Устройство для измерения деформаций массива горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет снижения погрешности работы , обусловленной нелинейной зависимостью частоты автогенератора от емкости цилиндрического конденсатора . Устр-во содержит цилиндрический корпус 1 с диэлектрическим основанием 2, реперы 4, 5 и автогенератор 3. В колебательньй контур автогенератора 3 включен цилиндрический конденсатор. Неподвижная обкладка 6 конденсатора установлена на основании 2, жестко соединенном с репером А. Подвижная обкладка 7 соединена с репером 5 штоком 8. На торцах обкладок 6 и 7, перемещающихся одна относительно другой при деформации массива горных пород, закреплены токопроводящие кольца 9 и 10. Их площадь и начальное расстояние между ними определяют из условия минимизации суммарной погрешности устр-ва. Наличие колец 9 и 10 при оптимизации начального расстояния между ними, площади колец и чувствительности устр-ва, определяющейся внутренним радиусом обкладки 7, позволяет снизить погрешность нелинейности в 2,7 раза. 4 ил. (Л СО 4iK О) J 00 а

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (51) 4 Е 21 С 39/00

1 с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕПЬСТВУ (21) 4060265/22-03 (22) 25.04,86 (46) 23.10.87. Бюл. М 39 (71) Московский горный институт (72) М.М.Манукян и О.П.Песчанский (53) 622.289(088.8) (56) Манукян М,М. Коаксиальный емкостной преобразователь как измеритель перемещений. Тезисы докладов

8 Всесоюзной конференции ВУЗов СССР нКамплексные исследования физических

11 свойств горных пород и процессов

М., МГИ, 1984, Авторское свидетельство СССР

1(9 620600, кл. Е 21 С 39/00, 1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД (S7) Изобретение относится к горному делу и предназначено для контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Цель изобретения — повьппение точности измерений эа счет снижения погрешности работы, обусловленной нелинейной эависимостью частоты автогенератара от емкости цилиндрического конденсатора. Устр-во содержит цилиндрический корпус 1 с диэлектрическим основанием 2, реперы 4, 5 и автогенератор 3.

В колебательный контур автогенератора

3 включен цилиндрический конденсатор.

Неподвижная обкладка 6 конденсатора установлена на основании 2, жестка соединенном с репером 4. Подвижная обкладка 7 соединена с репером 5 штоком 8. На торцах обкладак 6 и 7, перемещающихся одна относительно другой при деформации массива гарных пород, закреплены токопроводящие кольца 9 и

1О. Их площадь и начальное расстояние между ними определяют из условия

lg минимизации суммарной погрешности устр-ва. Наличие колец 9 и 10 при оптимизации начального расстояния меж- С„ ду ними, площади колец и чувствительности устр-ва, определяющейся внутренним радиусом обкладки 7, позволяет снизить погрешность нелинейности в 2,7 раза. 4 ил.

13

Изобретение относится к горному делу и предназначено для контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

Целью изобретения является повышение точности измерений эа счет снижения погрешности работы, обусловленной нелинейной зависимостью частоты автогенератора от емкости цилиндрического конденсатора.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 — электрическая эквивалентная схема подключения устройства к колебательному контуру измерительного автогенератора; на фиг. 3 — - схема положения подвижной обкладки цилиндрического конденсатора по отношению к корпусу устройства и неподвижной обкладки цилиндрического конденсатора при несоосности обкладок, равной д; на фиг. 4 — зависимость частоты автогенератора от положения подвижной обкладки цилиндрического конденсатора внутри диапазона измерений. !

Устройство для измерения деформаций массива горных пород содержит цилиндрический корпус 1 с диэлектрическим основанием 2, автогенератор

3, цилиндрический конденсатор, включенный в колебательный контур автогенератора 3, и два репера 4 и 5 (фиг. 1). При этом неподвижная обкладка 6 цилиндрического конденсатора установлена на диэлектрическом основании 2, жестко соединенном с репером 4, а подвижная обкладка 7 цилиндрического конденсатора соединена посредством штока 8 с репером 5..

На торцах неподвижной обкладки 6 закреплены токопроводящие кольца 912. Реперы 4 и 5 раскреплены в полости шпура 13. Корпус 1 имеет посадку скольжения со штоком 8. Автогенератор 3 соединен с регистрирующим устройством 14. Кольцо 12 электрически связано с корпусом 1, Таким образом, емкость С, образована неподвижной

6 и подвижной 7 обкладками цилиндрического конденсатора, емкость С неподвижной обкладкой 6 и корпусом

1, емкость С плоского конденсатора кольцами 9 и 11, емкость С4 плоского конденсатора — кольцами 10 и 12, емкость С плоского конденсатора— кольцами 10 и 12 (описанные емкости показаны пунктиром на фиг. 1). Схема подключения емкостей С<-С к ко46786 2 лебательному контуру автогенератора показана на фиг. 2, где С„ и

С „, — параэитная и подстроечная емкости, присутствующие в контуре.

