Устройство для измерения деформаций массива горных пород Советский патент 1987 года по МПК E21C39/00 

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

Целью изобретения является повышение точности измерений за 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. I

Устройство дпя измерения деформаций массива горных пород содержит цилиндрический корпус 1 с диэлектрическим основанием 2, автогенератор 3, цилиндрический конденсатор, включенный в колебательньш 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 9- 12. 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 у плоского конденсатора кольцами 9 и 11, емкость Сд плоского конденсатора - кольцами 10 и 12, емкость Су плоского конденсатора - кольцами 10 и 12 (описанные емкости показаны пунктиром на фиг. 1). Схема подключения емкостей Ci-Cj к ко

346786. 2

лебательному контуру автогенератора показана на фиг. 2, где С„д. и С qoA паразитная и подстроечная емкости, присутствующие в контуре.

Устройство работает следуюш 1м образом.

Вначале кольца 9 и 1J устанавливаются на заданном расстоянии одно относительно другого и при помощи

5

15

20

30

10

подстроечного конденсатора .. 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 Cj изменяется прямо пропорционально величине перемещения подвижной обкладки 7, в то время как величина емкостей Cj, С 4 и Су изменяются обратно про25 порционально величине перемещения подвижной обкладки 7, С изменением величимл суммарной емкости ,С fCj+C +Cj изменяется частота измерительного автогенератора, передаваемая на регистрирующее устройство. По отклонению частоты автогенератора судят о деформации массива горных пород. Таким образом, возникающая нелинейность преобразования величины перемещения подвижной обкладки 7 в величину суммарной емкости С частично компенсирует томсоновскую нелинейность преобразования суммарной емкости в частоту-автогенератора F l/-jL 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, как величина площади колец, расстояния между кольцами и чувствительности устройства, которая определяется геометрическими размерами системы цилиндрических конденсаторов. Указанные параметры определяются из условия минимизации суммарной погрешности устройства, определяющейся из выражения

35

40

45

ВО

55

унл ч у.

где

- погрешность, связанная с неточностью изготовления

механических частей цилиндрического конденсатора; погрешность, связанная с

нелинейной зависимостью от- клонения частоты измерительного автогенератора при изменении емкости цилиндрического конденсатора;

у - 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 д определяется допусками на точность изготовления механических частей цилиндрического конденсатора. Выражение для погрешности от радиального смещения обкладок, равного л , или несоосности обкладок, равной и, имеет вид

V.

О

У, -FO

где

2 ТГс,ц+С„+С,,„ С„„рТь7

- частота контура для несоосно- 35 го положения обкладок в начале диапазона измерений (т. Хр на фиг. 1) ; g - частота хонтура для соосного

положения обкладок в начале 40 диапазона измерений (т. Х,

на фиг. 1); 1

45

2г -.КС,, с,.,,+с,.+с„,д )ь„ частота контура для соосного положения обкладок в конце диапазона измерений (т. Хк на фиг. I).

Следует учесть, что начальная частота автогенератора Fg выбирается из условия максимальной стабильности его работы при заданных паразитной и подстроечной емкостях С„д ,

L

под

Частоты колебательного контура для несоосного и соосного положений обкладок цилиндрического конденсатора Гд, F| определяются величиной суммарной емкости, образованной обкладками цилиндрического и плоских

Q

Ь

0

0

1 конденсаторов ьС + С., включенных в контур. Емкость цилиндрических конденсаторов равна: при положении подвижной обкладки 7 я конце диапазона измерений (т. Х, н а фи г. 1 )

Р (.) с,, - ,

R

где Х - расстояние от кольца 11 до

кольца 9 при положении кольца 11 в конце диапазона измерений (т. Х на фиг. 1); длина неподвижной обкладки 6;

внутренний радиус подвижной обкладки 7 и внешний радиус неподвижной обкладки 6 цилиндрического конденсатора соответственно (фиг. 1);

диэлектрическая проницаемость среды,

при несоосности подвижной 7 и неподвижной 6 обкладок, равной д, для начала диапазона измерения (т. X на фиг. 1 )

(1-Хо

- 4Н 1/-

23 -1

- к,

где К,К - функции несоосности об

R- 6 1 кладок, равной Л

:-к,-й

+ . .+U .

