Устройство для измерения деформаций массива горных пород Советский патент 1985 года по МПК E21C39/00 

ФигЛ

Л

Од О к

I I

СЛ

9 .I 1 Изобретение относится к горной промьпиленности, в частности к устройствам для изйерення деформаций, и может быть использовано для контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Целью изобретения является повышение точности измерений путем уменьш ния погрешности от долговременной нестабильности частоты автогенерато1ра. На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого устройстваJ. на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства на фиг.З - вариант конструктивного выполнения измерительного и компенсирующего цилиндрических конденсаторов. Рассмотрим вариант реализации устройства с построенным на основе реверсивного счетчика блоком вычисления разности двух последовательных во времени частот (фиг,1), Компенсирующий 1 и измерительньй 2.конденсаторы подключены к коммутируемым входам коммутатора 3. Выход коммутатора 3 подключен к потен циальной точке колебательного конту ра автогенератора 4. Выход автогенератора 4 соединен с входом формирователя 5 импульсов. Выход формирователя 5 импульсов соединен с вхо дом реверсивного счетчика 6, к кото рому подключен цифровой индикатор 7 В случае использования устройства в составе радиодатчиков сигналы с выхода реверсивного счетчика 6 по даются на управление модулятором передатчика (не показан), а цифрово индикатор 7 может отсутствовать. Ра ботой всего устройства управляет блок 8 управления. Формирователь 5 импульсов, реверсивный счетчик 6, цифровой индикатор 7 и блок 8 управ ления представляют собой блок 9 вычисления разности двух последовательных во времени частот, I Работа устройства поясняется временными диаграммами (фиг.2), В момент времени t, с блока 8 управления на коммутатор 3 приходит импульс длительностью t. t „ -tu-Jtч ст изм J Время установления, которое включает в себя время переключения коммутатора и время установления колебаний автогенератора , время изме рения частоты автогенератора). Под действием импульса Uy, коммутатор 3 подключает потенциальную обкладку 75.2 компенсирующего конденсатора 1 к потенциальной точке контзфа автогенератора 4, При этом подключении частота генерации автогенератора 4 определяется величиной емкости компенсирующего конденсатора 1 и равна ( ., В момент tj, когда колебания автогенератора 3 переходят в установившийся режим, с блока 8 управления на суммирующий управляющий вход реверсивного счетчика 6 и формирователь 5 импульсов поступает стробирующий импульс длительностью t, которьй переводит реверсивный счетчик 6 в режим суммирования импульсов и включает формирователь 5 импульсов. R моменту окончания стробирующего импульса (момент t) в реверсивном счетчике 6 накапливается количество импульсов, равное отношению il , (1) Ч где Т, и f, - период и частота автогенератора 4, определяемые компенсирующей емкостью 1, По окончании импульса 11, (момент ti) коммутатор 3 отключает компен1сирукяций конденсйатор 1 от контура автогенератора 4 и подключает измерительный конденсатор 2, По прошествии времени ty, в момент t с блока 8 управления на вычитающий управляюпщй вход реверсивного счетчика 6 и формирователь 5 импульсов поступает второй стробирующий импульс иj,-длительностью t ., который переводит реверсивньй счетчик 6 в режим вычитания импульсов и включает формирователь 5 импульсов, К моменту окончания второго стробирующего импульса Up- (момент tj) в реверсивном счетчике 6 остается ,M(f,-f2) ; (2) где 2 частота автогенератора, определяемая величиной емкости измерительного конденсатора 2. Таким образом, в реверсиегюм счетчике 6 остается число импульсов Ng, пропорциональное времени измерения t у и разности двух частот i, и 1. По окончании второго стробирующе го импульса U в момент t (когда цикл измерения закончен) блок 8 управления .подает импульс схему 7 цифровой индикации. По окон чании импульса индикации цикл измерений может быть повторен многократ но. Емкость контура автогенератора при измерении частоты i можно пред ставить в виде ,, (3) где С - начальная емкость контура, включающая в себя подстроечные и паразитные емкости С, - емкость компенсирующего конденсатора 1, 2 В виде (4) а при измерении частоты 1, Согде Cj - постоянная составляющая емкости измерительного кон денсатора 21 5 - крутизна преобразования пе ремещения в емкость измери тельным конденсатором 2J ) - измеряемое перемещение. Если С С2 и компенсирующий конденсатор 1 аналогичен. измерительном конденсатору 2 (как показано, например, на фиг.З), то изменение емкостей С, и С2, связанное с изменением внешних условий и старением, приблизительно одинаково. Зто позволяет записать Ч,с, , и q Со-ь5-у, (5) где +с,с;+С2. Измерительный конденсатор 2 (фиг.З) состоит из подвижной обклад ки со штоком 10, которая через на- правляющую втулку 11 электрически связана с корпусом 12 и выполняет роль непотенциального электрода измерительного конденсатора 2, и неподвижной обкладки 13, которая имеет вывод на зажим 14 и -выполняе роль потенциальной обкладки. Подвижная обкладка со штоком 10 имеет скользящую посадку в направляющей втулке 11., Компенсирующий конденсатор 1 кон структивно выполнен аналогично измерительному и состоит из непотенциальной обкладки 15, которая за сч резьбового соединения со втулкой 16 имеет возможность перемещаться отно сительно потенциальной обкладки 17, имеющей иызод на зажим 1.8. Гайка 19 служит для фиксации пп-ока непотенциальной обкладки 1.5 в таком положении, когда емкость С( компенсирудащего конденсатора 1 равна постоянной составляющей С емкости измерительного конденсатора 2. Емкость С( компенсирующего конденсатора 1 измеряется между зажимами 18 и 20, а емкость S-y измерительного конденсатора 2 измеряется между зажимами 14 и 20. Зажим 20 электрически связан с корпусом 12 устройства, т.