Устройство работает следующим образом.

Вначале кольца 9 и 1) устанавливаются на заданном расстоянии одно относительно другого и при помощи подстроечного конденсатора,С„ „ задается начальная частота измерительного автогенератора, После указанных операций устройство устанавливается в шпур. При деформации массива горных пород подвижная обкладка 7 цилиндрического конденсатора перемещается относительно корпуса 1 и неподвижной обкладки 6. В результате этого величина емкостей С< и С изменяется прямо пропорционально величине перемещения подвижной обкладки

7, в то время как величина емкостейСз, С 4 и С изменяются обратно про25 порционально величине перемещения подвижной обкладки 7. С изменением . величины суммарной емкости С=С, +С +

+С +С4+С изменяется частота измерительного автогенератора, передаваемая на регистрирующее устройство.

По отклонению частоты автогенератора судят о деформации массива горных пород. Таким образом, возникающая нелинейность преобразования величины

35 перемещения подвижной обкладки 7 в величину суммарной емкости С частично компенсирует томсоновскую нелинейность преобразования суммарной емкости в частоту-автогенератора

F=l/4Å С . Или, другими словами, нелинейная зависимость частоты от емкости компенсируется нелинейной зависимостью емкости от перемещения.

Степень компенсации зависит от ряда факторов, в первую очередь таких, 45 как величина площади колец, расстояния между кольцами и чувствительности устройства, которая определяется геометрическими размерами системы цилиндрических конденсаторов. Указанные параметры определяются иэ условия минимизации суммарной погрешности устройства, определяющейся иэ выражения

55 где 1, — погрешность, связанная с неточностью изготовления

134 клонения частоты измерительного автогенератора при изменении емкости цилиндрического конденсатора; погрешность, связанная с нестабильностью частоты автогенератора, Погрешность, связанная с неточностью изготовления механических частей цилиндрического конденсатора, определяется величиной возможного радиального смещения подвижной обкладки 7 по отношению к корпусу 1 и неподвижной обкладке 6 цилиндрического конденсатора (фиг. 3). Величина возможного радиального смещения л определяется допусками на точность изготовления механических частей цилиндрического конденсатора. Выражение для погрешности от радиального смещения обкладок, равного Ь, или несоосности обкладок, равной Ь, имеет вид

?О н о

1 „-F

30 где оч (35

40 г 2R д

Учитывая, что неподвижная обкладка 6 жестко крепится к корпусу 1, находим емкость С2 для начала и кон45 ца диапазона измерений только для соосного положения обкладок

Ха, аз

2 1„

Ь й. Хк

Ъ

1-и

" z

С

50

Сг„= механических частей цилиндрического конденсатора; погрешность, связанная с нелинейной зависимостью отчастота контура для несоосного положения обкладок в начале диапазона измерений (т.

Х, на фиг. 1);

à — частота онтура для соосного положения обкладок в начале диапазона измерений (т. Xо на фиг. 1);

Ю к Г частота контура для соосного положения обкладок в конце диапазона измерений (т. Х„ на фиг. 1), Следует учесть, что начальная частота автогенератора У, выбирается из условия максимальной стабильности его работы при заданных параэитной и подстроечной емкостях С„, пцp

С„, . Частоты колебательного контура для несоосного и соосного положений обкладок цилиндрического конденсатора F „, Р„ определяются величиной суммарной емкости, образованной обкладками цилиндрического и плоских

6786 конденсаторов С=С,+С +С,+С +С,, включенных в контур. Емкость цилиндрических конденсаторов равна: при положении подвижной обкладки 7

5 в конце диапазона измерений (т. Х, на фиг. 1) где Х„ — расстояние от кольца 11 до кольца 9 при положении кольца 11 в конце диапазона измерений (т. Х„ на фиг. 1);

1 — длина неподвижной обкладки 6;

Н,, Р— внутренний радиус подвижной обкладки 7 и внешний радиус неподвижной обкладки 6 цилиндрического конденсатора соответственно (фиг. 1); с, =1 — диэлектрическая проницае- 5 мость среды, при несоосности подвижной 7 и неподвижной 6 обкладок, равной д, для начала диапазона измерения (т. Х на о фиг. 1 ) где К,,К вЂ” функции несоосности обкладок, равной Л

К = -1--- --- + где X — расстояние от кольца 9 до о кольца 11 подвижной обкладки 7 при положении последней в начале диапазона измерений (т, Х на фиг, 1);

B — внутренний диаметр корпуса,.

