Устройство для измерения деформации грунта

 

Устройство для измерения деформации грунта содержит две рабочие катушки, помещаемые в исследуемую среду, генератор переменного тока и регистратор. Также применена фазовая модуляция, обеспечиваемая тем, что с одной из рабочих катушек жестко связан резонансный контур, настроенный на частоту генератора. Выход контура через формирователь сигнала, фазовый детектор, подключен к регистрирующему устройству. Технический результат - повышение точности измерений. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области геофизических исследований и предназначено для исследования зон динамического деформирования грунта, определения влияния этих зон на характер волнового процесса в целом и оценки параметров сейсмовзрывных волн в зонах динамического деформирования грунтовой среды в ближних зонах взрывов.

В настоящее время одним из методов определения деформаций грунтового массива является метод буровых скважин, пробуренных в толще грунтового массива, основанный на измерении деформаций в различных местах грунтового массива при помощи приборов, помещенных в скважинах. При этом в скважины могут помещаться емкостные, тензометрические, индуктивные датчики, описанные, например, в патентах Англии №1414144 кл. G 1 N, Франции №2022726 кл H 04 r 17/00, №1586414 кл. G 01 N, авт.св. СССР №312941 кл. E 21 С 39/00, №182922 кл. С 01 L и другие (см. "Справку об исследовании заявляемого объекта изобретения по патентной и научно-технической литературе").

Общим недостатком этих устройств является недостаточная точность измерений и помехозащищенность.

В качестве аналога можно считать индуктивный деформометр, предназначенный для измерения деформации грунта при прохождении волны сжатия взрыва. Этот датчик представляет собой однокомпонентный измеритель индуктивного типа. Он включает катушку индуктивности, две опоры, стержень и телескопические секции. Одна из опор жестко соединена с центральным трубчатым стержнем, являющимся держателем якоря. Вторая опора является корпусом катушки индуктивности. Наружные поверхности опор помещаются в грунт. При динамическом воздействии грунт деформируется, вследствие этого опоры перемещаются друг относительно друга. Это перемещение, равное деформации грунта, передается через подвижный шток к якорю и изменяет индуктивность катушки. Изменения индуктивности регистрируются на шлейфовом осциллографе. Этот датчик имеет повышенную чувствительность к помехам, вызываемыми наведенными магнитными полями, которые при малых уровнях полезного сигнала могут подавить полезный сигнал, что, естественно, снижает точность и качество изменений.

Другим аналогом можно считать прибор, описанный в работе (1. Miscellaneous paper №0 1-885 "Instrumentation for earth stresses and motion produced by explosions" L.F.Ingran. April 1967).

Этот прибор построен на принципе амплитудной модуляции высокочастотного колебания. Он включает в себя две пары катушек - измерительные и компенсационные, генератор переменного тока, демодулятор, фильтр и регистрирующее устройство. Прибор предназначен для лабораторных измерений. Существенными недостатками прибора являются низкая точность и сложность измерений.

В качестве прототипа взят "Измеритель деформации грунта" по патенту США №3.618.139, класс 73-88.5.

Это устройство состоит из датчика, выполненного в виде двух катушек, помещаемых в исследуемый грунт, генератора, усилителей, схемы регулировки амплитуд, демодулятора и фильтра.

Принцип работы прибора заключается в регистрации изменений амплитуды сигнала, наведенной ЭДС в одной из катушек в результате их взаимного перемещения друг относительно друга при деформациях грунта. Этот прибор имеет повышенную чувствительность к помехам ввиду использования амплитудной модуляции, что снижает точность измерений, особенно при низких уровнях полезного сигнала

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что применена фазовая модуляция, обеспечиваемая введением резонансного контура, настроенного на частоту генератора и жестко связанного с одной из рабочих катушек, выход которого через формирователь сигналов и фазовый детектор подключен к регистрирующему устройству, поскольку известно, что наивысшей точностью и помехозащищенностью обладают системы передачи информации с использованием фазомодулированных сигналов. При этом выигрыш в достоверности передачи информации от датчика к регистрирующему устройству по сравнению с амплитудно-модулированными сигналами улучшается на порядок (см. работы И.С.Гоноровский "Радиотехнические цепи и сигналы", Советское Радио, 1964; С.А.Дробов "Радиопередающие устройства", М., 1951; М.П.Долуханов "Оптимальные методы передачи сигналов по линии радиосвязи", М., Связь, 1965).

Предлагаемое устройство представлено на чертежах, где на фиг.1 - изображена схема устройства, на фиг.2 - устройство, установленное в скважине, на фиг.3 - эпюра записи деформации во времени. Устройство (фиг.1) состоит из катушек возбуждения 1, 2, удаленных на 2-3 диаметра друг от друга, резонансного контура 3, жестко связанного конструктивно с катушкой 1, генератора переменного тока 4, устройств регулирования амплитуды 5, 6 и фазы 7, 8, формирователей импульсов 9, 10, фазового детектора 11 и фильтра 12, выход которого подключен к регистрирующему устройству 13, например, к шлейфовому осциллографу, самописцу и т.п.

