Устройство для измерения деформаций массива горных пород

Устройство для измерения деформаций массива горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PEQlVS J1HH (!9) (!1) (я)4 E 21 С 39 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОР@НОМУ СОИДОТОР.ЬСТВУ

Фиг. t (21) 3691762/22-03 (22) 12.01.84 (46) 30.08.85. Бюл. В 32 (72) М.М.Манукян (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени горный институт (53) 622;23.05(088.8) (56) Манукян М.М. и др. Аппаратура для исследования напряженного состояния целиков и расслоений в кровле. — В сб.: Измерения напряжений в массиве горных пород. Новосибирск, 1972, с. 283-288.

Авторское свидетельство СССР

В 620600, кл. Е 21 С 39/00, 1975. (54)(57) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, содержащее измерительный ципиндрический конденсатор, подвижная обкладка которого соединена штоком с массивом горных пород, и колебательный контур автогенератора, о т л и ч а ющ е е с я 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 коммутируемые входы коммутатора соединены соответственно с обкладками измерительного и компенсирующего конденсаторов, а выход коммутатора подключен к автогенератору, выход -которого соединен с блоком измерения разности двух последовательных во времени частот.

1176075 2 компенсирующего конденсатора 1 к потенциальной точке контура автогенератора 4. При этом подключении частота генерации автогенератора 4 определяется величиной емкости компенсирующего.конденсатора 1 и равна 11 .

В момент t, когда колебания автогенератора 3 переходят в установившийся режим, с блока 8 управления на

10 суммирующий управляющий вход реверсивного счетчика 6 и формирователь 5 импульсов поступает стробирующий . импульс U +длительностью t „, который переводит реверсивный счетчик 6 д в режим суммирования импульсов и включает формирователь 5 импульсов.

К моменту окончания стробирующего импульса Б ф(момент Сз) в реверсивном счетчике 6 накапливается коли20 чество импульсов, равное отношению

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для измерения деформаций, и может быть использовано для конт" роля напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем уменьшения погрешности от долговременной нестабильности частоты автогенератора.

На фиг,1 показана функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 — временные диаграммы работы . устройстват, на фиг.3 — 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 t и измерительный

2 конденсаторы подключены к коммутируемым входам коммутатора 3. Вы- 25 ход коммутатора 3 подключен к потенциальной точке колебательного контура автогенератора 4. Выход автогенератора 4 соединен с входом формирователя 5 импульсов. Выход форми- 30 рователя 5 импульсов соединен с вхо- дом реверсивного счетчика 6, к которому подключен цифровой индикатор 7.

В случае использования устройства в составе радиодатчиков сигналы с выхода реверсивного счетчика 6 подаются на управление модулятором передатчика (не показан), а цифровой индикатор 7 может отсутствовать. Работой. всего устройства управляет щ . блок 8 управления, Формирователь 5 импульсов, реверсивный счетчик 6, цифровой индикатор 7 и блок 8 управления представляют собой блок 9 вычисления разности двух последовательных во времени частот. !

Работа устройства поясняется временными диаграммами (фиг.2).

В момент времени ti с блока 8 управления на коммутатор 3 приходит Ю импульс длительностью t< С +t (t>„) 1ст и м я т время установления, которое включает в себя время переключения коммутатора и время установления колебаний автогенератора, t„ „- время изме- 55 рения частоты автогенератора). Под действием импульса Ui коммутатор 3 подключает потенциальную обкладку где Т1 и 1 — период и частота автогенератора 4, определяемые компенсирующей емкостью 1.

По окончании импульса Ui, (момент

t ) коммутатор 3 отключает компен1 сирующий конденеатор 1 от контура автогенератора 4 и подключает измерительный конденсатор 2. По прошествии времени t, в момент t ст с блока 8 управлейия на вычитающий управляющий вход реверсивного счетчика 6 и формирователь 5 импульсов поступает второй стробирующий импульс

U длительностью t .., который перевоФ1Щ дит реверсивный счетчик 6 в режим вычитания импульсов и включает формирователь 5 импульсов. К моменту окончания второго стробирующего импульса 11- (момент t<) в реверсивном счетчике 6 остается

Ne N1 Nz= изм Ит г) (2) где 2. — частота автогенератора, определяемая величинои емкости измерительного конденсатора 2, Таким образом, в реверсивном счетчике 6 остается число импульсов

Ng> пропорциональное времени измереНИЯ и м „т И РаЗНОСтИ ДВУХ ЧаетОт f.1, и 2 °

1760? 5 4

Гайка 19 служит для фиксации штока непотенциальной обкладки 15 в таком положении, когда емко" òü С компенсирующего конденсатора 1 равна постоянной составляющей С емкости измерительного конденсатора 2.

Емкость С< компенсирующего конденсатора 1 измеряется между зажимами

18 и 20, а емкость С + S у 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 1, и 1 автогенератором 4 происходит практически при одних.и тех же значениях параметров ,контура, крутизны активного элемен;та и других элементов схемй автогенератора.

Поэтому разница между частотами

25 4,-1= д1 пропорциональна изменениям величины измерительной емкости 2, равным S. у, т.е. измеряемому параметру — перемещению у, и практически не зависит

30 от долговременной нестабильности частоты автогеиератора 4, поскольку все накапливаемые уходы частоты входят в равной степени как в частоту, 1 так и в частоту 12 и при определении разности 61 вычитаются.