1346786

M=f(x)-ах-b, Е Ба

4к 4 и (-X ) E Бт

С

40 4II (1- Х )

Е Бъ

С й о 4" ХО

Е S3

С

5к 4с Х, 1к Ро

Ъ

Х„-X (1 -с с -1 () P4() с.с ) С40 Сд() ) 8 (1-x) g,(х)—

2 1„ с1,(х) =

Е 4, и — — — ——

С44 Х

Чь() Б

Ц (х)=

5 сс, х

G 4.

- н, -Е 0

Для плоских конденсаторов, образующих емкости С, С„, С, при положении подвижной обкладки 7 в начале (емкости С, С4„ С„) и конца (емкости С„,, С,„, С„) диапазона измерений имеем

Е. Б б Б

С

1 ° о 4 iiХ, 2% Х„ где Б, — площадь внешней стороны кольца ll

$ — площадь внутренней стороны а кольца 11;

$ — площадь внешней стороны

Э кольца 10.

Погрешность, связанную с нелинейной зависимостью отклонения частоты измерительного автогенератора при изменении емкости цилиндрического конденсатора, можно найти из выражения

Где Ж(x), сГ,(х), ср„(х), Ч „(х), срЛ-. з;.виспмости величин емкостей

С,, С, С, С, С, от .соложения кольца 11 внутри диапазона измерений (т. XÄ Х, на фиг.l, .

Погрешность, связанная с нестабильностью частоты автогенератора, определяется из выр i. -eíèí где М вЂ” величина отклонения частоты

5 автогенератора от прямой линии при линеаризации хордой:

f=f(x) — зависимость частоты автоге10 нератора от положения кольца

11 подвижной обкладки 7 внутри диапазона измерений (т °

Х, Х„ на фиг. 4) f=a +Ь вЂ” прямая, линеаризующая функМ цию f=f(x) внутри диапазона измерений;

Ъ=14 -a Х,, о

a,b — параметры прямой (фиг, 4).

Находим зависимость частоты автогенератора от положения кольца 11 внутри диапазона измерений (Х, Х„ на фиг ° 1) / где с"4 — нестабильность частоты автогенератора.

Учитывая, что минимизация величины суммарной погрешности устройства цолына быть проведена по трем паракс-.трам, а именно площади колец

;- = ;-,+;;„, начальному расстоянию между кош:цами 9 и 11 (т. X„) и чувстви"е:è ности устройства, определяемой

:5 внутренним радиусом подвижной обкладки 7 Рс,, целесообразно провести миHH lHBBlIHiO BBlPBBBHHH (4f, +Ä+, ПРИ

L помощи ЭБМ, Расчеты показывают, что наличие токопроводящих колец при оптимизации начального расстояния между кольцами 9 и 11. площади колец и чувствительности устройства, определяющейся внутренним радиусом подвижной обклад55 ки 7 цилиндрического конденсатора, позволяет повысить точность измерений за счет снижения погрешности нелинейности в 2,7 раза.

7 134678б

8 ф о р м у л а и з о б р е т е н и я посредством штока, о т л и ч а юУстройство для измерения деформащ е е с я тем, что, с целью повышеций массива горных пород, содержащее ния точности измерений за счет сницилиндрический корпус с диэлектри- жения погрешности работы, обусловческим основанием, автогенератор

У ленной нелинейно зависимостью чаленной нелинейн и цилиндрический конденсатор, включен- cTQTbl автогенератора от емкости циный в колебательиый контур автогене- линдрического конденсатора, обкладр р, д р Ра при этом нератора и два епе а ки конденсатора снабжены токопровоподвижная обкладка цилиндрического 1О дящими кольцами, закрепленными на конденсатора установлена на диэлек- их торцах, при этом площадь колец и трическом основании, жестко соединен- начальное расстояние между ними опном с первым репером, а подвижная ределяют из условия минимизации сумобкладка соединена с вторым репером марной погрешности устройства.

1346786

Составитель К.Лыков

Редактор Н.Лазаренко Техред А. Кравчук Корректор А.Ильин

Тираж 452 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

)13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5105/32

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4