Принцип работы устройства заключается в преобразовании опорного синусоидального колебания в фазомодулированное и сравнении опорного и модулированного колебаний. С этой целью контур 3 настраивается в резонанс частоты опорного генератора. При этом крутизна фазовой, характеристики в области малых расстроек контура определяется выражением

где ϕ - фаза сигнала;

ω - частота сигнала;

L - индуктивность контура;

С - емкость контура;

r - активное сопротивление контура.

Из рассмотрения этого уравнения можно сделать вывод, что, изменяя один из параметров L, C или r контура, можно менять угол наклона фазовой характеристики.

В данном случае получена система с несимметричной связью контуров. Уравнение относительной фазовой характеристики имеет вид

где Q₁ и Q₂ - добротность контура 3 и катушки 2, соответственно;

К_св - коэффициент связи между контуром и катушкой;

- относительная расстройка системы.

Анализ выражения (2) показывает, что изменение коэффициента связи К_св. вызывает изменение фазовой характеристики системы, что, в свою очередь, вызывает сдвиг фазы напряжения в контуре 3.

Процесс фазовой модуляции описывается выражением

где m_ϕ - индекс фазовой модуляции;

ψ - начальная фаза колебания;

Ω - частота модулирующего колебания.

Из выражения (3) следует, что изменение фазы напряжения на контуре 3 эквивалентно процессу фазовой модуляции. Следовательно, при изменении расстояния между катушкой 1, связанной с контуром 3 и катушкой 2 напряжение на контуре 3 будет промодулировано по фазе.

Фазомодулированное колебание с контура 3 через кабельную линию связи подается на формирователь 9, где формируется меандр в фазе с принимаемым сигналом и частотой следования, равной частоте опорного генератора. Формирование меандра обусловлено необходимостью исключения погрешности, вызываемой искажением сигнала при передаче его по линии связи. Кроме того, при работе с прямоугольными импульсами характеристика фазового детектора будет линейна в пределах ±π/2. Назначение формирователя 10 аналогично формирователю 9.

При измерениях устройство помещается в измерительную скважину. На фиг.2 показано устройство, установленное в скважине. Перед опусканием в скважину катушки 1, 2 и контур 3 устанавливаются в полиэтиленовую форму 14, в которой путем набивки извлеченного при бурении скважины грунта 15 создается нужное значение плотности, влажности и сдвиговой прочности. Сверху грунт в форме покрывается слоем парафина 16 для сохранения физико-механических свойств грунта в форме. После опускания формы с датчиком в измерительную скважину, пространство между стенками формы и скважины заполняется цементным раствором 17 с акустическим импедансом близким к импедансу окружающего грунта, а скважина заполняется извлеченным из скважины грунтом 18 с восстановлением первоначальных стратиграфических характеристик каждого слоя грунта.

Установка рабочей точки после помещения датчика в исследуемую среду и подключения кабельной линии связи осуществляется потенциометрами 5, 6 и фазовращателем 7. Потенциометрами 5 и 6 устанавливается равенство напряжений наводимых катушками 1, 2 в контуре 3, а фазовращателем 7 выбирается рабочая точка, определяющая чувствительность системы. Фазовращатель 8 устанавливает сдвиг фаз между опорным напряжением и напряжением сигнала, равным π/2. При этом выходное напряжение с фазового детектора равно нулю.

При воздействии сейсмовзрывных волн, вызванных крупномодельными взрывами зарядов ВВ, катушка 1 и контур 3 смещаются относительно катушки 2 пропорционально деформации грунта, напряжение на контуре 3 модулируется по фазе, и после прохождения через формирователь 9, фазовый детектор 11 и фильтр 12 полезный сигнал записывается регистрирующим устройством 13.

В организации-заявителе разработано устройство по предлагаемой схеме, изготовлен опытный образец и проведены его лабораторные и полевые испытания. При этом датчики устанавливались в измерительные скважины на различных горизонтах по глубине массива грунта до 40 м по методике описанной выше.

Образец записи деформации грунта во времени по результатам полевых испытаний приведен на фиг.3, где

ε - относительная деформация грунта,

t - время, мс.

Анализ результатов показал, что устройство работоспособно и использование его повышает точность измерений сложных деформаций грунта по сравнению с известными на 10-15%.

Использование предлагаемого устройства позволяет более точно определять деформативную прочность различных видов грунтов в статическом и динамическом режимах нагружения.

Формула изобретения

Устройство для измерения деформации грунта, содержащее генератор, связанные с ним катушки взаимоиндуктивности и подключенный к ним индикатор сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено связанным с катушками взаимоиндуктивности резонансным контуром, а индикатор сигналов выполнен в виде фазового детектора, один вход которого соединен с резонансным контуром, а другой - с генератором.

РИСУНКИ