Способ измерения температуры горных пород в шпурах Советский патент 1988 года по МПК E21B47/06 

со со ел

00

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении температуры горных пород в шпурах, пробуренных из подземных сооружений.

Цель изобретения - повышение производительности за счет сокращения выдержки датчика в шпуре.

На фиг. 1 приведен график измерений температуры горных пород; на фиг. 2 - схема расположения чувствительных элементов в замерном участке шпура; на фиг. 3 - схема размещения чувствительного элемента в- конструкции датчика; на фиг. 4 блок- схема устройства для измерения температуры горных пород в шпурах; на фиг. 5 - б;1ок-схема вспомогательного подогревного устройства; на фиг. 6 и 7 - графики для определения коэффициентов, учитывающих радиус шпура и диаметр тепловоспринимаю- щей. пластины чувствительного элемента.

Способ реализуют с помощью шпурового датчика, построенного по типу известного, снабженного прижимными устройствами для двух идентичных чувствительных элементов 1 и 2 (фиг. 3), вмонтированных между тепловоспринимающими пластинами 3 и теплоизоляционными подложками 4. Чувствительнь е элементы 1 и 2 включе: ны (фиг. 4) в цепь стабилизатора 5 тока и измерительного усилителя 6, выход которого подан на вход индикатора 7. Вспомогательное устройство (фиг. 5) для нагрева или охлаждения чувствительного элемента содержит термоэлектрический тепловой насос 8, смонтированный на теплоемком теле (не показано) и через блок 9 ключей подключенный к источнику 10 питания (например аккумулятор НКГК-ПД).

Способ реализуют следующим образом.

После бурения и выстойки шпура предварительно оценивают ожидаемую температуру горных пород в замерной зоне щпура. Для этого используют расчетные зависимости или результаты ранее проведенных измерений. При геотермических исследованиях пользуются формулой

t o t3,,-f ГН, где Н - глубина расположения замерного

элемента 2 до температуры t«j приводит к падению напряжения на входе измерительного усилителя б, соответствующему падению напряжения, если бы значения температуры чувствительных элементов 1 и 2 были одинаковы и равны to только тогда, когда

,

-2 оСоответствующий этому значению выходной сигнал усилителя б индицируется в индикаторе 7. Для нагрева (или охлаждения) чувствительного элемента 2 используют устройство, изображенное на фиг. 5. Для этого с помощью блока 9 ключей на тепловой насос 8 подают ток соответствующей полярности от источника 10 питания. Тепловой насос 8 отводит теплоту от чувствительного элемента 2 посредством их контакта к тепловому телу (не показано).

Датчик вводят в шпур. По мере досылки чувствительных элементов 1 и 2 к замерному участку шпура между элементами 1 и 2 и горными породами в шпуре имеет место теплообмен излучением (для интенсификации теплообмена поверхности тепловос- принимающих пластин 3 должны быть зачернены). В результате теплообмена в течение Т| (фиг. 1) различие между температурами чувствительных элементов 1, 2 и температурой горных пород to сокращается за счет теплоты горных пород, снимаемой

с больщой поверхности шпура, температура чувствительного элемента 1 повышается до tni, а температура чувствительного элемента 2 понижается до tn2, практически не искажая температурного поля горных пород в шпуре. Причем различие равенства отклонений 1и| и tH2 от to, имеющие место вследствие t a to, несколько сглаживается за время TI в силу более интенсивного теплообмена с чувствительным элементом 1, имеющим большее отклонение температуры от to, чем чувствительный элемент 2. За время п

чувствительные элементы 1 и 2 досылаются в замерный участок шпура, где через тепло- воспринимающие пластины 3 посредством прижимных устройств (не показаны) осуществляется их контакт с горными породами с

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение производительности за счет сокращения выдержки датчика в шпуре. Для этого используют датчик с двумя идентичными чувствительными элементами. Предварительно оценивают значение измеряемой т-ры. Вводят в шпур датчик т-ры. Осуществляют контакт его чувствительного элемента с поверхностью горных пород на замерном участ- ке.Выдерживают датчик в шпуре и регистрируют т-ру чувствительного элемента. Затем один из чувствительных элементов нагревают, а другой охлаждают соответственно выше и ниже значения т-ры горных пород на участке замера на равные величины относительно предварительно оцененного значения т-ры. Определяют разность предконтактных значений т-ры чувствительных элементов. Время контакта их с горными породами в шпуре определяют по ф-ле, полученной в результате решения модельной задачи изменения т-ры двухслойной пластины, при-, веденной в контакт с полуграничным массивом. Регистрируют усредненное значение т-ры чувствительных элементов, по которому судят о т-ре горных пород в шпурах. 7 ил. о (Л

участка шпура от дневной поверхности; 45 Диаметрально противоположными поверхноГ - геотермическая ступень; tan - средняя температура земной поверхности геотермического участка, в пределах которого необходимо вести измерения. Значения tan и Г определяют из таблиц.

