УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА Советский патент 2006 года по МПК G01B7/24 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники 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 зарядов ВВ.

Данное изобретение является усовершенствованием известного устройства, описанного в изобретении по авт.св. №1840327 от 10.01.77 кл G 01 B 7/24.

В основном изобретении по авт.св. №1840327 кл. G 01 B 7/24 описано устройство для измерения деформации грунта.

Оно состоит из двух катушек возбуждения, удаленных на 2-3 диаметра друг от друга; резонансного LC контура, жестко связанного конструктивно с одной из катушек; генератора переменного напряжения; устройств регулирования амплитуд и фаз; формирователей импульсов; фазового детектора и фильтра, выход которого подключен к регистрирующему устройству, например, к светолучевому осциллографу, самописцу и т.п.

Принцип работы устройства заключается в преобразовании опорного синусоидального напряжения в фазомодулированное и сравнении фаз опорного и модулированного напряжений.

Крутизна фазовой характеристики контура LC, настроенного в резонанс частоты опорного генератора, 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 уравнения (1) можно сделать вывод, что, изменяя один из параметров L, С или r контура, можно менять угол фазовой характеристики.

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

где Q₁ - добротность контура;

Q₂ - добротность катушки, конструктивно не связанной с контуром;

K_св - коэффициент связи мезду контуром и катушкой;

- относительная расстройка системы.

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

Процесс фазовой модуляции описывается выражением:

где m_ϕ - индекс фазовой модуляции;

ψ - начальная фаза колебаний;

Ω - частота модулирующего колебания.

Из выражения (3) следует, что изменение фазы напряжения на контуре эквивалентно процессу фазовой модуляции.

Следовательно, при изменении расстояния между катушкой, связанной с контуром, и другой катушкой напряжение на контуре будет промодулировано по фазе.

Фазомодулированное напряжение с контура подается на формирователь импульсов, где формируются импульсы типа 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.

Перед измерениями производится тарировка устройства, в результате которой определяется зависимость выходного тока I_вых. от смещения l катушек относительно друг друга.

Практика экспериментальных исследований распределения деформаций грунта при воздействии сейсмовзрывных волн показывает, что разрешающая способность устройства по авт.св. №1840327 в ряде случаев оказывается недостаточной, а именно, недостаточен нижний порог чувствительности при малых нагрузках. Этот недостаток известного прибора не позволяет достаточно полно воспроизводить картину распределения деформаций в грунте в местах измерений.

Целью дополнительного изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений.

Это достигается тем, что в устройство для измерения деформации грунта по авт.св. №1840327 дополнительно введено два умножителя частоты. Вход одного из умножителей через усилитель и формирователь подключен к генератору опорной частоты, а выход - к одному из входов фазового детектора. Вход другого умножителя частоты через усилитель и формирователь подключен к датчику фазомодулированного сигнала, а его выход соединен с другим входом фазового детектора.

Предлагаемое устройство представлено на чертежах, где на фиг.1 - изображена структурная схема устройства, на фиг.2 - эпюра записи деформации грунта устройством по авт.св. №1840327, а на фиг.3 - эпюра записи деформации грунта с помощью предлагаемого устройства. При этом условия, в которых работали оба прибора, были одинаковы.

Устройство (фиг.1) состоит из катушек взаимоиндуктивности 1, 2, удаленных друг от друга на расстояние равное 2-3 диаметрам катушек; резонансного LC 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; усилителей 11, 12; умножителей частоты 13, 14, подключенных к соответствующим входам фазового детектора 15; фильтра 16, выход которого подключен к регистрирующему устройству 17, например, к светолучевому осциллографу.

Принцип работы заключается в преобразовании опорного синусоидального напряжения в фазомодулированное и в сравнении фаз опорного и модулированного напряжений, а также в применении принципа преобразования напряжений, позволяющего снизить погрешность измерений в n раз, где n - коэффициент умножения частотных умножителей.

При измерениях устройство устанавливают в измерительную скважину. Перед опусканием в скважину катушки взаимоиндуктивности вместе с LC-контуром устанавливаются в полиэтиленовую форму, в которой путем набивки грунтом, извлеченным при бурении скважины, создают необходимые значения плотности, влажности и сдвиговой прочности, соответствующие значениям окружающего грунта в месте установки устройства. Сверху грунт в форме покрывается слоем парафина для сохранения его физико-механических свойств.

После опускания формы с датчиком в измерительную скважину, пространство между стенками формы и скважины заполняется цементным раствором с акустическим импедансом, близким к импедансу окружающего грунта, а скважина заполняется извлеченным при ее бурении грунтом с восстановлением первоначальных характеристик каждого слоя грунта.

После этого с помощью потенциометров и фазовращателей выбирается рабочая точка, определяющая чувствительность системы, и балансируется фазовый детектор. При этом выходное напряжение с фазового детектора равно нулю.

При воздействии сейсмовзрывных волн, катушка с жестко связанным с ней контуром LC смещается относительно другой катушки пропорционально деформации грунта, напряжение на контуре модулируется по фазе и после прохождения через формирователь, фазовый детектор и фильтр полезный сигнал, пропорциональный деформации, записывается регистрирующим устройством.

При этом измеренная разность фаз будет определяться из соотношения:

где

n - коэффициент умножения;

ϕ₁ - фаза напряжения опорной частоты;

ϕ₂ - фаза напряжения модулированного сигнала;

Ф₁ - запаздывание напряжений на выходе первого умножителя;

Ф₂ - запаздывание напряжений на выходе второго умножителя.

При этом измеренная разность фаз будет:

где

Ф_1,2=Ф₁-Ф₂.

Тогда погрешность измерений определится из выражения:

где

Δϕ - погрешность фазового детектора.

Из анализа выражения (6) следует вывод, что при подключении фазового детектора к выходу умножителей погрешность измерений Δϕ уменьшится в n раз, следовательно повысится точность измерений и расширится диапазон измерений в сторону нижнего порога чувствительности.

Образцы записи деформации грунта во времени с помощью имеющегося и усовершенствованного устройства представлены на фиг.2 и фиг.3, где

ε - относительная деформация грунта;

t - время, мс.

Анализ результатов показывает, что устройство работоспособно, использование его расширяет диапазон и повышает точность измерений, что позволяет производить измерения при малых нагрузках.

Устройство для деформации грунта по авт. св. №1840327 отличающееся тем, что в него дополнительно введено два умножителя частоты, вход одного из которых через усилитель и формирователь подключен к генератору опорной частоты, а выход - к входу фазового детектора. Вход другого умножителя частоты подключен через усилитель и формирователь к датчику фазомодулированного сигнала, а его выход соединен с другим входом фазового детектора. Технический результат - повышение точности и расширение диапазона измерений. 3 ил.

Устройство для измерения деформации грунта по авт. св. №1840327, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, оно снабжено умножителями частоты, включенными перед входами фазового детектора.