям, именно для меди модуль Юнга 109,0±0,9 ГПа, а коэффициент Пуассона 0.350±0,005. Для сплава алюминия Д16Т модуль Юнга 72,0±0,6 ГПа, коэффициент Пуассона 0,305±0,003. Таким образом, погрешность определения модуля Юнга и коэффициента Пуассона не превышает 3,0%.
В результате проведенных нами испытаний с использованием варианта реализации (пример 2), были получены значения упругих констант меди и сплава алюминия Д16Т полностью соответствующие табличным значениям, именно для меди модуль Юнга 110,2±0,1 ГПа, а коэффициент Пуассона 0.3510±0,0005. Для сплава алюминия Д16Т модуль Юнга 69,9±0,1 ГПа, коэффициент Пуассона 0,3105±0,0005. Таким образом, погрешность определения модуля Юнга и коэффициента Пуассона не превышает 0,3%.