е. с землей. При подключении конденсаторов 1 и 2 в измерительную схему зажимы 14 и 18 подключаются к коммутируемым выходам коммутатора 3. При этом генерация частот i и „ автогенератором 4 происходит практически при одних и тех же значениях параметров контура, крутизны активного -элемента и других элементов схемь автогенератора. Поэтому разница между частотами ,-f,.if пропорциональна изменениям величины измерительной емкости 2, равным S-y, т.е. измеряемому параметру - перемещению у, и практически не зависит от долговременной нестабш1ьн.ости частоты автогенератора 4, поскольку все накапливаемые уходы частоты входят в равной степени как в частотуi так и в частоту ij и при определении разности uf вьпштаются. Это справедливо в том случае, если время измерения t и время установления t достаточно малы, т.е. если за время между измерением частот i, и 2 не накапливается замет;ных уходов частоты, автогенератора |4 в результате изменения внешних ус ловий и напряжения источника питания 1и не успевают постареть элементы ;Схемь автогенератора 4. Поэтому сумма t.+t должна быть как можно меньше. Однако учет технической ширины спектральйой линии генератора пойволяет ограничить величину t, величиной JL «iw/ii p где iF - техническая ширина спектральной линии автогенератора. Согласно экспериментальным данны величина ДР(Ю--10-8). где ig - начальная частота автогенератора 4, соответствующа емкости Сц(. 1,) . (ijj равно 10-10 Гц; с учетом этого , равно 10 - 10 с). Величина tM,. даже при испольэова -НИИ самых медленных коммутаторов (например, реле с магнитоуправляемыми контактами) много меньше t..,,.,, Поэтому в дальнейшем при определении времени измерения частот i и i учитывается только время t . Проведенные теоретические и эксп риментальные исследования показали что в данном устройстве в результа те резкого уменьшения влияния долг временной нестабильности частоты автогенератора удается уменьшить погрешность измерения перемещений не менее чем в 20 раз. Текущая отн сительная погрешность измерения Ум предлагаемым устройством выражаетс следующим образом i 2 -3 2 l О о- t-т: 4UN,.(iN|7y где i - начальная частота автогенератора 4, соответствующ емкости контура С, У(.ц - относительная нестабильно емкости GO (У(.д« ); Уд - относительная нестабильность крутизны преобразования S (У 10 -10), У. - относительная нестабильнос длительности стробимпульса tH,AA(ytH,, У - долговременная относительная нестабильность частоты автогенератора (); абсолютная погрешность показаний реверсивного счетчика 6, обусловленная коле баниями начальной емкости измерительного преобразова теля (для частоты Г и t,,0,1 с дМе,-5); ANg. - абсолютная погрешность показаний реверсивного счетчика, вызванная уходами частоты автогенератора, обусловливающими, техническую ширину линии автогенератора (для f 10 Гц и ., tH, с ), i абсолютная погрешность показаний реверсивного счетчика, вызванная погрешностью единицы счета (для Гц и t,,,1 c,4Nt-.). В выражении (7) первый член под орнем выражает величину мультипликативной составляющей погрешности У/, а второй член - величину аддитивной составляющей погрешности У . Количественная оценка по формуле (7) дает для приведенных значений этих погрешностей У,, (1-3) УА(1-1,5)- 10Ч В известном устройстве величина мультипликативной составляющей погрешности измерения очень отличается от величины У данного устройства, однако величина аддитивной составляющей значительно больше. Действительно, при i 10 Гц щирина рабочей полосы частот известного устройства, Si 10 Гц. С учетом того, что У/ Ч-тг- - -. т.е. в устройстве-прототипе величина аддитивной составляющей погрешности Уд ввиду сильного влияния долговременной нестабильности У почти на два порядка больше, чем в предлагаемом . Предлагаемое устройство может быть реализовано на доступных и дешевых полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах. В частности, в качестве автогенератора может быть использована схема генератора Клаппа на биполярном кремневом транзисторе или схема автогенератора, построенного на аналоге . -диода с использованием полевых транзисторов. Коммутатор может быть выполнен на кремневых диодах либо на реле с магнитоуправляемыми контактами типа РЭС-64 или РЭВ-20. Блок управления 8, реализующий алгоритм, представленный на временной диаграмме (фиг„2), может быть выполнен на базовых элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ и триггерах типа .0, входящих в состав интегральньк микросхем серий 155 или 561. Формирователь импульсов 5 также реализуется на базовых элементах этой серии, реверсивный счетчик 6 и индикатор 7 - на специализированных схемах этих серий.

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, содержащее измерительный цилиндрический конденсатор, подвижная обкладка которого соединена штоком с массивом горных пород, и колебательный контур автогенератора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем уменьшения влияния долговременной нестабильности частоты автогенератора, оно снабжено компенсирующим конденсатором, коммутатором и блоком измерения разности двух последовательных .во времени.частот, причем ксммутируемые входы коммутатора со-единены соответственно с обкладками измерительного и компенсирупщего конденсаторов, а выход коммута(Л тора подключен к автогенератору, выход которого соединен с блоком измерения разности двух последовательных во времени частот.

us. 2

П 18 20 Jt). 12

/ . /

10 11

/J