Это справедливо в том случае, если время измерения t и время устанче новления t достаточно малы, т.е. усг если за время между измерением час40 тот 1 и 1. не накагливается заметных уходов частоты, автогенератора

4 в результате изменения внешних ус ,повий и напряжения источника питания

la не успевают постареть элементы

45 схемы автогенератора 4. Поэтому сумма t1 т+tи, допжна быть как можно

;меньше. Однако учет технической шири, ны спектральной линии генератора позволяет ограничить величину t величиной

Б и М r»t,Ð з 1

По окончании второго стробируюшего импульса U в момент t (когда с цикл измерения закончен) блок 8 управления подает импульс Б„„ на схему 7 цифровой индикации. По окончании импульса индикации цикл измерений может быть повторен многократно.

Емкость контура автогенератора при измерении частоты 1 можно представить в виде

С, =С. + С, ) (3)

I 1 где С вЂ” начальная емкость контура, включающая в себя подстро4 ечные и паразитные емкости, С, — емкость компенсирующего конденсатора t, а при измерении частоты f в виде (С = Со+ С + ) (4) где С вЂ” постоянная составляющая емкости измерительного конденсатора 2, 6 — крутизна преобразования перемещения в емкость измерительным конденсатором 2, — измеряемое перемещение.

Если С1=С и компенсирующий конденсатор 1 аналогичен. измерительному конденсатору 2 (как показано, например, на фиг.3), то изменение емкостей С, и С, связанное с изменением внешних условий и старением, приблизительно одинаково. Это позволяет записать

С1,=СО и С1 =Со+5 1, (5) где С =С +С,=С +С

Измерительный конденсатор 2 (фиг.3) состоит из подвижной обкладки со штоком 10, которая через направляющую 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 выполняет роль потенциальной обкладки. Подвижная обкладка со штоком 10 имеет скользящую посадку в направляющей втулке 11.

Компенсирующий конденсатор I конструктивно выполнен аналогично измерительному и состоит из непотенциальной обкладки 15, которая за счет резьбового соединения со втулкой 16 имеет возможность перемещаться относительно потенциальной обкладки 17, имгюией вывод на зажим 18. (6)

55 где hF — техническая ширина спектральной линии автогенератора.

1176075

30 «1 где о усо

У

ИЗЙ

aN

Согласно экспериментальным данным величина

a F = (l o - lo ) f p ) где f — начальная частота автогео нератора 4, соответствующая емкости С (5 = f,) . (1 равно 10 -10 Гц; с учетом этоо о о

2 го t „равно 10 — 10 с) .

Величина t даже при использова- 10

11сТ нии самых медленных коммутаторов (например, реле с магнитоуправляемыми контактами) много меньше Сд„.

Поэтому в дальнейшем при определеХ нии времени измерения частот и р 15 учитывается только время С„ „.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что в данном устройстве в результате резкого уменьшения влияния долго- 20 временной нестабильности частоты автогенератора удается уменьшить погрешность измерения перемещ1ений не менее чем в 20 раз. Текущая относительная погрешность измерения У

25 предлагаемым устройством выражается следующим образом

2Со

Y =14tztl а У .ю

4я,"К "а ю начальная частота автогенератора 4, соответствующая емкости контура С„, относительная нестабильность емкости С„(У 10 -10 ); относительная нестабильность крутизны преобразования Б (У = 10 -10 ); относительная нестабильность длительности стробимпульса

-Ф, к (У 10 ) долговременная относительная нестабильность частоты автогенератора (У 10 ); абсолютная погрешность показаний реверсивного счетчика 6, обусловленная колебаниями начальной емкости измерительного преобразова-7 теля (для частоты 5 а10 Гц М ° 1 Г1 абсолютная погрешность по55 казаний реверсивного счетчика, вызванная уходами частоты автогенератора, обусловливающими техничес- . кую ширину линии автог1-н ратора (для 5 1О Гц и

t,„=0,1 c 5,--10), " — абсолютная погрешность пока3 заний реверсивного счетчика, вызванная погрешностью еди- ( ницы счета (для 1 10 Гц и ям-оъ1 с. АМа-.а =10) °

B выражении (7) первый член под корнем выражает величину мультипликативной составляющей погрешности

У а второй член — величину адцим тинной составляющей погрешности У> .

Количественная оценка по формуле (7) дает для приведенных значений этих погрешностей

У„ (1-3)" 10, Уд (1-1, S) 10

В известном устройстве величина мультипликативной составляющей погрешности измерения УА, не очень отQP личается от величины У данного устройства, однако величина аддитивной составляющей У значительно пр с - 7 больше. Действительно, при к =11 Гц ширина рабочей полосы частот известного устройства, с1 10 Гц. С учетом

5 того, что У 10

Xk 4 io О

-!О (p т. ! т.е. в устройстве-прототипе величина аддитивной составляющей погрешности

У „ ввиду сильного влияния долговрепр менной нестабильности У почти на о 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 ф. -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-HE

ИЛИ-НЕ и триггерах типа D, входящих в состав интегральных микросхем серий 155 или 561. Формирователь им7 1 пульсов 5 также .реализуется на базовых элементах этой серии, реверсивUg

Рипа

70 11

1б 15

9 иг. 3

Составитель Г. Алексеева

Техред А.Бабинец КоРРектоР И. "1рдвфй

Редактор Л.Веселовская

Заказ 5324/36 Тираж 482

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

- по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4

2

176075 8 ный счетчик 6 и индикатор 7 — на специализированных схемах этих серий.