Чувствительные элементы 1 и 2 имеют температуру, например, im ниже предварительно оцененной t o. Тогда, например, чувствительный элемент 2 нагревают (фиг. 1) до tH2. Нагрев прекращают, когда на индикаторе 7 (фиг. -4) установятся показания, соответствующие значению to. Это соответствует равным отклонениям tin, и tii2 от to . Стабилизатор 5 тока подает на чувствительные элементы 1 и 2 одинаковый ток. Нагрев

стями щпура (фиг. 2). Перед этим фиксируется разница предконтактных значений температуры (tna-tni) чувствительных элементов 1 и 2, для чего может быть использована дифференциальная термопара 50 с расположением спаев у чувствительных элементов 1 и 2. Чувствительные элементы выдерживаются в контакте с горными породами в течение времение, определяемого из выражения

тг К Кш

55(tn2-t.,);j:;p 0

где (tn2-tn|)- разность предконтактных значений температуры чувствительных элементов 2 и 1;

45 Диаметрально противоположными поверхностями щпура (фиг. 2). Перед этим фиксируется разница предконтактных значений температуры (tna-tni) чувствительных элементов 1 и 2, для чего может быть использована дифференциальная термопара 50 с расположением спаев у чувствительных элементов 1 и 2. Чувствительные элементы выдерживаются в контакте с горными породами в течение времение, определяемого из выражения

тг К Кш

55(tn2-t.,);j:;p 0

где (tn2-tn|)- разность предконтактных значений температуры чувствительных элементов 2 и 1;

Cip|hi-f-.C2p2h2

2Дд/л -постоянный коэффициент датчика;

Д - допустимая погрешность измерения;

ш, Кд - коэффициенты, учитывающие радиус R шпура (фиг. 6) и диаметр D тепловоспринима- ющей пластины (фиг. 7); - объемная теплоемкость материала чувствительных элементов 1 и 2; - то же, тепловоспринимающей пластины 3;

- толщина чувствительных элементов 1, 2 и тепловоспри- нимающей пластины 3; Х,-с-р - мини.мальное значение теп- лоусваиваемости (произведение теплопроводности на объемную теплоемкость) горных пород, встречающихся в регионе проводимых измерений) .

Clpl 2р2

i, h2

Использование при реализации способа двух чувствительных элементов при обеспечении одинаковой чувствительности измерительной аппаратуры и взаимозаменяемости датчика и вторичного прибора позволяет снизить не менее чем в 2 раза толщину (hi) чувствительного элемента, так как номинальное электрическое сопротивление обеспечивается суммой электросопротивлений двух чувствительных элементов (фиг. 4),

За время т (фиг. 1) осуществляется 25 существенно снижает время приобре- теплообмен теплопроводностью между горными породами и чувствительными элементами 1 и 2 через тепловоспринимающие пластины 3 и контактное термическое сотения чувствительным элементом тем 1ера- туры горных пород (см. расчетную формулу для продолжительности т контакта). Следует отметить, что это также приводит к снижению погрешности измерения, вызванпротивление между тепловоспринимающими

тения чувствительным элементом тем 1ера- туры горных пород (см. расчетную формулу для продолжительности т контакта). Следует отметить, что это также приводит к снижению погрешности измерения, вызванпластинами 3 и горными породами. Раз- 30 ной перегревом терморезистивного чувствительного элемента при прохождении измерительного тока. Это объясняется увели чением в два раза (условие идентично сти чувствительных элементов) площади чув ствительного элемента, рассеивающего эти

ствительный элемент 2 охлаждается за счет 35 тепловыделения в горные породы, и умень- теплообмена с горными породами, что поз-шением (уменьшение hi в два раза) терволяет интенсифицировать теплообмен, ускорить приобретение чувствительными элементами 1 и 2 значений температуры, близличие между значениями температуры чувствительных элементов 1, 2 и to сокращается. Причем общий тепловой баланс горных пород практически сохраняется, так как чувствительный элемент 1 нагревается, а чувмического сопротивления по толщине чувствительного элемента. Напротив, при сохранении одинаковой погрешности от прохожких к to. За время контакта т чувствитель- .Q дения измерительного тока отмеченное поз- ные элементы 1 и 2 принимают значения --- - ....,..., -,,.,. ..„,..,г.о„.„г,,,;;