т -Б -Г +ЛК 5-7-0 -U

S-R,

2 R

R -R,-u 1(К:-К.-Й ,.

7- 7-гт-г-

40

Учитывая, что неподвижная обкладка 6 жестко крепится к корпусу 1, находим емкость С для начала и кон- 45 ца диапазона измерений только для соосного положения обкладок

0

.0

С2.

Хс

- 1. f Хк

2

1 2 R.

-п

X - расстояние от кольца 9 до

кольца 11 подвижной обкладки 7 при положении последней в начале диапазона измерений (т. Хд на фиг. 1); R, - внутренний диаметр корпуса,.

Для плоских конденсаторов, образующих емкости С,, С4, Су при положении подвижной обкладки 7 в начале (емкости Сад, Cio, Суд) и конца (емкосf

V3 HOf

ти С,, С, С,) диапазона измерений имеем

%

е S

Д-П -Х, 5г

Чи

.lSi. 21Г-Х

0

.. С

S;

) . Aird-x,) Р . e Sj-. с - -5- УО А .ХО 5к А7-Х,

-где S, - площадь внешней стороны

кольца 11; S - площадь внутренней стороны

кольца 11; Sj - площадь внешней стороны

кольца 10,

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

f (х) - 1/2 7Г 1.((ДхУнц:(х) + )) + Ц ,(х) + С

ч.(х) -ii:;;.

2- 1

,М ,(x) -f-§l- ;

Ч.() 4Trifx7

.-) 1Йгде (, (X) , ( X), u,( X) , (.р,,( X), if Л у. 3i BHCHMOCTH величин емкостей С,, С2, С, Ci, Cj от положения кольца 11 внутри диапазона измерений (т. Х, Х, на фиг.1), Погрешность, связанная с нестабильностью частоты автогенератора 5 определяется из выр-г енин

У

G 4 FO

а Т

-К-- О

М

р

и

г р

и

где М - величина отклонения частоты автогенератора от прямой линии при линеаризации хордой:

(x)-ax-b,

(x) - зависимость частоты автогенератора от положения кольца 11 подвижной обкладки 7 внутри диапазона измерений (т. X|j, Х на фиг. А) ; I

,+b - прямая, линеаризующая функ- 1ЩЮ (xj внутри диапазона измерений;

К -F а YY

.

-а-Хо,

а,Ъ - параметры прямой (фиг. 4).

Находим зависимость частоты автогенератора от положения кольца 11 внутри диапазона измерений (Х, Х на фиг, 1)

под пар

где G - нестабильность частоты автогенератора .

Учитывая, что минимизация величины суммарной погрешности устройства

должна быть проведена по трем параметрам, а именно площади колец ,+S ,, начальному расстоянию между 9 и 11 (т. Х) и чувстви- гел1 ности устройства, определяемой

внутренним радиусом подвижной обклад- кн 7 RI, целесообразно провести ми- нимизацию выражения у f j +J ) Р noMoujji ЭВМ.

Расчеты показывают, что наличие токопроводящих колец при оптимизации начального расстояния между кольцами 9 и 11, площади колец и чувствительности устройства, определяющейся

внутренним радиусом подвижной обкладки 7 цилиндрического конденсатора, позволяет повысить точность измерений за счет снижения погрешности нели- ней1юсти в 2,7 раза.

7,

Формула изобретения Устройство для измерения деформаций массива горных пород, содержащее цилиндрический корпус с диэлектрическим основанием, автогенератор, цилиндрический конденсатор, включенный в колебательный контур автогенератора, и два репера, при этом неподвижная обкладка цилиндрического конденсатора установлена на диэлектрическом основании, жестко соединенном с первым репером, а подвижная обкладка соединена с вторым репером

ЗА67868

посредством штока, отличающееся тем, что, с целью повьппе- ния точности измерений за счет сни- женил погрешности работы, обусловленной нелинейной зависимостью частоты автогенератора от емкости цилиндрического конденсатора, обкладки конденсатора снабжены токопрово- ,Q ДЯЩШ1И кольцами, закрепленными на их торцах, при этом площадь колец и начальное расстояние между ними определяют из условия минимизации суммарной погрешности устройства.

Фи1.2

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

Фиг.З

Редактор Н.Лазаренко

Составитель К.Лыков Техред А.Кравчук

Заказ 5105/32 Тираж 452Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

Корректор А.Ильин