температуры соответственно ti и t2. В силу более интенсивного теплообмена между горными породами и чувствительным элементом 1 по сравнению с чувствительным элеволяет снизить диаметр терморезистивноИ проволоки, идушей на изготовление чувствительных элементов, что ведет к дальнейшему снижению толщины (h|) чувствительного элемента и, следовательно, к снижению

ментом 2 вследствие (to-tn,)(tn2-to) от- 45 выдержки датчика в шпуре, к сокращению

клонение ti и t2 от to практически однозначно. За искомую температуру (измеренная температура ton) горных пород в шпуре принимают среднее от этих значений ton

продолжительности измерения температуры горных пород в шпуре.

Формула изобретения

liii2. Q показания индикатора 7 50 Способ измерения температуры горных

пород в шпурах, заключающийся в то.м, что (фиг. 4) после контакта чувствительных элементов 1 и 2 с горными породами в шпуре в течение т (фиг. 1) и более.

Формула для определения времени контакта т получена в результате решения модельной задачи изменения температуры двухслойной пластины, приведенной в контакт с полуограниченным массивом (горные поро55

вводят в шпур датчик температуры, осу- шествляют контакт его чувствительного элемента с поверхностью горных пород на замерном участке, выдерживают датчик в шпуре и регистрируют температуру чувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности за счет сокрашения выдержки датчика в

ды), а коэффициенты Кш и Кд(фиг. 6 и 7) найдены экспериментально.

Реализация предложенного способа позволяет сократить выдержку датчика в щпу- ре за счет исключения необходимости контакта чувствительного элемента с горными породами до полного приобретения чувствительным элементом искомой температуры горных пород.

Это обеспечено использованием усредненных температур двух чувствительных элементов, один из которых всегда имеет температуру выше, а другой - ниже температуры горных пород в шпуре.

Использование при реализации способа двух чувствительных элементов при обеспечении одинаковой чувствительности измерительной аппаратуры и взаимозаменяемости датчика и вторичного прибора позволяет снизить не менее чем в 2 раза толщину (hi) чувствительного элемента, так как номинальное электрическое сопротивление обеспечивается суммой электросопротивлений двух чувствительных элементов (фиг. 4),

существенно снижает время приобре-

существенно снижает время приобре-

тения чувствительным элементом тем 1ера- туры горных пород (см. расчетную формулу для продолжительности т контакта). Следует отметить, что это также приводит к снижению погрешности измерения, вызвантепловыделения в горные породы, и умень- шением (уменьшение hi в два раза) термического сопротивления по толщине чувствительного элемента. Напротив, при сохранении одинаковой погрешности от прохождения измерительного тока отмеченное поз- ....,..., -,,.,. ..„,..,г.о„.„г,,,;;

воляет снизить диаметр терморезистивноИ проволоки, идушей на изготовление чувствительных элементов, что ведет к дальнейшему снижению толщины (h|) чувствительного элемента и, следовательно, к снижению

продолжительности измерения температуры горных пород в шпуре.

Формула изобретения

пород в шпурах, заключающийся в то.м, что

5

вводят в шпур датчик температуры, осу- шествляют контакт его чувствительного элемента с поверхностью горных пород на замерном участке, выдерживают датчик в шпуре и регистрируют температуру чувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности за счет сокрашения выдержки датчика в

шпуре, используют датчик с двумя идентичными чувствительными элементами, предварительно оценивают значение измеряемой температуры, затем один из чувствительных элементов нагревают, а другой охлаждают соответственно выше и ниже значения температуры горных пород на участке замера, на равные величины относительно предварительно оцененного значения температуры, определяют разность предконтактных значений температуры чувствительных элементов, а время контакта их с горными породами в шпуре определяют по формуле

где (tna-tni)- разность предконтактных значений температуры чувствительных элементов; К - постоянный для датчика коэффициент;

Кш, Кд - коэффициенты влияния радиуса шпура и диаметра теп- ловоспринимаюшей пластины чувствительного элемента; X с р - минимальное значение тепло- усваиваемости горных пород, встречаюшихся в регионе, и регистрируют усредненное значение температуры чувствительных элементов, по которому судят о температуре горных пород в шпурах.

фи.г.2

////////777.

1 3 ч

7)